以科研促進“土力學”實驗教學的改革與實踐

張俊然 姜彤 賈艷昌 潘旭威 王少凱

[摘 要] 隨著土工試驗技術的發(fā)展，傳統(tǒng)試驗儀器很難滿足當前“土力學”實驗教學的需要，因此開展以科研促進“土力學”實驗教學的改革與實踐顯得非常必要。依托科研項目和省重點實驗，將先進試驗儀器和實驗方法引入實驗教學實踐當中、將最新的科研成果融入實驗課的理論教學中。通過近兩年實驗教學的實踐，指導學生獲批國家級、省級和校級的大學生創(chuàng)新實驗項目4項和獲得優(yōu)秀畢業(yè)設計榮譽稱號2項，指導學生發(fā)表科研論文7篇，編寫實驗手冊9本，制作實驗教學課件5項。既達到了教學目標，又拓寬了學生視野，并顯著提高了學生的科研基本素質、創(chuàng)新思維能力和綜合解決問題的能力。實現(xiàn)了科研反哺教學，達到了教研相長的效果。

[關鍵詞] 土力學；實驗教學；創(chuàng)新性實驗；科研成果；畢業(yè)設計

[基金項目] 2019年度華北水利水電大學教育教學研究與改革項目“以科研促進‘土力學’實驗教學改革與實踐”（2019JYGG-060）；2020年度河南省高等學校青年骨干教師培養(yǎng)計劃項目“高吸力下考慮結構性影響的非飽和黃土水力力學特性研究”（2020GGJS-094）；2021年度河南省高等教育教學改革研究與實踐項目（學位與研究生教育）“專業(yè)學位研究生校內(nèi)質量保障體系建設研究與實踐”（2021SJGLX075Y）

[作者簡介] 張俊然（1984—），男，河南漯河人，博士，華北水利水電大學地球科學與工程學院副教授，碩士生導師，主要從事巖土工程方面教學與研究；姜 彤（1973—），男，浙江天臺人，博士，華北水利水電大學地球科學與工程學院教授，博士生導師，主要從事巖土工程方面教學與研究；賈艷昌（1986—），男，河南平頂山人，博士，華北水利電大學地球科學與工程學院講師，主要從事土力學方面的教學與研究。

[中圖分類號] C229.29 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）02-0156-04 [收稿日期] 2021-09-01

“土力學”作為地質工程、土木工程等專業(yè)學生的專業(yè)基礎課，是認知土體工程力學性質的一門技術核心課程[1]。由于土力學課程的特殊地位和作用，其中土力學的實驗教學顯得非常重要。土力學實驗實踐環(huán)節(jié)應具有可操作性、工程性，基本概念清晰，工程應用背景強，從而完善理論教學效果，提高學生主觀能動性，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和綜合解決問題的能力[2，3]。但隨著土工試驗技術高速發(fā)展，傳統(tǒng)試驗儀器很難滿足當前土力學實驗教學的需要，因此開展以科研促進土力學實驗教學的改革與實踐顯得非常必要。該論文依托科研項目和省重點實驗，將先進試驗儀器和創(chuàng)新性實驗方法引入到土力學實驗教學，將最新的科研成果融入實驗課相關的理論教學等方面進行了實驗教學的改革與實踐，以便達到拓寬學生視野，提高學生的創(chuàng)新思維和綜合解決問題能力的目的，實現(xiàn)科研反哺教學，達到了教研相長的效果。

一、先進試驗儀器和創(chuàng)新性實驗方法引入

筆者最近幾年獲得授權國家發(fā)明專利10項，均與創(chuàng)新性的實驗方法及實驗設備相關。將具有自主知識產(chǎn)權的創(chuàng)新性實驗方法及儀器引入到實驗教學中，可拓寬學生視野，同時掌握先進的實驗技術。

（一）先進試驗儀器和創(chuàng)新性實驗方法引入的實踐情況

1.先進試驗儀器。先進的儀器主要有：Shear Trac-II全自動直剪和殘余剪切試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)有水平和垂直方向上的2個力傳感器和2個位移傳感器。與普通直剪儀相比，該系統(tǒng)具有自動采集數(shù)據(jù)、操作靈活、采集數(shù)據(jù)多和實驗數(shù)據(jù)準確等優(yōu)點。美國GCTS公司設計研發(fā)生產(chǎn)的動三軸試驗儀，它可量測土體的動力特性參數(shù)，動剪切模量、阻尼比、動強度等。同時可加裝為非飽和土動三軸試驗。HUST型非飽和土三軸試驗儀，是GDS公司開發(fā)的第三代產(chǎn)品。該儀器可進行吸力控制下的非飽和土三軸試驗。最核心創(chuàng)新為采用了開敞式的雙壓力室和Wet-Wet壓差傳感器可實現(xiàn)精確量測非飽和土的體變。從試驗儀器的不斷研發(fā)創(chuàng)新歷程，可激發(fā)學生的創(chuàng)新意識。微觀結構測試所涉到儀器主要有：JSM-7500F場發(fā)射掃描電鏡和AutoPoreV9600全自動壓汞儀?？勺寣W生從微觀角度探討土力學宏觀現(xiàn)象的內(nèi)在機理，培養(yǎng)學生的科研基本素質[4]。WP4C露點水勢儀可量測土樣的吸力，其測量原理為通過平衡樣品的液相水和封閉樣品室頭部的氣相水，測量樣品室頭部的蒸汽壓來測量水勢。Soil Moisture公司生產(chǎn)的壓力板法，測量吸力范圍0～1500kPa。聯(lián)合運用WP4C儀和壓力板可量測全吸力范圍內(nèi)土體的土水特征曲線，可擴展學生對非飽和土持水特性的認識。

2.創(chuàng)新性實驗方法或改裝的儀器。改裝實驗儀器主要有：非飽和土滲透儀，是由國產(chǎn)FSY30型非飽和三軸試驗儀器改裝成的。利用上下高進氣值陶土板以及上下排水孔保證滲透試驗的正常進行，通過提高或降低施加的氣壓力增加或減少試樣的基質吸力，實現(xiàn)吸力的控制。

基于PIV系統(tǒng)設計了直接拉伸試驗和劈裂試驗裝置，可研究土體抗拉強度特性，可為實際工程的設計和施工提供重要的試驗數(shù)據(jù)和科學指導建議?；赑IV技術自行研發(fā)的直接拉伸試驗裝置需多人協(xié)作完成，因此可調動學生的主觀能動性，對土體抗拉強度的直接測量和間接測量方法有了深入的了解[5]。

用全自動固結儀和Settle3D數(shù)值分析軟件相結合來進行工程沉降固結分析[6]。其中Settle3D是一款新型的固結沉降分析軟件，它可分析復雜模型和荷載工況引起的土體固結沉降。用物理實驗和數(shù)值分析可激發(fā)學生的興趣和主動性，提高學生解決工程實際問題的能力。

（二）先進試驗儀器和創(chuàng)新性實驗方法引入的實踐效果

通過近兩年的教學試驗的實踐教學，取得了效果案例具體如下。

1.2020年度河南省高等學校青年骨干教師培養(yǎng)計劃項目凝練的子課題，成功申報為2020年校級大學生創(chuàng)新實驗項目，同時獲批為2021國家級大學生創(chuàng)新實驗計劃項目。題目為：廣吸力范圍內(nèi)豫西黃土直剪/殘余剪試驗研究。本課題主要研究廣吸力范圍內(nèi)三門峽黃土的抗剪強度/殘余強度，研究成果將對廣吸力下疏松多孔結構的非飽和黃土在地質災害問題防治等方面的研究具有重要的指導意義和實用價值。

2.由國家自然科學基金項目（41602295）凝練的子課題，在成功申報為2020年省級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目和2019年校級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目，題目為：不同制樣方法對非飽和膨脹土微觀結構和力學性質的影響。研究不同制樣方法對土體結構和力學特性的影響。研究成果將可為膨脹土相關的巖土工程提供科學依據(jù)。

3.由2020年度河南省高等學校青年骨干教師培養(yǎng)計劃項目凝練的子課題，成功申報為2020年校級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目，題目為：豫西黃土控制吸力的滲透實驗研究。本課題以國道G310三門峽西至豫陜界段的黃土為研究對象，用改裝后的非飽和儀進行滲透試驗，系統(tǒng)研究在控制吸力下非飽和黃土滲透特性及其預測方法。研究成果將對豫西地區(qū)相關工程建設過程中地質災害防治具有重要的理論意義和實用價值。

4.由國家自然科學基金項目（41602295）凝練的2019屆畢業(yè)生宋陳雨的畢業(yè)論文——《土體結構性對其土水特征曲線影響的試驗研究》，獲得2019屆優(yōu)秀畢業(yè)設計二等獎。通過SEM試驗分析其微觀結構、壓力板和濾紙法量測土水特征曲線，提出了考慮結構性影響的土水特征曲線預測模型。

二、科研成果融入實驗理論教學實踐與效果

傳統(tǒng)飽和土的相關理論與實際工程間存在較大偏差，以筆者主要研究方向非飽和土力學相關的科研成果，將土力學有效應力原理表達式進行了更新[7]，同時將一般狀態(tài)的非飽和土有效應力原理表達式融入土力學實驗課的理論教學當中。由一般情況到特殊情況的教學方式，降低了學生接受知識的難度，同時提高了學生認識事物的能力和解決問題的創(chuàng)新意識。具有非常好的學術價值和推廣應用價值。

采用WP4C儀、壓力板法、全自動直剪儀和GDS非飽和土三軸儀，在廣吸力范圍內(nèi)對路基黃土進行了水力力學特性實驗研究[8，9]。同時提出了可預測廣吸力范圍內(nèi)非飽和黃土的抗剪強度理論模型。將該理論模型融入土力學的直剪試驗和三軸試驗理論教學當中，學生反映強烈，有效地拓展了學生的知識面，同時培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識和基本的科研素養(yǎng)。

基于PIV技術對壓實膨潤土進行了一系的列劈裂試驗和直接拉伸試驗，探求快速且準確獲得膨潤土抗拉強度的試驗方法，同時基于PIV劈裂試驗對膨潤土抗拉強度公式進行修正[10]。相關理論成果融入土體抗拉強度試驗的理論教學當中，使學生深入了解土體抗拉強度的直接測量方法和間接測量方法區(qū)別與聯(lián)系，起到了良好的實驗教學效果。

基于PIV技術對非飽和粉土進行了靜壓樁沉樁模型試驗，觀測沉樁過程中樁周非飽和粉土的變形場，深入分析不同含水量粉土的細觀變形特征和沉樁擠土效應內(nèi)在機理，研究成果可為解決相關巖土工程問題提供試驗依據(jù)[11]。將相關理論成果融入靜壓樁沉樁模型試驗理論教學中，使學生擴展了相關的理論知識，同時通過先進的PIV技術引入，極大激發(fā)了學生興趣，取得了良好的試驗教學效果。

三、主要成果與特色

將上述的先進試驗儀器和創(chuàng)新性實驗方法具體操作已經(jīng)編制成了9本試驗手冊，同時將上述最新科研成果編制成實驗教學PPT課件5項，并將它們?nèi)谌雽嶒灲虒W和理論教學當中。通過近兩年對地質工程、土木工程和水利水電工程專業(yè)本科生的實驗教學的改革與實踐，學生反映強烈，取得了良好的教學效果。達到了實驗教學得基本目標，拓寬了學生視野，提高了學生的科研基本素質、創(chuàng)新思維能力和綜合解決問題的能力。通過近兩年的實驗教學實踐與改革，指導學生申報并獲批了國家級、省級和校級的大學生創(chuàng)新實驗項目4項，獲得本科生優(yōu)秀畢業(yè)設計榮譽稱號2項，指導學生發(fā)表相關科研論文7篇。筆者以第一作者身份發(fā)表教改論文2篇。通過以科研促進土力學實驗教學改革和實踐，實現(xiàn)了真正意義上的科研反哺教學，達到了教研相長的效果。

四、存在的問題及改進設想

目前土力學關于實驗的課時量相對比較少，大部分土力學實驗的實際操作學生僅是走一個過程，導致學生缺乏對實驗細節(jié)的深刻理解，從而導致實驗數(shù)據(jù)的準確性存在很大問題。因此建議學生按照科研實驗所需的時間進行操作，增加土力學實驗的課時量或將其增加時長記為學生的社會實踐時長。另外由于本科生的學業(yè)任務重，參與試驗和社會實踐有限，建議可讓研究生參與指導和協(xié)助。

由于疫情的影響，土力學理論教學可通過上網(wǎng)絡課程進行，但“土力學”的實驗教學往往被推遲。因此研發(fā)“互聯(lián)網(wǎng)+”的虛擬仿真土力學實驗教學平臺[12]，讓學生在網(wǎng)上就可以做虛擬的實驗勢在必行。隨著土工試驗技術科研成果的日新月異，更多的創(chuàng)新性試驗儀器、方法及其創(chuàng)新科研成果，有待進一步融入土力學實驗教學改革與實踐當中，實現(xiàn)土力學實驗教學的與時俱進。

結語

依托科研項目和省重點實驗，將先進試驗儀器、創(chuàng)新性實驗方法和最新科研成果引入到土力學實驗教學的實踐與改革。結果表明，以科研促土力學實驗教學的教學模式不僅可達到實驗教學的基本目標，而且拓寬了學生視野，并顯著提高了學生的科研基本素質、創(chuàng)新思維能力和綜合解決問題的能力。實現(xiàn)了土力學實驗教學的與時俱進，科研反哺教學，達到了教研相長的效果。

參考文獻

[1]王安明，李小根，姜彤，等.土力學課程教學改革與實踐[J].華北水利水電學院學報（社科版），2009，25（4）：100-102.

[2]習近平.努力成為世界主要科學中心和創(chuàng)新高地[J].實踐（思想理論版），2021（4）：4-10.

[3]吳能表，田紅，黃麟，等.加強本科實驗教學的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2005，24（11）：74-75.

[4]姜彤，王興翠，張俊然.膨潤土持水特性試驗研究及其SEM微觀定性分析[J].華北水利水電大學學報（自然科學版），2020，41（1）：90-96.

[5]姜彤，翟天雅，張俊然，等.基于粒子圖像測速技術的黃土徑向劈裂試驗研究[J].巖土力學，2021，42（8）：2120-2127.

[6]史顏玲，霍繼煒，張俊然，等.Settle3D軟件在半填半挖黃土路基變形分析中的應用[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2020，16（11）：117-123.

[7]張俊然，姜彤，張昕，等.土力學教學過程中創(chuàng)新意識的培養(yǎng)—以有效應力原理為例[J].高教學刊，2021，07（34）：40-43.

[8]姜彤，宋陳雨，張俊然，等.廣吸力范圍內(nèi)國道G310路基黃土水力力學特性試驗研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2021，17（7）：117-123.

[9]JIANG T， ZHAO J D， ZHANG J R， et al. Hydromechanical behavior and prediction of unsaturated loess overa wide suction range[J].Geomechanics andengineering，2021，26（3）：275- 288.

[10]張俊然，王儷錦，姜彤，等.基于PIV技術的高吸力下壓實膨潤土徑向劈裂試驗研究[J].應用基礎與工程科學學報，2021，29（3）：691-701.

[11]JIANG T， WANG L J， ZHANG J R， et al. Effect of water content on near-pile silt deformation during pile driving using PIV technology[J]. Geomechanics and engineering，23（2）：139-149.

[12]孫文靜，劉珂，張孟喜，等.互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真在土力學實驗教學中的應用初探[J].實驗室研究與探索，2018，37（1）：181-185.

Reform and Practice of Experiment Teaching of Soil Mechanics Course Promoted by Scientific Research

ZHANG Jun-ran， JIANG Tong， JIA Yan-chang， PAN Xu-wei， WANG Shao-kai

（College of Geosciences and Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou， Henan 450046， China）

Abstract： With the development of geotechnical test technology， traditional test instruments can hardly meet the needs of current experiment teaching， so it is very necessary to carry out the reform and practice of experiment teaching of Soil Mechanics course promoted by scientific research. Relying on the scientific research project and provincial key laboratory， the experiment teaching reform and practice are carried out by introducing advanced test instruments and innovative methods into the experiment teaching of the course and integrating the latest research achievements into the theoretical teaching of the experimental course. Through nearly two years of practice and reform of the experiment teaching， students are guided to obtain a total of 4 state-level， provincial and school-level innovative experimental projects and two honorary titles of undergraduate excellent graduation projects， and publish 7 relevant research papers. At the same time， 9 experimental manuals are compiled， and 5 pieces of experimental theory courseware are produced. The reform not only achieves the basic teaching goal， but also broadens the students’ horizon， and significantly improves the students’ basic quality of scientific research， innovative thinking ability and comprehensive problem-solving ability， which realizes the goal of scientific research feeding back teaching， and teaching promoting scientific research.

Key words： Soil Mechanics； experiment teaching； innovative experiment； scientific research achievements； graduation design