比擬法教學(xué)在“土力學(xué)”課程中的應(yīng)用研究

[摘 要] 我國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)近年來(lái)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，尤其是在“一帶一路”經(jīng)濟(jì)區(qū)開放后，國(guó)內(nèi)外的基建項(xiàng)目越來(lái)越多，對(duì)具有較強(qiáng)理論功底與實(shí)踐能力的地質(zhì)工程專業(yè)人才的需求與日俱增。為此，應(yīng)緊密圍繞“地質(zhì)工程”專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，系統(tǒng)總結(jié)了“土力學(xué)”課程理論教學(xué)部分的特點(diǎn)，以及在授課過(guò)程中存在的理論知識(shí)相對(duì)枯燥、抽象，導(dǎo)致學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣等問題，提出了比擬法教學(xué)。通過(guò)與生活中所熟知的事物或現(xiàn)象進(jìn)行比較，把抽象理論形象化、趣味化，使學(xué)生輕松完成對(duì)基礎(chǔ)理論和公式的理解運(yùn)用，為地質(zhì)工程人才隊(duì)伍培養(yǎng)提供一種行之有效的教學(xué)方法。

[關(guān)鍵詞] 土力學(xué);學(xué)科特點(diǎn);比擬法教學(xué);形象思維

[基金項(xiàng)目] 2015年度國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金“溫度-化學(xué)溶液耦合作用下壓實(shí)膨潤(rùn)土-砂混合物膨脹自愈性能的衰變機(jī)理”（41402260）;2019年度西北大學(xué)教學(xué)研究與成果培育項(xiàng)目“類比式教學(xué)在‘土力學(xué)課程中的應(yīng)用研究”（JX18122）

[作者簡(jiǎn)介] 崔素麗（1980—），女，河北石家莊人，工學(xué)博士，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土體性質(zhì)研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）15-0149-04? ?[收稿日期] 2020-11-04

“土力學(xué)”是研究土的變形、強(qiáng)度及滲透性問題的一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程[1]。土性質(zhì)本身的特殊性決定了“土力學(xué)”這門課程與其他力學(xué)學(xué)科在理論方法上的巨大差異?！巴亮W(xué)”包括理論教學(xué)和試驗(yàn)教學(xué)兩部分，其中理論教學(xué)部分基本概念和基本公式較多，知識(shí)點(diǎn)比較零散，且基本理論多是為解決實(shí)際問題進(jìn)行計(jì)算假定的半經(jīng)驗(yàn)、半理論內(nèi)容，各部分內(nèi)容連貫性較差[2]?？菰锍橄蟮睦碚撝R(shí)使得學(xué)生學(xué)起來(lái)比較吃力，很難真正地理解和掌握土力學(xué)的基本原理，更不能很好地用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決復(fù)雜的工程問題。

本文詳細(xì)總結(jié)了“土力學(xué)”課程理論教學(xué)部分的特點(diǎn)與授課過(guò)程中存在的問題，提出了比擬法教學(xué)。通過(guò)多種形式的比擬，使學(xué)生在一定的學(xué)習(xí)情境下，借助教師的提示，利用自己已有的知識(shí)，將晦澀難懂的理論知識(shí)與喜聞樂見的事物相聯(lián)系，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，培養(yǎng)學(xué)生樹立由此及彼、觸類旁通的發(fā)展思維方式，在輕松自然的學(xué)習(xí)過(guò)程中掌握知識(shí)，達(dá)到事半功倍的目的。

一、“土力學(xué)”課程特點(diǎn)

1.研究對(duì)象性質(zhì)的復(fù)雜性和不確定性。土作為一種大自然的產(chǎn)物[3]，其性質(zhì)自然不像混凝土等人工制品那樣能夠人為的控制和把握。土具有三大特性：一是自然變異性。眾所周知，土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物，地球上的巖石種類千差萬(wàn)別，成分也各不相同，因此風(fēng)化所得土的成分也復(fù)雜多樣。同時(shí)，巖石的風(fēng)化包括物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化三種主要形式，在它們的單獨(dú)或聯(lián)合作用下，土具有千姿百態(tài)的存在形式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。二是碎散不連續(xù)型。土的顆粒間沒有聯(lián)結(jié)或者聯(lián)結(jié)很微弱，主要是通過(guò)水、礦物質(zhì)、冰、膠體等產(chǎn)生的，不同的聯(lián)結(jié)原因會(huì)導(dǎo)致土體呈現(xiàn)不同復(fù)雜的性質(zhì)。三是三相性。土中固、液、氣三相同時(shí)存在，液和氣在固體間可以運(yùn)動(dòng)，同時(shí)三者之間也存在相互作用。比如，在外界環(huán)境改變時(shí)，空氣會(huì)排出、固體顆粒間會(huì)相互靠近、土中的水會(huì)流動(dòng)等，這些都會(huì)導(dǎo)致土體性質(zhì)的不確定性。

2.知識(shí)點(diǎn)與公式多。對(duì)土體性質(zhì)的研究涉及數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等多學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，它們用來(lái)描述土體的性質(zhì)并對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算。因此，在“土力學(xué)”課程中，知識(shí)點(diǎn)比較多且零散不系統(tǒng)，所用到的公式也很多。比如，僅僅在“土的物理性質(zhì)指標(biāo)”這一小節(jié)，土的三相中就涉及10個(gè)物理量，5個(gè)物理量關(guān)系式，13個(gè)物理指標(biāo)，13個(gè)表達(dá)式和近20個(gè)換算公式[4]。

3.理論公式的半經(jīng)驗(yàn)性和半假定性。在土力學(xué)中除了基于物理學(xué)參數(shù)的一些確定公式之外，還有一部分公式是為了解決實(shí)際的工程問題，借助物理、力學(xué)等基本公式，根據(jù)對(duì)土體性質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)判斷，在提出一些合理假定的前提下對(duì)公式進(jìn)行了一定的修訂，具有半經(jīng)驗(yàn)半假定的性質(zhì)。比如“土力學(xué)”中重要的原理有效應(yīng)力原理，計(jì)算依據(jù)物理學(xué)中各物理參數(shù)之間的關(guān)系式，但是在提出“有效”這樣一個(gè)概念后，同時(shí)認(rèn)為土顆粒接觸點(diǎn)的面積很小，可以忽略不計(jì)，假定為零，從而得出“總應(yīng)力=有效應(yīng)力+孔隙應(yīng)力”的原理。

二、理論課程教學(xué)過(guò)程中存在的問題

1.教學(xué)理論性強(qiáng)，內(nèi)容抽象難理解?！巴亮W(xué)”是地質(zhì)工程專業(yè)課程中為數(shù)不多的理論性較強(qiáng)的課程之一，作為一門力學(xué)課程，必然要注重講解力學(xué)原理、力學(xué)理論和力學(xué)公式等。因此，在講授的過(guò)程中不可避免地會(huì)存在很多抽象概念的介紹、力學(xué)原理的講解、復(fù)雜公式的推導(dǎo)和計(jì)算，以及經(jīng)驗(yàn)性結(jié)果的利用和假定的引入。這不僅要求學(xué)生具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等多學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)，也需要學(xué)生課前進(jìn)行預(yù)習(xí)，對(duì)所涉及的一些專業(yè)知識(shí)有所了解。如果一旦某一點(diǎn)出現(xiàn)信息盲點(diǎn)，就會(huì)影響后續(xù)的聽課效果，從而影響對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。

2.授課模式單一、枯燥，授課內(nèi)容局限于專業(yè)。目前“土力學(xué)”的授課多采用“多媒體+板書”相結(jié)合的模式，無(wú)論是多媒體演示，還是“粉筆+黑板”的書寫，由于授課內(nèi)容限定在了專業(yè)課程之內(nèi)，所以無(wú)論是對(duì)復(fù)雜公式的推導(dǎo)還是對(duì)原理的講解，推導(dǎo)的步驟越詳細(xì)，原理講解得越透徹，學(xué)生越覺得枯燥，跟不上教師的思路，因?yàn)榧兝碚摰臇|西容易讓人產(chǎn)生一種“太深?yuàn)W、太抽象”的錯(cuò)覺。

3.只關(guān)注教而忽略了學(xué)，學(xué)生被動(dòng)聽課。教學(xué)包含兩個(gè)方面，一是“教”，二是“學(xué)”。我們大多數(shù)教師都盡職盡責(zé)地做好了“教”的部分，費(fèi)盡心思、想盡辦法，希望在“教”的方面有所提高和突破，卻忽略了“學(xué)”的方面。在教學(xué)這個(gè)過(guò)程中，“教”不是目的，只是手段，我們最終的目的是讓學(xué)生“學(xué)”到知識(shí)，“學(xué)”會(huì)知識(shí)。

針對(duì)以上“土力學(xué)”的課程特點(diǎn)，以及目前在課程教學(xué)中普遍存在的一些問題，筆者從“化難為易”的思想出發(fā)，跳出課堂教學(xué)的專業(yè)局限性，引入比擬式教學(xué)法，由此及彼，比擬推廣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生變被動(dòng)聽課為主動(dòng)學(xué)習(xí)，通過(guò)已知知識(shí)推至未知知識(shí)，由此及彼，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的自然轉(zhuǎn)換和輕松掌握。

三、比擬法教學(xué)的特點(diǎn)

比擬是以人的聯(lián)想為基礎(chǔ)，通過(guò)人和物、物和物之間的不同屬性轉(zhuǎn)嫁的關(guān)系而構(gòu)成的修辭方式[5]。

“比擬”是根據(jù)兩個(gè)對(duì)象或兩類事物的一些屬性相同或相似，用一種事物的特點(diǎn)或?qū)傩匀ヮ惐攘硪环N事物具有相同或相似特點(diǎn)、屬性的思維方式。比擬法教學(xué)在高等院校一些基礎(chǔ)或工科課程中應(yīng)用得非常廣泛。它能夠?qū)φn程的抽象知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行形象化，對(duì)高度專業(yè)的理論知識(shí)通過(guò)類比變得普世化，使“陽(yáng)春白雪”或“晦澀難懂”的知識(shí)變得更接地氣，更容易理解和記憶。這是一種通過(guò)尋求事物的共同點(diǎn)從而尋求突破以使問題得到解決的一種教學(xué)模式。

四、比擬法在教學(xué)中的應(yīng)用

將比擬法引入“土力學(xué)”教學(xué)，通過(guò)“由此及彼”的教學(xué)方法，借助適當(dāng)?shù)谋扔骰驍M人化的手法，把抽象的知識(shí)具體化、微觀的知識(shí)宏觀化，可以對(duì)課程中的很多知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)和闡述。

1.教師創(chuàng)設(shè)比擬實(shí)物對(duì)象，聯(lián)想記憶學(xué)習(xí)。形象的比喻可以化抽象為具體，化繁為簡(jiǎn)。教師通過(guò)生動(dòng)有趣的比喻，將枯燥的土力學(xué)知識(shí)形象化，既能發(fā)散學(xué)生的思維，也可以產(chǎn)生視覺沖擊效應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生將熟知的具體物體與正在學(xué)習(xí)的土體相聯(lián)系，達(dá)到聯(lián)想記憶的目的，從而加深對(duì)知識(shí)的理解和掌握。比如，在講授“顆粒大小與級(jí)配”問題時(shí)，書本中首先定義了d10、d30和d60三種特征粒徑，它們分別表示粒徑分布曲線上小于某粒徑的土粒含量為10%、30%和60%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑，如圖1所示。

然后利用這三個(gè)特征粒徑通過(guò)計(jì)算獲得不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc兩個(gè)指標(biāo)，計(jì)算式分別如下：

Cu=■（1）

C■=■（2）

最后通過(guò)這兩個(gè)指標(biāo)值的大小來(lái)講解土體的級(jí)配問題。

該問題中從粒徑定義到指標(biāo)的對(duì)比都是新的知識(shí)點(diǎn)，且都是數(shù)字和符號(hào)，非常抽象，單純靠記憶根本無(wú)法讓學(xué)生從根本上理解級(jí)配問題。此時(shí)，引入我們?nèi)粘Ｉ钏熘牟牧希好娣?、小米、大米和黃豆分別代表礫石、粗砂、細(xì)砂、粉土四種特征粒徑土，如圖2所示。

純的面粉、小米、大米和黃豆都級(jí)配不好，可以嘗試兩兩組合，比如大米和小米，如圖3所示，雖然小米在一定程度上能夠填充大米之間所形成的空隙，但是小米之間還是存在一定的空隙，這也是級(jí)配不好。因此，可以將四種實(shí)物帶到課堂，讓學(xué)生們親自動(dòng)手進(jìn)行不同比例的兩兩組合、三種組合、四種組合，通過(guò)親自動(dòng)手會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)四種材料同時(shí)存在且滿足一定比例的時(shí)候，就能夠形成級(jí)配良好的混合物。通過(guò)利用生活中熟知的事物親自操作，能夠順利地變陌生為熟悉。

引申工程問題：假如混合物中只有黃豆和面粉，黃豆之間形成的空隙，不能阻隔面粉的通過(guò)，那么當(dāng)有水滲流通過(guò)的時(shí)候，面粉就會(huì)被帶走，在工程中這就是所謂的“管涌”，它是很多大壩潰壩的原因之一。

此例所用的實(shí)物都是我們?nèi)粘Ｉ钪兴究找姂T的東西，通過(guò)對(duì)生活常識(shí)的講解，學(xué)生能夠?qū)㈦y以理解的土體級(jí)配問題與日常事物聯(lián)想對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)輕松理解、深刻掌握，并且能自如地用其解決相應(yīng)的工程問題。

2.教師創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，情景類比學(xué)習(xí)。除了通過(guò)實(shí)實(shí)在在的實(shí)物進(jìn)行比擬，通過(guò)創(chuàng)設(shè)符合教學(xué)內(nèi)容、富有吸引力的情境，也可以幫助學(xué)生將注意力集中在知識(shí)點(diǎn)與情景或事件上，利用自己已有的知識(shí)、常識(shí)等完成對(duì)新內(nèi)容的學(xué)習(xí)。比如在講解土體主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力這部分內(nèi)容時(shí)，以“主動(dòng)土壓力”為例，它包含三個(gè)知識(shí)點(diǎn)：擋土墻背離土體移動(dòng)，土壓力在此過(guò)程中逐漸減小，土體達(dá)到“極限平衡狀態(tài)時(shí)”作用在墻背上的壓力才叫主動(dòng)土壓力。如果只是讓學(xué)生將這一名詞概念進(jìn)行文字記憶，學(xué)生很難真正理解和掌握主動(dòng)土壓力的本質(zhì)，也很容易在后期忘記和混淆。即便在課上借助擋土墻的一些示意圖和實(shí)物圖進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)展示和講解，效果仍然不理想，學(xué)生難以將靜態(tài)的土體與這個(gè)表示動(dòng)態(tài)過(guò)程的概念很好地聯(lián)系起來(lái)理解掌握。此時(shí)，引入我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷淖娞?，在乘坐箱式電梯的時(shí)候，把自己想象為土，把轎廂內(nèi)原本存在的人群想象為擋土墻。當(dāng)“我”進(jìn)入電梯的時(shí)候，會(huì)去擠靠電梯內(nèi)原有的人群，這個(gè)時(shí)候人群在擠力作用下身體有遠(yuǎn)離“我”的趨勢(shì)（注意：此時(shí)腳保持原位不動(dòng)），而身體在遠(yuǎn)離“我”的過(guò)程中，受到的推力就會(huì)減小。當(dāng)對(duì)方身體遠(yuǎn)離“我”到即將站不穩(wěn)的時(shí)候，就會(huì)挪動(dòng)腳步向后移動(dòng)，此時(shí)對(duì)方身體受到的推力最小，即為“主動(dòng)土壓力”。

坐電梯是每個(gè)人日常生活中必不可少的經(jīng)歷，因此學(xué)生很容易將自己乘坐電梯時(shí)的情景回憶起來(lái)，然后類比到主動(dòng)土壓力的概念中，自然而然地就理解和掌握了這個(gè)概念，而且記憶精準(zhǔn)，不易混淆，并且在以后乘坐電梯時(shí)也能想起該知識(shí)點(diǎn)，起到復(fù)習(xí)鞏固的效果。

3.鼓勵(lì)學(xué)生自己想象，比擬競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)。土力學(xué)的研究對(duì)象是土，書中很多知識(shí)點(diǎn)都可以找到合適的比擬法。另外，一個(gè)知識(shí)點(diǎn)也可能有多個(gè)比擬對(duì)象，通過(guò)提出擬解決的問題，讓學(xué)生展開討論和想象，個(gè)人回答或者分組討論，讓學(xué)習(xí)從“被動(dòng)接受記憶”變成“主動(dòng)思考發(fā)現(xiàn)”，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和求知欲，在輕松愉悅的過(guò)程中完成了對(duì)知識(shí)的內(nèi)化過(guò)程。比如，在講到直接剪切試驗(yàn)部分的時(shí)候可以提出問題：快剪和慢剪的區(qū)別在哪里？剪切過(guò)程勻速與否有什么影響？為什么為水平推力隨豎向壓力的增大而增大？等等。讓學(xué)生展開討論，想象這些現(xiàn)象跟自己生活中的哪些事物或者現(xiàn)象有相似之處。學(xué)生們會(huì)提出各種各樣的現(xiàn)象，比如：勻速騎自行車省力，變速時(shí)，猛蹬一下會(huì)費(fèi)力;推動(dòng)站著一個(gè)人的桌子比推動(dòng)站著五個(gè)人的桌子省力;等等。從而將晦澀難懂的原理通過(guò)淺顯的生活常識(shí)或現(xiàn)象的聯(lián)想，達(dá)到理解記憶的目的。

五、結(jié)語(yǔ)

將比擬法應(yīng)用于“土力學(xué)”課程教學(xué)，通過(guò)教師創(chuàng)設(shè)情境或者學(xué)生自己聯(lián)想生活經(jīng)驗(yàn)和原有知識(shí)儲(chǔ)備，甚至通過(guò)實(shí)際的情景演示等方式，把抽象、不直觀的很多理論和知識(shí)形象化，使學(xué)生自然而然地輕松完成對(duì)知識(shí)的理解、掌握和運(yùn)用，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。同時(shí)，學(xué)生在獲得新知識(shí)的同時(shí)，也拓寬了他們的形象思維能力，培養(yǎng)了他們對(duì)生活的觀察能力和思維能力，為以后的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇美選，林智勇.土力學(xué)課程教學(xué)改革探討[J].教育教學(xué)論壇，2017（28）：130-131.

[2]四校合編.土力學(xué)[M].3版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013：6.

[3]李廣信，張丙印，于玉貞.土力學(xué)[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2013：4.

[4]盧廷浩，劉斯宏，陳亮，等.土力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2012：32-36.

[5]池昌海.現(xiàn)代漢語(yǔ)語(yǔ)法修辭教程[M].3版.杭州：浙江大學(xué)出版社，2014：142.

Research on the Application of Analogy Teaching in the Course of Soil Mechanics

CUI Su-li

（National Experimental Teaching Demonstration Center of Geology/Department of Geology， Northwest University， Xian， Shaanxi 710069， China）

Abstract： Chinas infrastructure construction has made rapid progress in recent years. Especially after the opening of “the Belt and Road Initiatives” economic zone， there are more and more infrastructure projects at home and abroad， and the demand for geological engineering professionals with strong theoretical foundation and practical ability is increasing day by day. This paper focuses on the training objectives of geological engineering major， summarizes the characteristics of the theoretical part of Soil Mechanics systematically， analyzes the problem that students often lose interest in learning due to the relatively dull and abstract theoretical knowledge， and proposes the teaching method of analogy. By comparing with the familiar things or phenomena in life with comparable forms of existence， the abstract theories are visualized and become interesting， so that students can easily understand and master the application of basic theories and formulas， which provides an effective teaching method for the cultivation of geological engineering talents.

Key words： Soil Mechanics; course characteristics; analogy teaching; imaginal thinking