澳大利亞紐卡斯爾大學巖土力學教學大綱特色淺析

蔡國慶++趙成剛

摘 要：介紹了澳大利亞紐卡斯爾大學巖土力學教學大綱，對教學目的、教學內容、先修課程及教學方法、考核方式等內容進行了重點闡述，從教學內容的新穎性、計算機應用的廣泛性、實驗教學的深入性等三個方面對其教學大綱的特色進行了分析。

關鍵詞：巖土力學 本科教學 教學大綱

引 言

巖土力學（Geomechanics）是土木工程、水利工程以及交通工程等工程學科中一門重要的專業基礎課[1]。在使學生獲得有關巖土力學學科的基本理論、基本知識的和基本技能的同時，巖土力學課程還將為后續課程（如地基基礎與地基處理、巖土工程設計、地下空間開發等專業課程）提供巖土力學基本知識，也為從事巖土科學技術的專門研究奠定必要的理論基礎。教學大綱是教師編寫教案以及教學的主要依據，同時也是檢查和評定學生學業成績和衡量教師教學質量的重要標準，其在整個課程體系建設及教學質量評價中都占據極為重要的地位[2]。本文第一作者曾在澳大利亞紐卡斯爾大學（The University of Newcastle， Australian，簡稱UoN）從事博士后研究，第二作者也曾作為訪問教授在紐卡斯爾大學從事合作研究，有機會學習了該校在巖土力學課程教學大綱編制上的特色。[1]

本文首先介紹了紐卡斯爾大學巖土力學教學大綱，對教學目的、教學內容、先修課程及教學方法、考核方式等內容進行了重點闡述。隨后，從教學內容的新穎性、計算機應用的廣泛性、實驗教學的深入性等三個方面對其教學大綱的特色進行了分析，并對我國巖土力學的教學大綱修訂提出了借鑒意見。[2]

一、 UoN本科巖土力學教學大綱簡介

1.1 教學目的

巖土力學-1的教學目的：從工程角度識別和理解土和巖石的物理、化學特性；理解工程地質的基本概念，并了解如何將其應用到土木工程實踐中；理解有效應力原理及其在巖土力學和巖土工程設計中的應用；掌握利用達西定律和滲流理論計算水在飽和土體中的流速；理解軟土的一維固結理論；掌握對土中應力及變形特性的評價，并能引入沉降和固結的概念；掌握利用室內和現場試驗對土和巖石的基本特性進行闡述的能力；

巖土力學-2教學目的：理解摩擦性材料的摩爾-庫倫破壞準則及其在巖土工程設計中的應用；理解土體的抗剪強度及強度參數；初步了解臨界狀態巖土力學理論；應用強度破壞準則來分析條形基礎、墊式基礎、重力式擋土墻以及邊坡穩定性；通過室內試驗進一步加強對土體強度的認識和理解。[3]

1.2 教學內容

作為巖土力學和巖土工程的入門課程，巖土力學-1的主要教學內容包括：土和巖石的物理特性及分類方法；土和巖石的指標特性；巖體的性質；巖石的結構；場地測繪；土的分類；風化作用；粘土的膠結作用；土壤化學；土體內部的毛細作用、滲流及流網；有效應力原理；土體的沉降、固結及壓實。

巖土力學-2的主要教學內容則包括：強度準則；應用有效應力原理對土或巖石的強度特性進行評估；土體的摩爾-庫倫強度理論；土體的抗剪強度；臨界狀態巖土力學；基礎及地下連續墻的設計；土的抗震性能；邊坡穩定性。

1.3 先修課程及教學方法

巖土力學-1的先修課程為工程力學基礎和材料力學，其教學方法主要包括課堂講授、室內試驗及現場試驗。巖土力學-2則是在巖土力學-1的基礎上開設，與巖土力學-1相比，其教學方法中增加了課后輔導的環節，通過選聘優秀的博士研究生擔任課程助教，提高對學生答疑的數量和質量。

1.4 考核方式

巖土力學-1的成績評定主要包括：課后大作業，即在整個教學過程中，要求學生完成3個關于巖土力學計算方面的大作業；室內試驗的平時考核，即在每一節室內試驗課上，對每一個學生的實驗表現進行成績評定；室內試驗的期末考試，即在學期末要求學生能夠獨立完成主要土工試驗的操作；現場試驗報告，即在學期中開展的現場勘察與試驗后，對學生完成的現場試驗報告進行評價；期終考試，以閉卷形式進行，題型多樣，全面考察學生對巖土力學-1課程中核心知識的掌握和理解。

相對而言，巖土力學-2的考核方式較為簡單，包括室內試驗報告和期終考試兩部分，其中期終考試仍以閉卷形式進行。

二、UoN本科巖土力學教學大綱特色分析

2.1 教學內容新穎

紐卡斯爾大學巖土力學課程在重視基礎知識講授的同時，還對學科前沿知識進行介紹，其中最突出的表現就是對臨界狀態土力學的講授。作為現代土力學的基石，土的臨界狀態理論和劍橋模型由土力學中著名的劍橋學派提出并建立，其提供了一個統一的理論框架用于描述和預測土的變形和破壞行為，將土的彈性和塑性變形及土的強度有機地聯系起來，建立了土的最基本的關系，即土的本構關系。臨界狀態的概念最早由Roscoe等于1958年[3]提出，隨后，原始劍橋模型[4]于1963年建立，并在1968年建立了修正劍橋模型[5]。土的臨界狀態及劍橋模型，為現代土力學的誕生和發展奠定了基礎。然而，在我國的本科巖土力學教學內容中，這一部分的內容則很少被提及，僅有極個別土力學教材單列篇章進行詳細介紹[6]。因此，在今后的教學過程中，應加強對土的臨界狀態及劍橋模型的講授，強化學生對土的本質特征的了解。

在講授土的組成、結構及基本力學特性時，紐卡斯爾大學還對非飽和土力學做一些簡單介紹。作為當前國際巖土力學界的一大研究熱點問題，非飽和土力學近年來受到越來越多研究者的關注。而我國對非飽和土的研究起步相對較晚，目前尚未有獨立的教材，在巖土力學的教學過程中也很少涉及。但隨著理論研究的深入和實際工程的需要，非飽和土力學的重要性逐漸被相關教學工作者認識并接受。在今后的教學過程中，應逐步引入對非飽和土力學中一些基本概念的介紹。

此外，紐卡斯爾大學的巖土力學課程還包括了關于土壤化學的內容。近些年來，隨著環境問題的日益突出，環境巖土問題也備受關注，例如城市垃圾填埋場建設與安全運營、高放核廢料地質儲存等工程中，都涉及到土壤化學的內容。巖土力學的教學也應緊跟科學和工程發展的前沿，將該部分內容逐漸納入到教學內容中。endprint

2.2 重視計算機的應用

紐卡斯爾大學土木工程系建有澳大利亞巖土科學與工程國家研究中心（CGSE），其在計算巖土力學領域的研究一直處于世界領先水平。在巖土力學的教學環節中，紐卡斯爾大學也非常重視介紹計算機在巖土力學中的應用，鼓勵學生嘗試使用商業計算機軟件或者開放的計算機程序進行一些土力學問題的計算。通過計算機強大的計算能力與傳統經驗公式計算的對比，激發學生的學習熱情和科研興趣，為他們以后進一步深造奠定基礎。此外，在進行土力學室內試驗教學時，紐卡斯爾大學還鼓勵學生通過自行開發計算機控制程序，來對試驗過程進行計算機控制，例如通過計算機程序實現對試驗中材料特性、初始條件、邊界條件以及應力路徑的設定與控制。[4]

反觀我國當今的土力學教材及教學內容，大都基于經驗公式進行計算，對計算機在巖土力學中的應用介紹較少，在計算機快速發展的當今社會，應鼓勵學生使用計算機來解決一些土力學中的問題。[5]

2.3 實驗教學比重大

巖土工程是一門實踐性很強的學科，各種試驗測試占據重要地位。在巖土力學課程中，無論是室內試驗還是現場試驗，都是整個課程體系建設的重要組成部分。 紐卡斯爾大學的巖土力學課程教學大綱中，實驗教學占有相當大的比重，其中室內試驗涵蓋了基本的土工試驗。在教學手段上，室內試驗實行小班教學，并由相關專業的博士研究生擔任助教，在實驗演示完畢后，每位學生都需要進行獨立地操作，并且由助教對每位學生的表現進行打分，作為該門課程期末成績的組成部分。在學期期末，還將針對室內試驗部分進行專門的考試，考查學生對試驗的掌握及動手操作能力，其成績也將在期末總成績中占有一定的比重。除了室內試驗之外，紐卡斯爾大學的巖土力學教學大綱中還設置了現場試驗環節，組織學生到現場開展土力學現場試驗，從而增強學生對土性的認識以及對土的工程應用的了解。現場試驗教學環節之后，每位學生都要求完成相應的實驗報告，報告的完成質量與得分也將作為期末成績的組成部分。[6]

三、結語

本文介紹了澳大利亞紐卡斯爾大學的本科巖土力學教學大綱，從教學目的、教學內容、先修課程及教學方法、考核方式等方面對其進行了闡述?；诖耍瑢ζ鋵ζ浣虒W大綱的特色進行了分析，著重探討了其教學內容上的新穎性、計算機在教學中應用程度高以及實驗教學比重大等幾方面的特點。通過本文的闡述與分析，可為我國巖土力學的教學提供一些借鑒：（1）教學內容在重視基礎知識的同時，應緊跟學科發展的前沿，引入學科熱點問題；（2）逐步提高計算機在教學中的應用程度，通過使用計算機解決土力學問題，來啟發學生的思維、增強學生的學習興趣；（3）加強實驗教學環節，不斷培養、提高學生獨立的動手實驗能力，并注重對實驗結果的分析和討論。

參考文獻：

[1]. 李大勇，崔煜，國外土力學本科教學探討——以挪威科技大學為例，力學與實踐，2010，32（5）：99-101

[2]. 胡海巖. 對力學教育的若干思考. 力學與實踐，2009，31（1）：70-72

[3]. Roscoe，K.H.， Schofield，A.N. and Wroch，C.P.（1958）， on the yielding of soils，Geotechnigue，8（1），22-53

[4]. Roscoe，K.H. and Schofield，A.N.（1963），Mechanical behaviour of an idealised ‘wet clay，Pro.Europeon Conf. on soil Mechanics and Foundation Engineering， Wiesbaden，Vol 1， pp 47-54

[5]. Roscoe，K.H. and Barland，T.B.（1968）， On the generalised stress-strain behaviour of ‘wet clay， Eds by J.Heyman and F.A.Lechie， Engineering Plasticity（Cambridge University Press），pp.535-609

[6]. 趙成剛，白冰. 土力學原理（修訂本），清華大學出版社，北京交通大學出版社，2010. 北京endprint