基于創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)的土力學(xué)教學(xué)改革

李麗民+張賢才+唐偉

[摘 要] 高校要培養(yǎng)具有很強(qiáng)社會(huì)競爭能力和適應(yīng)能力的高素質(zhì)應(yīng)用人才，課堂教學(xué)中應(yīng)突出課程的工程應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。本文提出在土力學(xué)課堂教學(xué)中，教師應(yīng)研透教材，注重教學(xué)的交互性，以日常生活和工程問題為背景，以工程應(yīng)用為主線，以學(xué)生為主體，給學(xué)生創(chuàng)造寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境，創(chuàng)設(shè)提問，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)和解決工程實(shí)際問題的能力，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)由“知識(shí)傳授”向“能力培養(yǎng)”的轉(zhuǎn)變，對創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)的課堂教學(xué)改革具有普遍的應(yīng)用價(jià)值。

[關(guān)鍵詞] 土力學(xué);創(chuàng)新精神;應(yīng)用能力;學(xué)生主體;工程應(yīng)用;教學(xué)的交互性;創(chuàng)設(shè)提問

[中圖分類號] G642.40 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）05-0102-04

0 引言

目前我國正在實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，旨在以強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐應(yīng)用能力為目標(biāo)，構(gòu)建人才培養(yǎng)模式，改革課程教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。創(chuàng)新教育和應(yīng)用型人才培養(yǎng)是新時(shí)期高等教育的核心。教學(xué)質(zhì)量是高校的生命，課堂教學(xué)是高等教育中最基本也是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，創(chuàng)新高校課堂教學(xué)模式，推進(jìn)有效教學(xué)、構(gòu)建高效課堂是提高課堂教學(xué)效率和人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效途徑。本文結(jié)合土力學(xué)課程的教學(xué)改革實(shí)踐，對創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)的課堂教學(xué)改革進(jìn)行探討。

1 土力學(xué)教學(xué)改革的必要性

土力學(xué)是土木工程專業(yè)的核心主干課程，對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，夯實(shí)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)具有舉足輕重的作用，也是學(xué)生工作后從事土木工作和科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)。土力學(xué)學(xué)得好的學(xué)生，擅長自學(xué)，在工作中能做到觸類旁通，較快適應(yīng)不同的工作，并能處在學(xué)科前沿進(jìn)行科學(xué)研究。土力學(xué)的教學(xué)效果對構(gòu)建以能力為導(dǎo)向的應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起著舉足輕重的作用。土力學(xué)具有多學(xué)科交叉性，知識(shí)點(diǎn)分散，理論性強(qiáng)，內(nèi)容多，概念多，公式多，內(nèi)容跳躍性大，連貫性差，還具有明顯的不完善性，學(xué)生學(xué)習(xí)起來頭緒繁多，學(xué)習(xí)難度大，學(xué)習(xí)興趣低，課程教學(xué)壓力大[1]，如果采用傳統(tǒng)“一本教材、一個(gè)講義、一套方法”的教學(xué)模式，就會(huì)造成學(xué)生的求知欲望和學(xué)習(xí)興趣得不到激發(fā)，厭學(xué)情緒嚴(yán)重，探索、創(chuàng)新精神與思維能力得不到培養(yǎng)，難以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)。因此，針對土力學(xué)課程特點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)改革勢在必行。

2 基于創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)的土力學(xué)教學(xué) 改革

1）以工程應(yīng)用為主線，講好緒論第一課，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)土力學(xué)的興趣?！爸卟蝗绾弥?，好之者不如樂之者”，學(xué)習(xí)興趣是學(xué)生自覺學(xué)習(xí)的源動(dòng)力[2]。只有激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生才會(huì)主動(dòng)去學(xué)，才會(huì)認(rèn)真聽課，教學(xué)質(zhì)量才能得到真正提高。現(xiàn)在的學(xué)生更注重知識(shí)在將來工作中的實(shí)用性，因此，緒論第一課應(yīng)著重講清楚為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)這個(gè)核心問題，突出課程的重要性，課程的工程應(yīng)用價(jià)值，通過工程案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。充分利用多媒體圖文聲并茂的優(yōu)越性，對世界著名工程案例進(jìn)行講解，例如加拿大特朗斯康谷倉地基滑坡、香港寶城滑坡問題、意大利比薩斜塔和我國虎丘塔的嚴(yán)重傾斜問題，Teton壩和九江大堤決口問題。每一個(gè)問題都強(qiáng)調(diào)造成的損失，同時(shí)提出問題供學(xué)生思考。特朗斯康谷倉、香港寶城為什么會(huì)出現(xiàn)滑坡？比薩斜塔和虎丘塔為什么會(huì)傾斜？是否可以采取措施進(jìn)行糾偏？ Teton壩和九江大堤決口的原因是什么？留給學(xué)生一定的思考討論時(shí)間，引導(dǎo)給出這些問題的正確答案并延伸出這些問題的預(yù)防與處理措施。然后列舉我國有名的趙州石拱橋、開封寶寺木塔等成功案例，提出為什么它們沒有出現(xiàn)問題讓學(xué)生思考討論。通過這些案例和提問顯示出土力學(xué)的工程應(yīng)用價(jià)值，即土力學(xué)是處理巖土工程問題的理論基礎(chǔ)，土力學(xué)可以解決很多工程實(shí)踐問題，對今后從事土木工作及相關(guān)工作具有十分重要的作用，例如建造師、檢測師、巖土工程師等注冊工程師考試就有很多土力學(xué)方面的知識(shí)，這些都是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)好土力學(xué)的動(dòng)力。

2）加強(qiáng)與學(xué)生的溝通，研透土力學(xué)教材，以工程應(yīng)用為主線，重新調(diào)整土力學(xué)教學(xué)內(nèi)容。重視在教師教學(xué)過程中與學(xué)生建立起互相信任、互相尊重、感情融洽的和諧師生關(guān)系，利用網(wǎng)絡(luò)建立起師生平等、真誠的交流平臺(tái)，主動(dòng)與學(xué)生多交流，增進(jìn)師生感情，密切師生關(guān)系。弄清楚土力學(xué)與已學(xué)課程的重復(fù)內(nèi)容，教學(xué)中學(xué)生難掌握的內(nèi)容， 存在誤區(qū)的內(nèi)容，及時(shí)準(zhǔn)確地得到學(xué)生的教學(xué)效果反饋，有的放矢，提高教學(xué)效果。刪減與工程應(yīng)用聯(lián)系不緊密、陳舊的內(nèi)容，與已學(xué)課程重復(fù)的內(nèi)容，增加學(xué)生沒有掌握的實(shí)用知識(shí)以及與工程應(yīng)用關(guān)系密切的學(xué)科發(fā)展前沿，注重基本理論和原理的整合，實(shí)現(xiàn)土力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)化。教學(xué)中應(yīng)始終抓住土的有效應(yīng)力原理和強(qiáng)度等主要理論，著重解決好土的變形、土中應(yīng)力、土壓力和邊坡穩(wěn)定性分析及地基承載力等幾方面的工程應(yīng)用問題。通過有效應(yīng)力原理，把土中的應(yīng)力和變形問題結(jié)合起來，通過抗剪強(qiáng)度理論把土壓力、邊坡穩(wěn)定性分析及地基承載力問題結(jié)合起來。例如講解莫爾-庫侖強(qiáng)度理論時(shí)，結(jié)合圖1對極限平衡原理進(jìn)行詳細(xì)講解，創(chuàng)設(shè)提問：土體發(fā)生剪切破壞的平面是不是剪應(yīng)力最大的平面？破裂面與大主應(yīng)力作用面成什么角度？最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在哪個(gè)面上，與大主應(yīng)力作用面成什么角度？最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在哪個(gè)面上，與大主應(yīng)力作用面成什么角度？已知最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力時(shí)，如何計(jì)算土體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)的最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力？并提醒學(xué)生這些是學(xué)習(xí)土壓力和地基承載力的基礎(chǔ)。講解土壓力時(shí)結(jié)合基坑工程開挖創(chuàng)設(shè)提問：為防止一個(gè)正在開挖的基坑外移，你用背部頂住基坑壁，當(dāng)你感覺背部側(cè)壓力太大頂不住時(shí)，你后退一小點(diǎn)力小，還是向前移一點(diǎn)力小些？部分學(xué)生會(huì)回答“向前移一點(diǎn)力小些”，教師馬上進(jìn)行肯定，并告訴學(xué)生向后退一點(diǎn)只會(huì)使你受到的側(cè)壓力更大。然后提出三種土壓力的概念，這樣學(xué)生就很容易明白土壓力定義和三者的大小關(guān)系。講解朗金土壓力時(shí)，取單元土體，根據(jù)三個(gè)假設(shè)（擋土墻背面豎直、墻背光滑、墻后填土面水平）和三個(gè)土壓力的定義，結(jié)合莫爾-庫倫強(qiáng)度理論知識(shí)引導(dǎo)學(xué)生討論思考就很容易得到圖2的莫爾圓和主動(dòng)及被動(dòng)土壓力強(qiáng)度。在這個(gè)基礎(chǔ)上再引入主動(dòng)土壓力系數(shù)和被動(dòng)土力系數(shù)，并根據(jù)學(xué)生教學(xué)反饋，補(bǔ)充組合圖形形心計(jì)算公式方面的知識(shí)，這樣對土壓力的內(nèi)容學(xué)生就很容易掌握了。然后播放基坑失穩(wěn)案例視頻，教師創(chuàng)設(shè)提問：該基坑為什么會(huì)跨塌？垮塌后應(yīng)采取那些處理措施？土壓力計(jì)算關(guān)鍵是計(jì)算什么？引導(dǎo)學(xué)生思考討論，回顧土中自重應(yīng)力知識(shí)，擴(kuò)展基坑發(fā)展前沿內(nèi)容。同樣，在進(jìn)行地基破壞講解主動(dòng)朗金I區(qū)和被動(dòng)朗金II區(qū)時(shí)，提示學(xué)生土體也是處于極限平衡狀態(tài)，有了前面的基礎(chǔ)，稍做提示學(xué)生就很快明白了。這樣，學(xué)生聽起來有興趣，既解決了工程問題，鞏固了已有知識(shí)，又學(xué)到了新的知識(shí)。

3）把土力學(xué)中基本概念、理論與工程問題及普通常識(shí)緊密聯(lián)系起來，把握教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，創(chuàng)新教學(xué)方法，使抽象的概念具體化，枯操的知識(shí)趣味化，深?yuàn)W的道理淺顯化。充分利用多媒體圖文聲并茂的優(yōu)點(diǎn)，教學(xué)中合理穿插工程案例、實(shí)物、施工現(xiàn)場等方面的圖片、照片、動(dòng)畫等。通過制作和播放土工試驗(yàn)視頻，給學(xué)生鮮明的視覺和聽覺沖擊，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。重新設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)，土力學(xué)理論融進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開設(shè)綜合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)試驗(yàn)過程，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。采用問題式教學(xué)，留給學(xué)生更多的時(shí)間去思考和討論，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，加深學(xué)生對基本概念和原理的理解和記憶。采用啟發(fā)式教學(xué)，強(qiáng)化基本概念和原理的理解，注重概念和理論的工程應(yīng)用，突出解決工程問題分析思想和分析方法，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的習(xí)慣。例如講解土的壓實(shí)問題時(shí)，創(chuàng)設(shè)提問：作為路基填料，土顆粒越大越好，還是越小越好？是不是所有土都可以作為路基填料？應(yīng)該怎么樣來選擇路基填料呢？在學(xué)生思考討論后提出級配和評價(jià)級配的好壞的不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)的概念，然后播放現(xiàn)場路基施工視頻，引入路基填土壓實(shí)案例。再創(chuàng)設(shè)提問：為什么填土壓實(shí)后會(huì)變薄？為什么干土壓實(shí)時(shí)要灑水？在學(xué)生思考討論后提出干密度、壓實(shí)度、最佳含水量、最大干密度等基本概念，再播放用Flash 制作土的滲透壓縮動(dòng)畫，模擬土體的排水壓縮過程，使學(xué)生更易理解土的壓實(shí)原理，通過解決工程實(shí)際問題，讓學(xué)生覺得學(xué)習(xí)這些概念和理論有用，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[3]。在講解土的抗剪強(qiáng)度理論和概念時(shí)， 通過圖3所示物體與粗糙平面之間摩擦這個(gè)普通物理知識(shí)引入，豎向力P作用下，物體受到的水平推力T達(dá)到接觸面的最大摩擦力時(shí)，物體處于極限平衡狀態(tài)即將開始滑動(dòng)，此時(shí)，摩擦力，式中，N為法向壓力，為摩擦系數(shù)，為摩擦角。再根據(jù)剪應(yīng)力定義可得到：，式中，為正應(yīng)力，為接觸面的摩擦抗剪強(qiáng)度。此時(shí)教師創(chuàng)設(shè)提問：摩擦抗剪強(qiáng)度物體處于什么狀態(tài)？摩擦抗剪強(qiáng)度大小取決于哪兩個(gè)因素？學(xué)生就很容易回答出是極限平衡狀態(tài)取決于接觸面上的摩擦角和正應(yīng)力。接著教師指出土的剪切是土體內(nèi)土顆的相對滑動(dòng)，砂土抗剪強(qiáng)度就是砂土內(nèi)部土顆粒之間的摩擦力抵抗外力的能力。那么砂土的抗剪強(qiáng)度大小是多少呢？學(xué)生很容易就能得到：式中，為正應(yīng)力，因?yàn)槭窃谕恋膬?nèi)部，所以是土的內(nèi)摩擦角。隨后學(xué)生自學(xué)討論，引出庫侖定律，得到土的抗剪強(qiáng)度理論和概念。動(dòng)畫模擬土體滑坡過程，播放滑坡工程實(shí)例視頻，結(jié)合國內(nèi)滑坡事故具體數(shù)字講解滑坡的危害，并創(chuàng)設(shè)提問：滑坡一般發(fā)生在什么時(shí)候？滑坡發(fā)生前有那些征兆？該滑坡發(fā)生的原因是什么？該滑坡可采取那些措施來防治？引導(dǎo)學(xué)生討論，解決工程實(shí)際問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生覺得學(xué)好土力學(xué)確實(shí)能處理好實(shí)際工程問題。土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)除開設(shè)顆粒分析試驗(yàn)、土的三相比例指標(biāo)測定試驗(yàn)、土的液、塑限測定試驗(yàn)等常規(guī)實(shí)驗(yàn)外，還采用動(dòng)畫動(dòng)演示開設(shè)采用開設(shè)固結(jié)、直剪、三軸等綜合性設(shè)計(jì)性開放實(shí)驗(yàn)，綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)由學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，通過實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新能力、思維能力、動(dòng)手能力，同時(shí)鞏固和加深土的性質(zhì)、抗剪強(qiáng)度、固結(jié)理論等土力學(xué)理論知識(shí)，讓學(xué)生在知識(shí)的運(yùn)用中獲取新知識(shí)。

4）課堂教學(xué)中始終應(yīng)貫徹如下理念：為什么要學(xué)生學(xué)這些知識(shí)，這些知識(shí)能應(yīng)用到哪些領(lǐng)域，應(yīng)該如何應(yīng)用這些知識(shí)。從常見問題和工程背景引出理論問題，將復(fù)雜理論簡單化，以疑導(dǎo)學(xué)，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主體作用，培養(yǎng)學(xué)生分析解決實(shí)際工程問題能力。教學(xué)中先提出一個(gè)需要解決的工程問題，激發(fā)學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生的思維處于興奮狀態(tài)，再引導(dǎo)學(xué)生朝正確的思維方向探索，由淺入深地逐步啟發(fā)，最終達(dá)到解決問題的目的[4，5]。例如講解土力學(xué)中有效應(yīng)力原理這一重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容時(shí)，先提出如下工程問題：兩個(gè)剛抽干水的底部為軟土的完全相同的池塘（見圖4、圖5），對甲池塘進(jìn)行充水，對乙池塘進(jìn)行填土，填土和充水的重量相同。問經(jīng)過較長時(shí)間后，甲乙兩個(gè)池塘底部軟土?xí)l(fā)生什么變化？學(xué)生依據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)和常識(shí)，會(huì)回答甲池塘軟土不會(huì)變化，乙池塘軟土?xí)冇?。然后教師進(jìn)一步提問，兩個(gè)池塘池底軟土受到的壓力相同，為什么乙池塘軟土?xí)冇?，甲池塘依然為軟土呢？激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引出教學(xué)內(nèi)容并進(jìn)行講解得到土的有效應(yīng)力原理：，式中，為有效應(yīng)力，為總應(yīng)力，為孔隙水壓力。創(chuàng)設(shè)提問：這一土的有效原理適用于飽和土、非飽和土還是二者都適用呢？引導(dǎo)學(xué)生得到只適用于飽和土這一正確答案，并進(jìn)行延伸、擴(kuò)展，增加土力學(xué)發(fā)展最新前沿非飽和土有關(guān)內(nèi)容。再插播抽地下水引發(fā)的工程案例視頻，創(chuàng)設(shè)問題：城市內(nèi)大面積抽取地下水為什么會(huì)引起建筑物開裂？讓學(xué)生帶著這一問題，自學(xué)教材有效應(yīng)力其他內(nèi)容，教師巡視課堂，解決學(xué)生自學(xué)過程中的疑問，引導(dǎo)學(xué)生積極思考。自學(xué)完后組織學(xué)生討論，引導(dǎo)學(xué)生自己得出：抽水會(huì)引起地下水位下降，使土中有效應(yīng)力增加導(dǎo)致地基發(fā)生新的不均勻沉降，造成房屋開裂。教師再創(chuàng)設(shè)提問：土中任一點(diǎn)的總應(yīng)力由哪兩部分組成？對土的強(qiáng)度和變形有影響的是哪一部分？學(xué)生就很容易回答出：土中任一點(diǎn)的總應(yīng)力由孔隙水壓力和有效應(yīng)力組成，土的強(qiáng)度和變形取決于土的有效應(yīng)力。再回到池塘問題，由學(xué)生討論給出答案：對甲池塘池底軟土層，剛抽干水時(shí)：，，，剛充水完后： ，，，充水前后塘底軟土有效應(yīng)力大小沒變，故軟土沒有發(fā)生固結(jié)，仍很軟;對乙池塘池底軟土層，剛抽干水時(shí)：，，，剛填完土后：填土重，， ，，填土后塘底軟土有效應(yīng)力增大了，故軟土?xí)l(fā)生固結(jié)，經(jīng)過一段時(shí)間后會(huì)變硬;式中，、分別為池底軟土的飽和重度和有效重度，為水的重度，為池底軟土層厚度，H為充水深度。最后，結(jié)合某基坑工程案例讓學(xué)生思考，怎樣確定該基坑開挖的最大深度？這樣，通過逐步深入，引導(dǎo)學(xué)生自己解決教師提出的問題，鍛煉了學(xué)生的思維，提高了學(xué)生解決工程問題的水平和能力，不僅使學(xué)生得到了新東西，還在心理上有了成就感。

3 結(jié)束語

新的形式下，培養(yǎng)創(chuàng)新性應(yīng)用人才是高校教學(xué)改革追求的目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在土力學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)融會(huì)知識(shí)，以日常生活和工程問題為背景，以工程應(yīng)用為主線，以學(xué)生為主體，建立和諧融洽的師生關(guān)系，注重教學(xué)的交互性，創(chuàng)新教學(xué)方法，加強(qiáng)工程實(shí)踐，開設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，留給學(xué)生更多的獨(dú)立思考時(shí)間和創(chuàng)意空間，激發(fā)學(xué)生興趣和創(chuàng)新思維能力，拓展學(xué)生思維的廣度和深度，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力和探索創(chuàng)新的精神。教學(xué)改革需要教師、院系、學(xué)校和政府共同努力，教師應(yīng)通過多種途徑走出校門提高自身能力，了解學(xué)科發(fā)展前沿，實(shí)時(shí)更新教學(xué)案例，積極努力地從基礎(chǔ)做起，想學(xué)生所想，從教學(xué)過程和學(xué)生的需要做起，逐步將教學(xué)改革引向深入。

參考文獻(xiàn)

[1]舒志樂，張璐，劉?？h.土力學(xué)與地基基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的幾點(diǎn)思考[J].高等教育研究，2012，29（2）：41-42.

[2]阮波.土木工程專業(yè)土力學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐與體會(huì)[J].長沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2005，6（4）：145-153.

[3]衛(wèi)國祥.土中附加應(yīng)力及土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的教學(xué)探討[J].河南城建高專學(xué)報(bào)，1995，4（4）：42-44.

[4]梁橋，陳金陵，彭利英.卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃下的應(yīng)用型本科土力學(xué)教學(xué)探討[J].當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2013，5（7）：125-126.

[5]游強(qiáng)，游猛.問題式教學(xué)法在《土力學(xué)與地基基礎(chǔ)》教學(xué)中的實(shí)踐[J].力學(xué)與實(shí)踐，2012，34（4）：86-88.