基于PBL教學法的《工程地質》課程教學設計

朱劍鋒，陶燕麗，楊建輝，陳其志，郭小東

（浙江科技學院 土木與建筑工程學院，浙江杭州 310023）

《工程地質》是將地質學的原理應用于解決工程場地穩(wěn)定性問題的一門課程，通過工程地質勘查，研究建筑場地的地形地貌、地層巖性、地質構造、巖土工程特性以及水文地質和地表地質作用等工程地質條件，論證和預測有關工程地質問題發(fā)生的可能性，并采取必要的防治措施，以確保建筑物安全穩(wěn)定和正常運行。通過該課程的學習，學生可以了解和掌握地質學基礎知識，包括礦物、巖石、特殊性土、地質構造、水的地質作用、不良地質現象和工程地質問題，具備礦物和巖石的鑒別能力，提高野外地質現象識別的能力，能夠運用工程地質學基礎知識對土木工程復雜問題進行分析[1-2]。同時，掌握工程地質勘查的內容、要求及方式等，會正確布置勘查任務，會閱讀工程地質勘查報告，能夠合理利用勘查成果資料對工程場地進行系統(tǒng)分析。

為了實現《工程地質》課程的教學目標，更好地培養(yǎng)工科生的科研思維能力以及創(chuàng)新意識，引入特定問題，通過以問題為中心的PBL教學法，全方位創(chuàng)新課程設計，可以有效促進科學研究與教學的緊密結合，培養(yǎng)學生的科研思維、創(chuàng)新意識以及自主學習能力。本文即以《工程地質》課程中滑坡教學點為例，通過設置滑坡的概念基本要素與形成條件等問題，引導學生制定分析解決問題策略，最后提出知識點拓展和引申問題，加深學生認識，以探討基于PBL教學法的教學設計。

1 PBL教學法概述

PBL的全稱是“Problem-Based Leaning”，于1969年由美國的神經病學教授Barrows在加拿大的麥克馬斯特大學首創(chuàng)[3-4]，目前已成為在國內外、各學科均非常流行的一種教學方法。

PBL教學法通常以問題為導向，以學生為主體，通過教師的引導，就特定問題進行深入探究，在研究其解決方案的過程中實現教學目標。一般過程為確定學生需要掌握的重要問題，通過自主學習、教學實踐、小組討論、課堂點評等環(huán)節(jié)，理論與實踐相結合，以培養(yǎng)學生探究精神、科學素養(yǎng)與自主學習能力。

2 基礎知識學習的問題

2.1 滑坡概念

滑坡是斜坡土體和巖體在重力作用下失去原有的穩(wěn)定狀態(tài)，沿著斜坡內某些滑動面(或滑動帶)作整體向下滑動的現象。與此同時，通過滑坡視頻來給學生展示實際工程中發(fā)生的滑坡現象，從而讓學生對滑坡有個基本的認識。

2.2 滑坡要素

結合實際的滑坡案例給學生介紹滑坡要素：滑坡體、滑坡壁、滑動面、滑動帶等要素。向學生講授實際的滑坡是三維的，但為了簡化將三維滑動體簡化為二維滑動面，同時提出兩個問題：（1）如何評價一個給定滑動面的穩(wěn)定性？（2）潛在的滑動面有無數個，如何判定哪個是最危險的滑動面？

2.3 滑坡形成的條件

根據已有的研究成果，滑坡形成條件如下：

（1）巖性。

滑坡主要發(fā)生在易親水軟化的土層中和一些變異性強的軟巖中。

（2）構造。

斜坡內的一些層面、節(jié)理、斷層、片理等軟弱面容易失穩(wěn)成為滑坡。

（3）斜坡外形。

斜坡的存在，使滑動面能在斜坡前緣臨空出露。

（4）水。

水的作用可使巖土軟化、強度降低，可使巖土體加速風化。

（5）地震。

地震可誘發(fā)滑坡發(fā)生，此現象在山區(qū)非常普遍。

（6）人為因素。

人為地破壞表層覆蓋物，引起地表水下滲作用的增強，或破壞自然排水系統(tǒng)，泄水斷面大小不合理而引起排水不暢，漫溢亂流，使坡體水量增加。在興建土建工程時，由于切坡不當、斜坡的支撐被破壞等都會破壞原來斜坡的穩(wěn)定條件。

此時給學生介紹每一個條件造成滑坡實際工程實例，比如：夏季下雨時，天氣預報總會提醒人們要注意發(fā)生滑坡概率加大了。汶川地震時發(fā)生了多處山體滑坡，而且還會產生堰塞湖，形成二次地質災害——山洪。又如為什么現在國家提倡在山區(qū)合理砍伐樹木以及實際工程中因切坡不當而引起的工程滑坡事故，從而將滑坡主要的形成條件與實際工程對應起來，方便學生理解。與此同時，提出作為一名巖土工程師，在設計計算中如何考慮上述邊坡形成條件？

3 小組討論分析的問題

通過問題的自主學習，學生具備了基本的分析問題能力，通過小組成員間的溝通與分享，互通有無，針對特定問題提出切實可行的解決方案。

3.1 邊坡穩(wěn)定性計算

目前實際工程中通常采用極限平衡法（條分法）來計算邊坡的穩(wěn)定性，當邊坡穩(wěn)定性安全系數Fs≥1時，邊坡穩(wěn)定；當Fs＜1時，邊坡失穩(wěn)。假定滑動面上任何一點的剪應力均等于土體的剪切強度并滿足Mohr-Coulomb破壞準則，然后將邊坡離散化成n個土條，對每一條塊進行受力分析，整個邊坡合計共包括6n-2個未知量。而可建立的方程共計4n個，由于n＞1，因此，方程組無唯一解。如果要求解該方程組需要增加方程個數或者減少未知量的數目。工程中，通常通過人為引入條間力作用力的位置和大小假定來使得方程有解。于是演繹出了許多條分法。以圖1瑞典條分法為例，不考慮土條兩側的作用力（Ei和Xi的合力與Ei+1和Xi+1的合力相抵消），對圓心取矩有

圖1 瑞典條分法

鑒于已經修習《工程地質》的通常為大二學生，此時已經掌握《高等數學》《材料力學》的專業(yè)知識，完全可以理解基于條分法邊坡穩(wěn)定性計算原理，從而可以探討下一步講解具體的邊坡穩(wěn)定性計算方法。

3.2 邊坡最危險滑動面的確定

在確定邊坡安全系數計算方法之后，下一步工作最小安全系數及相應的滑面為目標函數，建立如式（2）所示最優(yōu)化模型：

式中，FS(X)可以是某滑面的穩(wěn)定性安全系數表達式（見式（1））。X=[x1,x2,…，xn]為與安全系數表達式對應的滑動面控制變量（以圓弧滑面為例，則n=3，x1,x2,x3可分別對應圓心的x坐標和y坐標以及半徑），Ω為可行域。于是上述邊坡最危險滑面確定這一實際工程問題就轉化成了數學中的最優(yōu)化問題，可以通過“遺傳算法”“禁忌算法”及其混合策略進行求解[5-6]。雖然學生可能對優(yōu)化問題接觸不多，但此處可以結合具體的實際例子比如“黃金分割”“達爾文進化論”等進行補充說明，從而使學生對優(yōu)化原理有一個基本概念。

3.3 邊坡形成條件影響

如何在具體的計算中考慮邊坡的條件是巖土工作者必須考慮的問題。對于巖性，比如存在軟弱夾層，則滑動面無須搜索即可確定必須通過該夾層；對巖土變異性比較顯著的邊坡，可結合實際勘查資料和經驗參數，開展邊坡的可靠性分析，確定邊坡滑動的概率及相應的最危險滑動面；根據巖體中節(jié)理數目和形態(tài)，來修正巖體完整性參數，從而確定對應的巖體Hoek-Brown參數m和s；斜坡外形對穩(wěn)定性的影響通常用邊坡坡度來考慮；水的影響可以通過有效應力原理以及滲流理論來考慮；地震的影響可通過對邊坡施加水平或豎向地震作用力來考慮；最后人為因素的影響則通過構造措施來考慮。通過上述分析和講解，學生則會對提出的計算模型有充分的自信并且有想掌握該計算模型的學習欲望。

3.4 邊坡加固與監(jiān)測

在確定了邊坡危險滑動面及相應的最小安全系數之后，可以采用“排水”“錨桿加固”“抗滑樁加固”以及“錨拉抗滑樁加固”對邊坡進行處理，使其滿足規(guī)范要求的穩(wěn)定程度，同時對滑坡位移、地下水位、支擋結構內力與位移進行長期監(jiān)測。結合相關實際工程案例，向學生介紹邊坡加固的原理、設計流程、加固處理措施及監(jiān)測結果，從而使學生加深對滑坡的認識，形成滑坡起因、穩(wěn)定性分析、加固處理到長期監(jiān)測這一系統(tǒng)性設計思維。

4 課堂點評提出的問題

教師課堂點評階段，需要提出具有爭議的疑難問題，具有研究價值的探索性問題，使學生既看到學習的成果又能感受到成長的空間。

上述邊坡穩(wěn)定性計算方法、最危險滑動面搜索方法以及考慮邊坡形成條件的方法均是基礎性的。實際工程中的邊坡影響因素眾多，時至今日，滑坡事故時有發(fā)生，滑坡的準確預測仍然是一個世界性難題，因此需要巖土工作者開拓創(chuàng)新，可以提出的問題包括：

（1）目前邊坡滑動面通常假定為二維，且二維條分法的研究已基本成熟。但如圖1所示，實際工程中的滑坡通常呈三維特征，三維邊坡條分法的研究有待開展[4]。

（2）極限平衡法只能給出一個邊坡穩(wěn)定的綜合安全系數，無法計算邊坡位置處的變形，亟待開展有限元、離散元等數值方法的研究，同時確定邊坡的安全系數和變形，更好地為邊坡設計和運營服務。

（3）水是影響邊坡穩(wěn)定性的一個重要因素，然而水對邊坡穩(wěn)定性影響機理的研究尚未成熟，從而導致降雨條件下邊坡容易滑動，相關研究亟待開展。

（4）邊坡工程的加固成本與邊坡支擋的設計密切相關，如何在保證邊坡穩(wěn)定的前提下，實現邊坡支擋設計的優(yōu)化設計將是一個值得研究的課題。

通過提出上述問題，讓學生對未來邊坡穩(wěn)定性分析及加固設計有一個清晰的認識，參觀現場天然邊坡及人工邊坡的加固工程，同時通過布置諸如“試介紹一種三維邊坡穩(wěn)定性計算方法”“試介紹一種邊坡加固方案”“降雨為什么引起滑坡”等課后大作業(yè)的形式，激發(fā)學生主動學習的能動性，調動其發(fā)散思維和解決實際問題的能力，對其后續(xù)開展科學研究奠定良好的基礎。

5 結語

PBL教學法要求教師能夠提出有價值的問題，成為學習過程的導師；學生能夠積極主動學習，努力探索解決問題。PBL教學法對教師與學生的素質都提出了高要求，但是合理運用確實有助于知識的融會貫通與學生綜合能力的提升。本文以《工程地質》教學中的滑坡為例，結合筆者多年的教學經驗，提出了教學各環(huán)節(jié)的一系列問題，其基本的教學理念與教學內容可供相關課堂借鑒參考。