基于卓越工程師培養(yǎng)的土力學實驗教學改革

湯勁松，丁軍霞，陳瑞英，熊保林

摘要：以“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”為指導，以培養(yǎng)學生的工程實踐能力和工程創(chuàng)新意識為目標，通過分析當前土木工程專業(yè)土力學實驗教學的現(xiàn)狀和存在的問題，提出基于卓越工程師培養(yǎng)的土力學實驗教學改革措施。從教學內容、教學方法、教學手段和創(chuàng)新能力等方面開展系統(tǒng)的實驗教學改革，著力培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)，增強解決實際工程問題的能力。

關鍵詞：卓越工程師；土力學；實驗教學；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）13-0045-03

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》的重大改革項目，也是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措[1]。“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的突出特點是在加強基礎理論學習的同時，著力提升學生的工程素養(yǎng)，重點培養(yǎng)學生的工程實踐能力和工程創(chuàng)新意識。教育部于2010年6月啟動的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，為高等工科院校的人才培養(yǎng)明確了努力的方向和目標。經教育部審核批準，我校于2012年被列入“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的第二批試點高校，土木工程專業(yè)作為我校入選培養(yǎng)計劃的專業(yè)之一，相應的課程教學改革也需要與時俱進，不斷探索教學內容、實踐教學、綜合素質和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教育教學改革新模式。“土力學”是土木工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課，學習這門課程的目的，是使土木專業(yè)本科學生獲得有關土力學學科的基本理論、基本知識和基本技能，為從事土木工程專業(yè)技術工作奠定必要的理論基礎。“土力學”的課程特點是基本理論、工程應用再加上實驗技能，是一門與工程實際緊密結合的學科。土力學實驗是“土力學”課程學習中非常重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，也是理論與實踐相結合的一個重要教學環(huán)節(jié)。在“土力學”的課程學習中，穿插進行一定數(shù)量的土工實驗，便于學生深入掌握土的物理力學性質的實驗方法和土力學的一些理論知識，要求學生了解基本土工實驗的儀器操作和實驗技能，學會整理測試資料和分析測試數(shù)據(jù)，有利于培養(yǎng)學生的工程意識和綜合素質，為今后從事土木工程專業(yè)技術工作打下良好的基礎，從而真正實現(xiàn)“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”人才培養(yǎng)的目標。

一、土力學實驗教學現(xiàn)狀和問題

1.學生認識不足導致學習興趣不高。在現(xiàn)有的土力學教學模式中，土力學實驗僅是作為“土力學”課程課堂教學環(huán)節(jié)中的一個部分。由于之前接觸工程實際問題的機會比較少，同學們對于土力學實驗的意義認識較為膚淺，對土力學實驗也提不起興趣；再加上大多數(shù)同學都有輕實驗、重理論的思想[2]，實驗成績在整個課程考核中的分量不夠大，沒有提高到重要的地位[3]，導致學習的積極性和主動性都不高，實驗教學效果一直不太理想。

2.實驗課程的開設方式不利于培養(yǎng)學生的工程素質。傳統(tǒng)土力學教學實踐中，土力學實驗課程一直采取比較分散的開設方式，即根據(jù)理論課的講授進度，將幾個實驗項目穿插到理論教學過程中去，分散地開設相應的實驗課。土力學實驗課程的這種開設方式，可以讓學生結合所學的理論知識，感性地認識土的物理力學性質，如土的三相比例指標、物理狀態(tài)指標、壓縮和剪切特性，加深對基本概念和基本理論的理解。但由于土力學實驗不同于其他課程的驗證性實驗，土力學的每一個實驗都與工程實際息息相關，都是為工程應用提供直接數(shù)據(jù)的，因此，僅僅開展這種分散的獨立實驗不利于培養(yǎng)學生的工程意識，也不利于培養(yǎng)學生綜合分析實驗數(shù)據(jù)和解決實際問題的能力[4]，難以達到卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的目標要求。

3.實驗課程的教學方式很難培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新意識。土力學實驗課的教學，通常都是教師布置實驗任務，讓學生提前預習；課上老師講解實驗內容，同時給學生進行操作示范，學生分成3～4人一組進行實驗。實驗過程中，同組的人可以分工合作，有人主要負責實驗操作，有人負責數(shù)據(jù)記錄，有人負責試樣制備或協(xié)助開展實驗操作。這種實驗教學方式可能導致實驗前老師要求的預習工作基本未做，很難發(fā)揮學生學習的主動性，學生只是被動地接受知識灌輸，然后照貓畫虎進行實驗操作。實驗過程中，由于實驗學生人數(shù)多、時間緊，只有一部分人真正進行了實驗操作，使得另外一些同學基本不操作，成為旁觀者，別人測的數(shù)據(jù)他拿來寫報告，甚至數(shù)據(jù)也不自己處理，直接拿同組同學的報告來參考或照搬。因此，這種教學方式導致土力學實驗教學效果較差，有些學生的動手能力不足，沒有培養(yǎng)良好的“工程實踐能力和工程創(chuàng)新意識”。

二、土力學實驗課程教學改革措施

1.強調實驗課程的重要性以提高學生的工程意識。增強實驗課的重要性，提高實驗課的地位。多數(shù)學生認為土工實驗課是土力學課程的組成部分，在課程考核方式中，實驗成績僅占總成績的一部分（如我校在土力學考核中，理論部分占90%，實驗部分占10%），即使實驗課不及格，只要總成績超過60分，該門課程即可合格，因此，土工實驗課就不足以引起學生的重視。鑒于此，在課程考核時，實行實驗課缺課或實驗成績不及格，禁止參加土力學考試，或該門課程考試成績不及格的考核方式。對于實驗課缺課的同學，則責令學生補做實驗；對于實驗成績不及格的，責令學生重做實驗課程，方可參加課程考試。通過提高實驗課的地位，加強同學們對實驗課重要性的認識。結合工程實際，提高工程意識。很多同學對實驗課認識不足，敷衍了事，主要是由于對土力學實驗與工程實踐的聯(lián)系，以及土工實驗在工程中的作用認識不足。每一個土力學實驗項目都是實際工程勘察中需要做的項目，其實驗結果可直接應用于工程的設計和施工。因此，在講解土力學理論課時，結合一些工程實踐，使學生認識到工程實施之前，需要進行現(xiàn)場工程勘察和室內土工實驗來為工程實施提供直接數(shù)據(jù)（如土性指標、壓實性參數(shù)、壓縮指標和強度指標等），使學生直接接觸到工程實際，學生對土工實驗的重要性認識提高了，對實驗也就重視了。同時，實驗教學也是培養(yǎng)學生工程素養(yǎng)的一種途徑。

2.利用虛擬土工實驗系統(tǒng)使學生提前熟悉實驗過程。以往土力學實驗預習時，學生只通過實驗指導書或參考書了解一下實驗目的、實驗儀器、實驗步驟、數(shù)據(jù)整理等要求，預習后還是一團霧水，一知半解。由于學習途徑不夠直觀、生動，難以調動起學生的興趣，預習效果也不理想。針對這種情況，利用現(xiàn)代多媒體信息技術，開發(fā)可交互的虛擬土工實驗系統(tǒng)[5，6]，建立虛擬土工實驗三維模型，包括實驗環(huán)境、實驗儀器和實驗材料等。學生可以在虛擬場景中隨時進入虛擬土工實驗環(huán)境，選擇相應的實驗項目，了解實驗目的、實驗設備、實驗過程或步驟，進行實驗操作，期間可任意方位、任意角度觀看實驗進度。在虛擬實驗室中，可進行的虛擬土工實驗包括：飽和實驗、含水率實驗、密度實驗、比重實驗、顆粒分析實驗、液塑限聯(lián)合實驗、固結實驗、無側限抗壓強度實驗、直接剪切實驗和三軸剪切實驗等。虛擬土工實驗作為實驗教學的輔助手段，能夠幫助學生在真實實驗之前，通過計算機模擬熟悉實驗過程和方法，對實驗教學起到很好的效果。另外，在實驗后也可以對疑難之處進行分析和總結，而且還可隨時隨地重新進行虛擬實驗，加深學生的認識，同時也有利于培養(yǎng)學生提出問題、分析和解決問題的能力。

3.以啟發(fā)式教學強化基礎知識和基本技能的訓練。為督促學生搞好課前預習，課堂上改變以往教師講解—實驗示范—學生實驗的做法，上課時先對實驗原理、實驗方法和實驗需要測試哪些數(shù)據(jù)進行隨機提問，通過學生回答問題來檢查他們的預習效果，同時也督促他們做好預習環(huán)節(jié)。在學生進行深入預習的基礎上，實驗教學時以啟發(fā)式教學為主，更強調教師的指導作用而非實驗示范作用，實驗指導時重點放在實驗重點、難點和關鍵步驟上，通過質疑解惑的手段澄清學生模糊概念，啟發(fā)學生自己摸索體會實驗過程。對于實驗原理，指導老師先進行提綱挈領的講解，講解的同時對于一些關鍵點進行提問，注意與學生的互動，檢查學生的預習效果。對于實驗步驟，只講述或演示難點、重點，其他的讓學生自己去摸索、體會。如進行土的側限壓縮實驗時，實驗目的為繪制孔隙比與壓力的關系曲線，即壓縮曲線，確定土的壓縮系數(shù)或壓縮模量，評價土的壓縮性。實驗需要得出土樣的初始孔隙比和某級荷載作用下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比。拋給學生一個問題：初始孔隙比和某級荷載壓縮穩(wěn)定后的孔隙比怎樣才能得到？讓學生進行思考，回憶課堂教學中的理論知識。在講解實驗過程的主要環(huán)節(jié)時，用環(huán)刀切取土樣裝到壓縮儀后，要通過百分表的讀數(shù)測加載后土樣的壓縮量。這時，又給學生拋出一個問題：裝置之間不一定非常嚴密接觸，而這個空值是否消除會引起壓縮量的失真，怎樣消除裝置之間的空值？提出這些問題讓學生主動去思考，去討論，然后根據(jù)學生的反映情況進行針對性的講解。同時引導學生去進行驗證，如針對第二個問題，鼓勵學生進行加預壓消除空值和不加預壓兩種實驗來進行數(shù)據(jù)的比較。通過這樣的啟發(fā)，學生能較好地掌握實驗的難點和重點，做到心中有數(shù)，因而在操作時認真細致，又充滿自信，有條不紊，所用的操作時間也大為減少。這也無形中使學生主動參與到實驗中，積極思維，促使學生提高實驗操作能力和分析問題的能力。

4.以綜合性實驗項目優(yōu)化土力學實驗教學內容。土力學的基本實驗內容通常包括密度、含水量、篩分、液塑限、壓縮、直剪等一些單獨的常規(guī)實驗。為了加強土力學實驗教學的工程應用，在土力學實驗教學內容的安排上，盡量突出各個實驗項目之間的相互聯(lián)系，能夠使學生在實驗的過程中了解實驗結果的應用，將土力學實驗教學內容優(yōu)化整合為3個綜合性實驗項目[7]，分別為土的分類實驗、壓縮實驗和直接剪切實驗。通過土的分類實驗（包括篩分和液塑限實驗）熟悉土的分類方法；通過壓縮實驗（包括含水量、密度和壓縮實驗）了解土的壓縮性質；通過直接剪切實驗了解土的強度特性。比如，在進行壓縮實驗的過程中，要求學生同時進行含水量和密度實驗，同時了解比重試驗的方法和過程，這樣含水量、密度和比重實驗的結果就可以應用到壓縮實驗數(shù)據(jù)整理過程中，同時學生也了解到其他實驗指標的準確性直接影響到土的壓縮性指標。這樣，可以讓學生在每一部分的理論內容學習以后，結合工程實際問題，通過室內土工實驗，評價土的物理力學性質。與此同時，要求學生參與實驗的全過程，包括制備土樣。以往學生做實驗時都是由老師準備好土樣，學生直接利用已經制好的土樣進行實驗。而土樣的制備其實是土力學實驗的基礎，土樣質量與能否得到理想的實驗結果密切相關。忽略制樣這個重要實驗過程對學生理解土力學實驗有較大的影響。雖然這樣做可能需要更多的時間，但是對于培養(yǎng)學生的工程實踐能力十分必要。

5.開設設計性或創(chuàng)新性實驗項目培養(yǎng)工程創(chuàng)新意識。在學生完成了所有的單項實驗，有了一定的動手能力后，結合教師從事技術服務的工程項目，開設一些綜合性較強的設計性實驗項目，在實驗教師的指導下，由學生獨立完成實驗，培養(yǎng)學生綜合利用所學知識解決工程實際問題的能力[7]；或結合教師的科研課題，開設一些創(chuàng)新性的實驗項目，這樣不僅可以很好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力，而且也有利于教師科研課題與課堂教學的有機結合。對于設計性和創(chuàng)新性實驗，指導教師提出具體要求，學生自由組合成實驗小組，選作自己感興趣的實驗項目。實驗教學過程由學生初步設計實驗方案，老師審查同意后進行實驗，分為方案設計階段、實驗操作階段和報告編寫階段等不同環(huán)節(jié)，并根據(jù)自己的實驗結果進行討論和分析，從而在學習期間培養(yǎng)學生的工程實踐能力和工程創(chuàng)新意識。

基于卓越工程師培養(yǎng)的土力學實驗教學應以激發(fā)學生學習興趣、培養(yǎng)學生工程實踐能力為目標，培養(yǎng)創(chuàng)新思維為導向，培養(yǎng)綜合素質為根本。土力學是一門理論與實踐并重的學科，實驗研究不但可以促進學科發(fā)展，同時更多地直接服務于土木工程實踐。通過提高土力學實驗的地位，增強學生對土力學實驗課程重要性的認識性，激發(fā)其學習興趣和熱情。通過多媒體輔助教學措施和課堂啟發(fā)式教學，提高土力學實驗的教學質量，培養(yǎng)獨立分析和解決實際問題的能力，訓練學生的創(chuàng)新精神，擴展學生的知識面，提高實驗課時的利用效率。優(yōu)化實驗內容，開設設計性和創(chuàng)新性實驗項目，使學生對土力學實驗有更深入的整體認識，加強實驗之間的聯(lián)系，促進理論知識的綜合運用，同時鍛煉學生的創(chuàng)新思維和工程實踐能力，提高工程素質。

參考文獻：

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[7]婁國充，王樹棟，葉朝良.土力學實驗教學改革與教學模式研究[J].石家莊鐵道學院學報（社會科學版），2009，3（2）：106-108.

基金項目：河北省高等學校教育科學規(guī)劃項目（GH122055）；石家莊鐵道大學十二五教育科學規(guī)劃項目（110429）。

作者簡介：湯勁松（1970-），男，安徽桐城人，博士，副教授，主要從事巖土工程的教學和科研工作。