土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革綜述

陳思琴　文思思　湯盈盈　羅蕊　石帥

【摘 要】土力學(xué)是一門綜合性、實(shí)用性較強(qiáng)的學(xué)科。教學(xué)實(shí)踐表明，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)能激發(fā)學(xué)生對土力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對理論知識的掌握以及培養(yǎng)學(xué)生動手實(shí)踐的能力。文章基于土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的重要性，分析了實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過程中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方式、考核手段等存在的問題，針對所存在的問題列舉了目前實(shí)驗(yàn)課程改革的方法，并進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)比較。為各高校土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革提供參考。

【關(guān)鍵詞】土力學(xué); 實(shí)驗(yàn); 改革

【中圖分類號】G642.0【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

1 土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的重要性

土力學(xué)是土木工程專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，作為一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，土力學(xué)的許多基本概念和原理都建立在土力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上?？梢姡亮W(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果直接影響著學(xué)生對土力學(xué)課程的理解，進(jìn)而關(guān)系到其他以土力學(xué)為基礎(chǔ)的專業(yè)課程（如地基基礎(chǔ)、地質(zhì)工程）的教學(xué)質(zhì)量。土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，不僅傳授給學(xué)生實(shí)踐操作，鞏固其所學(xué)的理論知識，還有助于激發(fā)學(xué)生對土力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，有助于培養(yǎng)學(xué)生探索精神和創(chuàng)新意識，實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，為后期學(xué)習(xí)打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。每個土力學(xué)實(shí)驗(yàn)都來源于實(shí)際的工程項(xiàng)目，相關(guān)知識可直接用于工程的勘察、設(shè)計和施工，實(shí)驗(yàn)的精確程度將直接影響工程的質(zhì)量。土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，有助于培養(yǎng)學(xué)生分析、解決工程實(shí)際問題的能力，樹立力求準(zhǔn)確的工程意識[1-2]。

土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的重要性不言而喻，但目前仍存在著諸多問題。因此，文章第二部分總結(jié)出目前土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程所存在的典型問題，第三部分基于土力學(xué)試驗(yàn)課程現(xiàn)狀，列舉了五個實(shí)驗(yàn)課程的創(chuàng)新改革方法，并進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析。

2 土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程現(xiàn)狀

根據(jù)近年來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程在整個土力學(xué)教學(xué)過程中占據(jù)著越來越重要的地位，在周莉[3]和湯勁松[4]的文章中均有提及土力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革在培養(yǎng)高素質(zhì)土建類特色應(yīng)用型人才方面的必要性和重要性。但是，在其教學(xué)過程中仍存在著尤為典型的問題：

（1）土力學(xué)實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證性、單科性的實(shí)驗(yàn)較多[3]，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相較于工程實(shí)際中的情況太過單薄，且實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置不連貫，導(dǎo)致學(xué)生難以理解實(shí)驗(yàn)原理在工程實(shí)際中的具體應(yīng)用，從而出現(xiàn)學(xué)生覺得實(shí)驗(yàn)太過于抽象、不好理解等情況。

（2）在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時，教師大多采用“教師演示示范，學(xué)生組隊模仿”的教學(xué)模式。這種教學(xué)模式在一定程度上降低了部分學(xué)生的自主動手和在實(shí)際操作中解決問題的能力，不利于這部分學(xué)生借助實(shí)驗(yàn)更加深刻地理解某些原理并提高其綜合分析能力。

（3）由于大多數(shù)高校在實(shí)驗(yàn)器材的儲備上尚有不足，負(fù)責(zé)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的老師數(shù)量有限，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)時間持續(xù)較長和場地的限制等原因，導(dǎo)致不能保證每一個學(xué)生都可以單獨(dú)完成一個實(shí)驗(yàn)。且考核方式太過單一，對學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中的完成情況不能準(zhǔn)確評估，容易導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生對實(shí)驗(yàn)課產(chǎn)生不重視的情況，使實(shí)際教學(xué)效果較之預(yù)期大打折扣。

3 針對實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的創(chuàng)新方法及優(yōu)缺點(diǎn)比較

3.1 虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)

虛擬仿真技術(shù)是借助計算機(jī)生成虛擬系統(tǒng)來模仿另一個真實(shí)物理系統(tǒng)的技術(shù)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就是基于PC端虛擬仿真技術(shù)，根據(jù)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)布局搭建模型，使得學(xué)生可以通過虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行交互式操作對各種儀器進(jìn)行控制，進(jìn)而完成實(shí)驗(yàn)流程，見圖1。

（華僑大學(xué)土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺）

通過這種以標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室布局搭建的虛擬仿真系統(tǒng)，不僅可以緩解現(xiàn)在大多數(shù)高校普遍存在的實(shí)驗(yàn)儀器不足的問題，對于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)方面更是大有裨益：

（1） 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。相較于傳統(tǒng)的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，該系統(tǒng)可以保證每個學(xué)生都能獨(dú)立完整地完成實(shí)驗(yàn)，避免了因?yàn)槭艿綄?shí)驗(yàn)器材數(shù)量有限而導(dǎo)致出現(xiàn)部分成員未積極參與實(shí)驗(yàn)的情況[5]。

（2）可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)時間。土力學(xué)實(shí)驗(yàn)常使用加荷載等手段進(jìn)行，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)具有很長的操作流程，使用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以真實(shí)模擬出荷載效應(yīng)的時效性，通過簡化實(shí)驗(yàn)步驟達(dá)到節(jié)省時間的目的。

（3）增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可視性[6]，使抽象的實(shí)驗(yàn)過程更加直觀。采用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以全方位觀察實(shí)驗(yàn)的整個流程，對于微觀變化可以通過力學(xué)傳感器更新的即時數(shù)據(jù)、試樣在實(shí)驗(yàn)過程中的變形情況等來進(jìn)行直接觀察。

（4）操作簡便。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過交互式操作簡化了實(shí)驗(yàn)過程中的操作步驟，使實(shí)驗(yàn)流程更有條理性[6]。

雖然虛擬仿真試驗(yàn)系統(tǒng)在一定程度上能給學(xué)生提供便利，但其仍存在著一些不足之處：

（1）虛擬仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的操作選項(xiàng)為程序設(shè)定的固定搭配，操作時學(xué)生只需跟隨指示點(diǎn)擊，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程較為枯燥且不利于學(xué)生自主思考實(shí)驗(yàn)過程各步驟間存在的邏輯關(guān)系。

（2）虛擬仿真系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)太過于理想化?，F(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)操作中往往伴隨著各種誤差，包括儀器帶來的誤差，實(shí)驗(yàn)人員的操作誤差等，使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在某些方面降低了實(shí)驗(yàn)難度，學(xué)生在真實(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時可能缺乏對突發(fā)狀況的分析和處理能力[5]。

3.2 工程案例教學(xué)法

工程案例教學(xué)法是將實(shí)際工程案例引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)法?；趯?shí)驗(yàn)教學(xué)大綱所要求的內(nèi)容，教師在課前搜集相關(guān)工程實(shí)例的資料，設(shè)計出具有針對性和知識性的工程案例;各實(shí)驗(yàn)小組在課堂上設(shè)計出實(shí)驗(yàn)方案，在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行討論和方案優(yōu)化。小組成員應(yīng)按照實(shí)驗(yàn)方案測定所需要的數(shù)據(jù)參數(shù)，解決實(shí)際的工程問題;教師在課后根據(jù)各小組實(shí)驗(yàn)方案的可行性和測量參數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行整體評價[7]。

工程案例教學(xué)法以學(xué)生為課程主體，以案例為實(shí)驗(yàn)平臺，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）在解決工程問題的過程中，學(xué)生作為主體，調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題和主動學(xué)習(xí)的能力，促進(jìn)素質(zhì)教育和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[6]。

（2）典型工程案例把各個土力學(xué)實(shí)驗(yàn)緊密聯(lián)系起來，讓學(xué)生能系統(tǒng)地理解各個參數(shù)之間的關(guān)系，鍛煉了學(xué)生的綜合思維能力[6]。

（3）增加學(xué)生接觸工程實(shí)例的機(jī)會，培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，讓學(xué)生了解所做的實(shí)驗(yàn)在實(shí)際工程中的具體應(yīng)用，更好地理解土力學(xué)的理論知識和實(shí)驗(yàn)的實(shí)際意義[7]。

該法比傳統(tǒng)教學(xué)法復(fù)雜，故在實(shí)施階段中存在部分局限性：

（1）耗費(fèi)時間多。因?yàn)橐牍こ贪咐?，所以該教學(xué)法的課前準(zhǔn)備和課堂實(shí)施階段比傳統(tǒng)教學(xué)法更耗費(fèi)時間。

（2）對教師的要求較高。教師需要課前準(zhǔn)備典型工程案例，這要求教師有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。

（3）實(shí)驗(yàn)效率不高。該教學(xué)法以教師的有效引導(dǎo)和學(xué)生的積極參與為前提，這兩方面不容易同時滿足，所以影響實(shí)驗(yàn)效率[7]。

（4）需要出臺配套的實(shí)驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)教學(xué)法以學(xué)生的出勤率和書面實(shí)驗(yàn)報告為考核依據(jù)，但該教學(xué)法還需要考慮小組成員的內(nèi)部分工和理論知識在工程案例中的運(yùn)用程度等因素。

3.3 誤差分析教學(xué)法

誤差分析教學(xué)法即對由于學(xué)生的操作、儀器、實(shí)驗(yàn)時間和環(huán)境的差異，所造成的各種各樣的實(shí)驗(yàn)誤差通過誤差預(yù)判、過程控制、問題導(dǎo)引和誤差設(shè)計等手段進(jìn)行系統(tǒng)分析[7]。此教學(xué)法需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前了解實(shí)驗(yàn)原理、掌握實(shí)驗(yàn)步驟、以設(shè)計者的角度進(jìn)行誤差預(yù)判、減少錯誤操作;在實(shí)驗(yàn)中注重實(shí)驗(yàn)條件控制、正確地操作及記錄、盡可能獲取準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束后對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行剖析，并在老師設(shè)定的實(shí)驗(yàn)誤差環(huán)境中對每一個誤差原因進(jìn)行針對性的分析，從而驗(yàn)證各種可能造成實(shí)驗(yàn)誤差的因素并掌握整個實(shí)驗(yàn)。

此方法適用于土力學(xué)所有實(shí)驗(yàn)。相對傳統(tǒng)教學(xué)方法，該法有著以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）通過誤差分析教學(xué)可以減少學(xué)生對老師的依賴性，調(diào)動學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性與能動性，有利于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)本質(zhì)和原理的充分認(rèn)識，可以改善學(xué)生對實(shí)驗(yàn)暫時性記憶的情況。

（2）誤差預(yù)判和實(shí)驗(yàn)過程的控制，強(qiáng)調(diào)學(xué)生實(shí)驗(yàn)前充分預(yù)習(xí)準(zhǔn)備，重視實(shí)驗(yàn)步驟并熟知實(shí)驗(yàn)過程，可有效提高實(shí)驗(yàn)成功的可能性。

（3）誤差數(shù)據(jù)的設(shè)計激發(fā)學(xué)生對各種參數(shù)信息進(jìn)行對比和思考，并得出各種因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，相比實(shí)驗(yàn)操作更能培養(yǎng)學(xué)生思維能力、問題分析能力。

（4）誤差教學(xué)可以改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)流于形式、效率低下的弊端，改變學(xué)生做實(shí)驗(yàn)“照葫蘆畫瓢”的本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中求知務(wù)實(shí)的精神，切實(shí)提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的效率，從而使得土力學(xué)教學(xué)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化[7]。

誤差分析教學(xué)法給實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)帶來諸多優(yōu)點(diǎn)的同時，也存在著一定局限性：

（1）老師在課前需要進(jìn)行充分的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，設(shè)定合理的誤差環(huán)境，在課上也需要對學(xué)生在誤差分析時進(jìn)行及時的引導(dǎo)。

（2）學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前需要花費(fèi)更多的時間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，對實(shí)驗(yàn)原理和步驟進(jìn)行充分的了解，實(shí)驗(yàn)時也需要更加重視實(shí)驗(yàn)操作、做到細(xì)心精確;在進(jìn)行誤差分析時也可能需要進(jìn)行反復(fù)的實(shí)驗(yàn)。

（3）某些環(huán)境因素導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差無法避免，會干擾學(xué)生的誤差分析。

3.4 基于MATLAB的數(shù)據(jù)處理法

MATLAB是一種高級語言，它集科學(xué)計算、自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理于一體，具有極高的編程效率?；贛ATLAB的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理法即利用MATLAB編寫程序處理實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到各類實(shí)驗(yàn)參數(shù)、計算結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)關(guān)系曲線。該法可應(yīng)用于土力學(xué)所有實(shí)驗(yàn)，對土力學(xué)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、并得到相關(guān)曲線。

基于MATLAB的數(shù)據(jù)處理法給土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理過程帶來了諸多便利：

（1）使用MATLAB編制和調(diào)試程序，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動計算、繪圖和分析等過程[9]。

（2）MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理簡單快捷，可彌補(bǔ)手工繪圖誤差大的不足[10]。

（3）不論是將MATLAB作為單一的計算機(jī)語言應(yīng)用還是直接利用MATLAB自身的工具箱，解決土木工程領(lǐng)域的實(shí)際問題都是行之有效的，基于MATLAB數(shù)學(xué)模型測試和仿真都具有方便、簡潔的特點(diǎn)[8]。

（4）基于MATLAB的數(shù)據(jù)處理法可替代學(xué)生手工計算的過程，不僅提高了試驗(yàn)效率，還使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精確。

MATLAB處理數(shù)據(jù)也存在著一定的不足之處：

（1）使用MATLAB處理數(shù)據(jù)時會存在浮點(diǎn)數(shù)誤差，浮點(diǎn)數(shù)誤差可能會影響到試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響整個土力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

（2）學(xué)生依賴于計算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，難免會削弱學(xué)生對公式的掌握和靈活運(yùn)用，容易導(dǎo)致學(xué)生只會套用公式而不能真正體會公式來意和含義的結(jié)果。

3.5 改進(jìn)考核機(jī)制

土力學(xué)實(shí)驗(yàn)是將理論知識與實(shí)際操作結(jié)合的重要方式之一。實(shí)驗(yàn)考核方式又是檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的重要方法之一，但現(xiàn)在很多學(xué)校在土力學(xué)實(shí)驗(yàn)考核方式上仍有待改進(jìn)。相較于傳統(tǒng)的考核方式只考慮出勤率和書面實(shí)驗(yàn)報告，改進(jìn)后的考核方式將考核內(nèi)容擴(kuò)展至實(shí)驗(yàn)課出勤率、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性和準(zhǔn)確性、實(shí)驗(yàn)報告的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理，并針對每部分的重要程度在考核中占有不同的比例[11]。改進(jìn)前后對比可知，之前的考核方法存在考核內(nèi)容單一、考核方式缺少全面化、多樣化等不足。

考核方法對檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果起到重要的作用，通過改進(jìn)前后考核方法的對比，可得改進(jìn)后的考核方式有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）此考核方式較傳統(tǒng)考核方式更加注重結(jié)合理論與實(shí)踐應(yīng)用細(xì)節(jié)處理，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的全面掌握、使得土力學(xué)實(shí)驗(yàn)考核更加全面、細(xì)致，避免了部分學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中濫竽充數(shù)、敷衍了事的現(xiàn)狀。

（2）在此考核方式下，學(xué)生對待每一個實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)的各個環(huán)節(jié)更加嚴(yán)謹(jǐn)。不僅有助于引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識， 培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力;還促進(jìn)學(xué)生的核心素養(yǎng)和理論聯(lián)系實(shí)踐能力的形成。

（3）對教師綜合、客觀地評價每個學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)效果起到了很好的作用。

但是在考核內(nèi)容的綜合性方面，改進(jìn)后的考核方式還有些不足：

（1）改進(jìn)后的考核內(nèi)容雖然考慮到了考核質(zhì)量和效果，但在實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)過程中很難體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新性。

（2）忽略了學(xué)生創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，未從根本上激發(fā)學(xué)生對土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的熱情，也就不能完全杜絕學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時敷衍了事的狀態(tài)。

4 結(jié)束語

許多高校在土力學(xué)人才培養(yǎng)方面，不僅要求學(xué)生掌握扎實(shí)的土力學(xué)理論知識，還要保證學(xué)生具備較強(qiáng)的動手操作能力與實(shí)踐能力，而后一方面能力的培養(yǎng)是通過土力學(xué)實(shí)驗(yàn)來獲得的[12]。因此，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革越來越被大家重視。文章列舉了五個土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行了比較。

綜上，虛擬仿真系統(tǒng)可作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)課前的預(yù)習(xí)工具，不僅提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率，還大大減輕了老師實(shí)驗(yàn)課上的負(fù)擔(dān);工程案例教學(xué)+誤差分析教學(xué)法可用于實(shí)驗(yàn)課過程中，通過老師講解相關(guān)的工程案例以及學(xué)生對誤差來源的詳細(xì)分析，提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的積極性以及對整個實(shí)驗(yàn)的掌握程度;基于MATLAB的數(shù)據(jù)處理法作為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理工具，提高實(shí)驗(yàn)效率的同時還保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確度;改進(jìn)考核機(jī)制則在課后針對學(xué)生對每個實(shí)驗(yàn)的掌握程度進(jìn)行全面考量，直接促進(jìn)了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課程的重視。

參考文獻(xiàn)

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[定稿日期]2021-01-15

[基金項(xiàng)目]四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：20191063659）

[作者簡介]陳思琴（1999～），女，在讀本科，研究方向?yàn)橥聊緦?shí)驗(yàn)教學(xué)與研究。