“新工科”背景下土力學實驗特點與教學模式探討

孔偉陽

（南京航空航天大學金城學院，江蘇南京 211100）

一、引言

為應對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革所面臨的新機遇、新挑戰(zhàn)而提出“新工科理念”，隨著“新工科理念”的提出，土木工程專業(yè)的模式、內(nèi)容、方法等已發(fā)生巨大的改變，相較于教學內(nèi)容的更新，教學模式更值得關注[1]。傳統(tǒng)的土力學實驗教學模式和教學方式可以歸納為“流水線”模式，培養(yǎng)出來的人才是按標準化、流水線式批量推出，這樣的人才已很難適應新時代發(fā)展的需求。工程教育進入快速和根本性變革，這也要求高校需要不斷地進行改革以適應社會的發(fā)展變化，培養(yǎng)專業(yè)性的工程建設人員[2]。所以，新工科背景下應用型本科教學必須突出對學生實踐應用能力的培養(yǎng)[3]。土力學課程是土木工程等專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，已廣泛應用于土木、交通、水利等工程，而土力學實驗屬于土力學課程教學體系的重要組成部分，具有較強的應用性和實踐性，可為實際工程的應用提供參數(shù)和依據(jù)。通過土力學實驗課程的學習，有利于學生理解土力學的基本概念、基本原理，同時也是培養(yǎng)土木工程應用型人才和創(chuàng)新型人才不可或缺的重要環(huán)節(jié)[4-5]。

二、土力學實驗特點

土力學課程中實驗項目的教學任務在土力學全部課程中占有相當比例，它不同于其他學科的實驗部分的教學，總的來說，土力學實驗課有以下幾個特點：

（一）工程應用性強

土力學實驗與具體工程應用具有非常緊密的聯(lián)系，通過土力學實驗可確定巖土體的物理力學指標，從而為工程項目的設計、實施等提供依據(jù)[6]。同樣，由于土的復雜性，在工程應用中很多重要的參數(shù)以及理論也都是通過土力學實驗測定得到或總結而來，因此，土力學實驗的教學需與工程實踐應用相結合，有利于培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力。

（二）相對獨立

土力學實驗所涉及的實驗項目來自于土力學課程的不同章節(jié)，具有相對獨立性，每個實驗項目只能測定土的某些特定的指標[7]。如直接剪切實驗測定土的黏聚力和內(nèi)摩擦角指標；固結實驗測定土的壓縮系數(shù)、壓縮模量等壓縮性指標；滲透實驗測定黏性土的滲透系數(shù)指標；界限含水率試驗測定黏性土的液限、塑限指標等，這些實驗所測的指標均只能從單一的角度來描述或反映土的物理力學性質(zhì)。這種分散獨立的教學方式和相互缺少緊密關聯(lián)的培養(yǎng)模式，很難使學生從一個個相對孤立的知識點中形成明確的學習目的，單個知識點和技能訓練也很難在整體上實現(xiàn)知識向能力有效轉(zhuǎn)變，從而達到“能力疊加”的目的[1]。實際工程應用中，并不能通過單一土力學實驗所測定的指標來滿足工程應用，而是需要一系列實驗項目組合形成實驗成果應用于工程中。

（三）時代性強

由于巖石土的復雜性，土力學很多內(nèi)容是基于基本假設、理論推導、修正系數(shù)以及經(jīng)驗的基礎上得到的。隨著時代的發(fā)展，土力學內(nèi)容不斷擴展，基礎理論不斷完善，而土力學實驗也需與時俱進，進一步完善和創(chuàng)新實驗方法，去研究巖土體的客觀規(guī)律和理論，為土力學理論的發(fā)展和工程實踐的應用提供重要依據(jù)[4]。

三、土力學實驗教學現(xiàn)狀

對于土木工程、交通工程等于工程建設相關的專業(yè)，在課程設置上，土力學是一門專業(yè)基礎必修課。例如我校土木工程專業(yè)、交通運輸專業(yè)一般在大三上學期就會開設本課程，而相應的土力學實驗項目也隨著理論課程的進度隨之開展。從目前的情況來看，土力學實驗課主要有以下現(xiàn)狀：

（一）實驗教學不夠重視，設備資源未充分利用

土力學實驗項目并未單獨設置成一門課程，屬于理論課程的一部分，而實驗成績的考核只作為理論課程考核中的平時成績，一般只占總成績的20%～30%，對整個課程成績的影響較小。其次，在實驗課程教學過程中，學時被大大地壓縮，進而導致部分實驗項目由于時間不足而難以進行。以我校為例，目前土力學課程的實驗項目只開設了界限含水率實驗、固結實驗、直接剪切實驗這3種基礎性實驗，課時安排為8學時，而現(xiàn)行國家標準中，土木工程實驗項目達30多項。由此可見，目前開展的實驗項目較少，難以滿足教學和人才培養(yǎng)的需求。另一方面，則是實驗教學資源的閑置，例如，實驗式配備了三軸試驗、滲透實驗、擊實實驗等有關的設備器材，由于課時安排不夠，現(xiàn)實教學中并未開課，同時也導致了教學資源的讓費。

（二）教學內(nèi)容標準化、無創(chuàng)新型實驗

目前每個土力學實驗項目都是由課上老師先操作一遍，學生按部就班地重復老師的操作，實驗的結論都已提前設定好或已知，導致實驗結果千篇一律。

（三）教學內(nèi)容獨立、分散

每個實驗項目都是在這部分理論課講授完后隨即進行該部分的實驗教學，每個實驗僅能測定某個指標，割裂了各個實驗項目間的聯(lián)系，不利于學生系統(tǒng)地掌握土力學實驗知識[8]。此外，每次實驗所采用的材料均是不同的土樣或是土樣的不同狀態(tài)，如界限含水率試驗采用的是黏性土、固結試驗采用的是粉土、直剪試驗則采用的是砂土，因此，難以對實驗所測得的各指標間關系進行分析。

四、土力學實驗教學模式

基于土力學實驗特點，結合我校土力學實驗教學過程中出現(xiàn)的問題，對土力學實驗教學模式進行了一些探索：

（一）基礎性實驗

基礎性實驗課可設置為8學時，如圖1所示，其中，粒徑分析實驗、界限含水率實驗、固結實驗、直接剪切實驗、三軸實驗作為必修實驗項目；擊實實驗和滲透實驗作為選修實驗項目。為保證每位學生都能參與實驗，避免有些學生在實驗課上“躺平”，課后實驗報告抄襲的現(xiàn)象，實驗前對學生進行分組，每組學生為2～4人?；A性實驗主要培養(yǎng)學生操作實驗儀器的技能，讓學生掌握土力學實驗基本的操作步驟、方法及技術。同時，實驗課是在學生學習了土力學理論的基礎上進行，有利于學生加深對土力學理論的理解。

圖1 土力學基礎性實驗

（二）工程應用型實驗

工程應用型實驗是基于基礎必學實驗課的學習，在學生對土力學中常規(guī)基本實驗有了一定了解和掌握的基礎上，再結合實際工程進行的一系列土力學實驗。工程應用型實驗課課時安排為4學時，每組學生為4～6人。例如，對某實際工程場地進行初步評價，學生可直接領取由實驗室工作人員提前準備好的現(xiàn)場土樣，通過目測初步判定土樣的名稱，接下來制訂實驗方案，然后進行一系列土力學實驗，對于不同的土樣，選擇不同的實驗項目，如黏性土做界限含水率實驗、砂土做粒徑分析實驗、粉土做粒徑分析實驗和界限含水率實驗，除此之外還包括擊實實驗、直接剪切實驗、固結實驗和三軸剪切實驗等。最后，根據(jù)土力學相關理論和參考規(guī)范，分析實驗結果，得出實驗結論，最終完成一個簡化的某實際工程土力學實驗報告。工程應用型實驗一方面有利于將分散獨立的土力學實驗串聯(lián)起來，便于學生全面理解各個土力學實驗間的聯(lián)系；另一方面可以使土力學實驗教學與實際工程相接軌，讓學生直接參與到實際工程中去，培養(yǎng)他們的解決實際工程能力。

（三）現(xiàn)場觀摩性實驗

對于部分土力學實驗項目由于實驗設備或場地等條件的限制難以在實驗室完成，但具體工程應用中常見且需要掌握的，這部分實驗項目需要在現(xiàn)場實施。例如標準貫入實驗、旁壓實驗、靜力觸探實驗、十字板剪切實驗，可安排1～2天的學習時間，根據(jù)條件可選擇在校園內(nèi)場地由實驗技術人員操作演示，學生在一旁觀看學習或組織學生到工程現(xiàn)場參觀，讓學生帶著問題在現(xiàn)場實踐中學習，培養(yǎng)他們的工程體系概念。

（四）創(chuàng)新型實驗

通過教師的科研課題、大學生創(chuàng)新訓練項目和學科專業(yè)競賽來進行創(chuàng)新型實驗，與基礎性實驗、工程應用型實驗及現(xiàn)場觀摩性實驗相比，它屬于更高層次的實驗，對學生、指導老師、實驗條件等提出了更高要求。具體可通過學生自愿報名、選拔等流程，讓專業(yè)知識基礎扎實、對實驗項目感興趣并具有創(chuàng)新思維的學生，鼓勵學生申報省級、校級大學生創(chuàng)新訓練項目，參加教師科研項目及學科專業(yè)競賽。在實施創(chuàng)新型實驗項目時，教師指導作用，而學生處于主體地位，教師不參與實驗的具體操作，但當學生在遇到問題時及時給予指導。如將教師科研項目中的實驗部分，拆解成實驗室可以完成的實驗項目，對于實驗的設計、方案的制訂、過程的操作、實驗結果的處理與分析等均由學生自主完成；再如依托全國大學生巖土工程競賽，設計實驗模型、方案制訂、實驗準備、加載測試等全過程均由學生獨立完成。通過科研類、競賽類的實驗項目，激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識，同時也提高了學生對土力學實驗的學習興趣，鍛煉了學生的動手實踐能力和團隊協(xié)作精神。

（五）實驗對象及考核管理

針對基礎性實驗、工程應用型實驗、現(xiàn)場觀摩性實驗和創(chuàng)新型實驗這四種教學模式，由于教學內(nèi)容具有層次性即由淺入深，對于培養(yǎng)對象應進行因材施教，即根據(jù)不同層次的實驗項目培養(yǎng)對應的學生，如圖2所示。

圖2 實驗培養(yǎng)對象

實施獨立考核管理機制。將土力學實驗從土力學課程體系中分離出來作為一門獨立的實驗課程進行考核，但不同專業(yè)、不同層次的學生所考核的側重點有所區(qū)分。例如，土木工程各專業(yè)學生考核的重點為基礎性實驗，若部分優(yōu)秀的學生參加了其余實驗項目，可根據(jù)考核結果進行加分，額外加分占比不超過總分的20%；城市地下空間工程和巖土工程專業(yè)方向的學生考核重點則是工程應用型實驗。

（六）實驗室管理制度

實驗室是實驗項目實施的重要基地，是培養(yǎng)工程應用型、創(chuàng)新型人才的重要場所。為合理充分利用實驗資源，提高實驗教學的質(zhì)量，可以開發(fā)實驗教學軟件或App，教師或?qū)W生可在學院實驗教學系統(tǒng)預約實驗課程和實驗時間。針對部分復雜、耗時長或現(xiàn)有條件難以開展的實驗，可以通過建設虛擬仿真實驗中心，利用軟件開發(fā)的虛擬實驗室來模擬實驗過程，同時，可根據(jù)需求開發(fā)設計些創(chuàng)新型的實驗內(nèi)容。

此外，可成立專門的工作室，為學生固定場所和儀器，用于學生開展競賽訓練、完成大學生創(chuàng)造項目等，同時鼓勵學生根據(jù)自己的興趣自擬科研活動課題，在創(chuàng)新工作室進行實驗和研究，通過老帶新的“傳幫帶”方式，建立良好的學習、競賽和科研氛圍。如我校土木工程專業(yè)2014年成立了土木工程創(chuàng)新工作室，并建立健全了工作室管理制度，以及學生選拔和滾動機制。創(chuàng)新工作室配備了專門的指導教師，實行教師和學生負責人雙管理制度。

五、結束語

土力學實驗是土力學課程教學體系的重要組成部分，對學生理解土力學基本概念、基本原理以及實現(xiàn)土力學工程應用起著重要作用。為響應國家推行“新工科”的建設，土力學實驗教學模式需與時俱進，以達到培養(yǎng)工程應用型、創(chuàng)新型人才的目的。本文通過對土力學實驗特點的分析，結合土力學實驗教學現(xiàn)狀，有針對性地提出了土力學實驗可設置為基礎性實驗、工程應用型實驗、現(xiàn)場觀摩型實驗和創(chuàng)新型實驗等四個階段的教學，該探討對土力學實驗在教學模式的選擇上有一定的參考意義。