淺談土力學教學的幾點體會

劉鋼+張英+李婭+舒志樂+王文奇

摘要：土力學作為土木工程專業的一門主干專業基礎課，其重要性是不言而喻的，同時也是學生公認的學習難度大的課程之一。在借鑒同行寶貴經驗基礎上，結合自身在教學中的感受，從土力學理論教學內容安排、實踐教學環節以及課堂教學中如何增加趣味性三個方面淺談一下體會，以供參考。

關鍵詞：土力學;理論教學;實踐教學;教學趣味

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）22-0195-02

一、引言

土力學與巖石力學、工程地質并稱為巖土工程學科三大專業基礎課[1]，是土木工程專業必修的主干課程。學好該課程，將為基礎工程、路基工程等專業課的學習奠定良好的基礎。就土力學這門課程本身而言，大學教材所涉及的經典土力學部分（1925—1963年）大多還是基于直覺、經驗和宏觀現象學而建立的，各章節之間缺乏有機和統一的理論基礎[2]，使得土力學這門課程具有內容相當廣泛、綜合性強，知識點瑣碎、公式眾多等特點。同時，該課程還涉及材料力學、水力學、工程地質、彈性力學等相關知識，涉及學科領域多，跨度大，使其成為一門較難掌握的課程。在教學過程中，就有學生感嘆土力學與先前所學的理論力學、材料力學、結構力學等課程差別太大，顛覆了他對力學的認識;也有部分學生在學習的過程中因理解困難、跟不上進度等原因失去了學習這門課程的興趣。

二、理論教學內容的安排

目前，國內出版的土力學教材版本較多，但內容大致相同。從課程內容上看，可以劃分為兩大部分，一是土的基本物理力學性質部分，物理性質部分主要包括土的三相組成、土的物理狀態的描述、土的結構性以及工程分類等內容，力學性質部分主要涵蓋了土的強度、變形以及滲透三大特性;二是與工程實際問題緊密結合部分，如地基的變形與承載力、邊坡的穩定以及支擋結構上的土壓力等，如圖1所示。

由于各學校教學學時安排不同，土力學理論部分教學內容也存在一定的差異。若理論教學課時較少，相應的教學內容就會有所減少，通常來講，滲流與流網、土體的滲流固結等往往是基礎理論部分首先被刪減的內容，一些與工程問題結合部分也不能夠較深入全面地講解，比如滲流或地震荷載作用下邊坡穩定性分析、復雜擋墻結構條件下的土壓力分布問題等?？傃灾?，不管課時的多少，理論教學內容應該在呈現出經典土力學基本框架的同時，注意突出重點。有以下幾點建議：（1）土的基本物理性質在很大程度上決定了土的力學性質，應注重該部分內容的講解，尤其是土的三相性、土的結構性等內容對土的力學特性的認識具有重要的作用。（2）理論教學內容應該圍繞土的變形、強度和滲透三大問題展開。對于不同的專業方向，側重點可有所區別，比如水利專業方向，土的滲透特性部分課適當增加學時。（3）教學內容的安排還應該重點突出。比如土的強度特性部分在整個經典土力學理論部分具有相當重要的地位，是地基極限承載力和邊坡穩定分析、土壓力計算的理論基礎，務必作為教學重點內容讓學生掌握。（4）應適當地拓展解決工程實際問題方面知識的介紹。（5）理論教學部分學時最好在40學時以上才能夠滿足相應的教學要求。

三、實踐教學環節的探討

土力學是一門實踐性、應用性很強的學科，土力學的很多知識通過動手才能夠找到“感覺”。因而，實踐教學環節是學生理解土力學基本概念、檢驗土力學基本原理、探討土力學工程應用的主要途徑[3]，其重要性是不言而喻的。

實踐教學主要包括以下形式：（1）室內教學實驗。實驗是土力學實踐教學環節的主要形式，土力學課程可以安排室內教學試驗的內容較多，包括容重、含水量、液塑限測定、顆粒分析、滲透系數測試、固結試驗、直剪試驗、三軸剪切試驗等。但由于學時的壓縮，絕大多數院校的實踐教學課只有8學時，加之當前學生人數眾多，部分試驗所需的時間較長，全部安排所有試驗具有相當大的難度。因而，室內教學實驗的安排應該是在有限的教學時間內盡可能地讓學生多動手、讓愛動手的學生有機會動手，這就需要采取行之有效的措施才實現這一目標。首先，可以精心安排設計實驗教學內容。比如容重、含水量以及液塑限的測定實驗可以在融合為一次教學實驗同時進行;嚴格按照規范要求進行固結實驗所需時間太長，在教學實驗中可以縮短加載間隔時間，使學生能夠在2個課時的教學時間內體驗固結實驗的全過程。其次，可以將實驗教學內容劃分為必選實驗和自選實驗，必選實驗在正常的教學學時內進行，自選實驗可以讓學生在課余時間進行，當然，開設自選實驗需要實驗室相應地開放管理機制。比如三軸剪切試驗，該實驗在土力學學習中本具有舉足輕重的地位，但試驗設備較為昂貴，一般實驗室擁有的三軸剪切儀數量較少，實驗本身操作復雜，大多數院校將其作為必選實驗并不現實，可考慮列為自選實驗部分。（2）現場試驗觀摩。本科土力學教材所涉及的原位測試試驗主要包括現場井孔抽水或井孔注水試驗、載荷試驗、旁壓試驗等。顯然，將這類現場試驗作為實踐教學大綱的必修環節是相當困難?？墒占嚓P的視頻或動畫素材，在課堂內進行講解。若條件具備，最好能讓學生現場觀摩。（3）課程設計。課程設計可使學生在課堂上理解相對膚淺、薄弱的知識點，在課程設計中加深印象。

總體而言，土力學的教學應該十分重視實踐環節，這或許會對教學設備、教師本身的工作提出更高的要求，但是其作用也應該會是顯著的。

四、課堂教學中的趣味融入

土力學向來被學生認為時一門很難學的課程。在平時的教學以及與學生的交談中發現，學生之所以認為土力學難，主要難在對一些基本概念的理解，不能較為透徹地理解土力學中的一些基本概念，逐漸地失去學習的興趣，從而造成了這門課程很難的“假象”。鑒于此，增加土力學教學中的“趣味趣性”不失為一種好的教學方法[4～5]，清華大學就提出了“寓教于樂、寓研于玩”的土力學教學理念，通過討論、比喻、講故事、案例等環節來活躍課堂氣氛，從而培養學生興趣。endprint

將“趣味性”融入到土力學的教學中，包含兩方面的含義：（1）土力學中的基本概念采用日常生活中的體會進行生動的比喻，比如李廣信教授以擠公交車對三種不同類型土壓力概念的生動詮釋。土力學教材中一般根據擋土結構物的位移情況，將土壓力分為靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力。即“當擋土墻不發生任何移動，作用在擋土墻上的土壓力稱為靜止土壓力;當擋土墻隨著土體向臨空面移動，并達到極限狀態，作用在擋土墻上的土壓力稱為主動土壓力;而當擋土墻背離臨空面移動，并達到極限狀態，作用在擋土墻上的土壓力稱為被動土壓力”。這種嚴謹的描述并不能給初學者一個直觀的認識。但若用這樣的比喻來解釋三種土壓力，可能會有意想不到的效果。即“有時要擠上一輛擁擠的公交車實屬不易。使勁向上擠，甚至都要把前面的人擠冒起來（‘土體破壞），自己才能擠上去，這時相當于對上面的人群施加了被動土壓力，顯然是相當吃力而辛苦的;之后，自己剛擠上去，司機關上車門，自己貼在靜止的車門上動彈不得，雖比先前好受些，但被靜止的車門頂住亦還難受，這相當于受到靜止土壓力;好容易熬到一個站臺，車門打開（身體向外有位移），自己瞬間輕松許多，此時我們受到的便是主動土壓力，感到壓力小多了，但要穩住腳跟，防止跌落車下”。（2）日常生活中的現象可采用土力學的基本原理進行解釋，比如采用有效應力原理對過度抽取地下水引起地面沉降進行解釋。即抽水的過程就相當于固結排水過程，抽水使得孔隙水壓力逐漸減小，有效應力增加，進而導致土體壓密，引起地面沉降。

當然，將這些“趣味”恰當地引入到土力學的教學中也并非易事，對于老師而言，要做一個生活中的有心人，勤于思考。另外，多閱讀是加強這方面能力的有效途徑，李廣信教授所著的《巖土工程50講》[6]、高大釗教授所著的《土力學與巖土工程師》[7]以及眾多的期刊論文都是很好的參考資料。

五、結語

土力學作為土木工程專業的一門主干專業基礎課，有其自身鮮明的特色。在教學過程中，理論與實踐教學兩個方面都要引起足夠的重視，二者相輔相成，不可或缺。理論教學內容可制定學時安排做好教學內容規劃，但應注意在呈現整個土力學理論框架的同時注意重點突出;實踐教學環節在重視室內試驗的同時，有條件的情況下可與現場試驗觀摩以及課程設計并舉。同時，在教學過程中，最好能緊密結合教學內容，增加教學的“趣味性”，提高學生學習的主觀能動性。

參考文獻：

[1]李廣信，呂禾，張建紅.土力學課程教學中的實踐教學[J].實驗技術與管理，2006，23（12）：13-14（23）.

[2]趙成剛，韋昌富，蔡國慶.土力學理論的發展和面臨的挑戰[J].巖土力學，2011，32（12）：3521-3540.

[3]李廣信.奇談怪論土力學[J].巖土工程界，2003，6（6）：25-28.

[4]李廣信，杜修力.土力學教育與教學[M].北京：人民交通出版社，2006.

[5]馬時強.比喻法在土力學教學中的應用[J].聊城大學學報：自然科學版，2012，25（1）：108-110.

[6]李廣信.巖土工程50講[M].第2版.北京：人民交通出版社，2010.

[7]高大釗.土力學與巖土工程師[M].北京：人民交通出版社，2008.endprint