基于室內工程模型案例的土力學實驗教學模式研究

劉小文　耿小牧

摘要：本文針對目前土力學實驗教學中實驗目的不明確、創新實驗少、學生創新能力難以發揮的現實，提出將實際工程用室內模型再現，通過將室內模型提煉出工程問題，編寫出解決問題所需的實驗方案，再按實驗方案完成土力學實驗教學任務。該實驗教學模式可以培養學生的思維和創新能力，也能調動學生對實驗過程的參與性和主動性。

關鍵詞：室內模型；工程問題；實驗方案；教學模式

中圖分類號：TU43 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）03-0261-02

土力學是一門重要的專業技術課，具有理論性、實踐性強的特點。在學習過程中要求學生掌握土力學基本原理，能夠分析土的特性，計算地基變形、承載力、土壓力等基本方法和規范要求，能夠解決有關工程實際問題；但土力學的一些基本原理及理論，如達西定律、抗剪強度理論等大都是通過試驗建立的。所以，實驗教學是土力學教學的重要組成部分。通過實驗環節，可以增強學生的感性認識、動手能力、鞏固所學的理論知識，了解土力學相關指標參數測試的基本原理和技能，同時還可以增強學生思考問題、解決問題的能力。但長期以來，土力學實驗教學內容主要以驗證型實驗為主，學生按照實驗教師擬定的實驗步驟執行；這種實驗教學方法存在諸多不足，如學生對實驗過程中的一些現象、問題不會主動思考，對實驗的目的也不太明確具體，實驗完成后學生對概念原理理解也不透，非常容易忘記；這種實驗教學方式也很難發揮學生的主觀能動性，不能激發學生的學習興趣及熱情。因此，對土力學實驗教學方式進行改革創新，以提高學生的學習興趣、培養創新能力是實驗教學改革的重要任務。

一、土力學實驗教學現狀

巖土工程問題主要與巖土性質有很大關系。而土力學實驗就是要獲得巖土的物理力學性質。所以如果能將巖土物理力學性質與巖土工程問題聯系起來，對增強學生的感性認識有很多益處。但目前土力學實驗教學還很單一，學生積極性不太高，目標也不明確，教學往往沒有得到預期的效果。主要存在的問題。

1.實驗目的性不強。從我校講，土力學課程安排的實驗項目主要有6個，分別含水率、密度、液塑限、固結、直剪及滲透實驗，共計8～10個學時。實驗教學還是按照傳統的教學模式將實驗安排在課內進行，隨課程進度分別安排相應的實驗。實驗順序一般按密度、含水率、液塑限、滲透、固結及直剪進行。前面的實驗一般要等后面內容講了后才能了解其實驗目的，學生在實驗中對其工程意義不太明確。所以，目前的實驗教學中學生還是按照實驗教學指導書的步驟進行，實驗完成后其結果正確與否學生缺乏正確判斷，學生的學習興趣也不高，也不利于其對土力學的基本概念及原理的掌握。這種脫離工程背景、對實驗指標在工程中應用的作用缺乏了解的實驗教學，無法發揮學生的主觀能動性，也不能很好地培養學生的工程能力。

2.實驗以單個驗證性為主，缺乏項目之間相互聯系，知識掌握不牢。目前開設的試驗大多以單個的獨立試驗為主，各個試驗之間相互獨立，而反映土的物理力學性質的綜合性試驗較少。如密度試驗、含水率試驗，其試驗結果就可以反映土的抗剪強度及壓縮性的大小，但由于試驗是獨立完成，學生對影響抗剪強度及壓縮性的因素就不太理解。如果能夠在一個項目中把這些指標全部完成，更能夠反映學生綜合運用知識的能力。

3.學生主動學習熱情不高。由于實驗項目設置、教學方法比較單調，學生的學習熱情不高。隨著各高校對本科教學實驗環節的重視，各高校也對土力學實驗教學進行了探討，如實驗設置及教學中加強了實驗教學設計性、綜合性實驗的比重；開展了創新性實驗的探索；采用階段式、多媒體教學等多種手段及方法。但上述教學改革均未突破現有傳統填鴨式教學的觀念，不能使學生主動學習知識。因此，如何真正形成設計性、綜合性乃至創新性的實驗內容，讓學生從發現問題、解決問題的角度去找實驗項目，真正參與到實驗項目中，目前仍然是困惑實驗教師和教學管理者的難題。

二、室內工程模型案例的土力學實驗教學

1.室內工程模型案例的土力學實驗教學必要性。為了改變目前的教學現狀，有些學校開展了“結合實際工程課題組織實驗教學”的改革嘗試，讓學生直接參與課題或者實際工程實驗，取得了較好的效果，學生積極性很高，通過實驗培養了學生良好的工程意識、加深對理論理解。采用實際工程課題直接作為實驗課程效果好，但前提條件是在實驗課程的時間段內恰好有滿足需要的工程課題，且工程課題的實驗環節還必須滿足課程教學大綱與實驗大綱的要求，這限制了該方法的推廣。因此，將現場的實際工程概化為室內模型，以室內工程模型案例開展土力學實驗，通過對室內模型案例提煉，編制基于工程問題的實驗課題目錄，學生通過完成工程問題自主完成相關實驗任務。此方法既吸收了采用實際工程案例直接做實驗的優點，又在一定程度上改善了直接采用實際課題或者現場實際工程開展實驗對工程課題任務合同的依賴性。

2.室內模型案例制作。擋土墻、邊坡、地基及基坑支護工程在工程中最常見。可以制作模型箱，在箱內填土完成室內模型案例。模型箱尺寸（長×寬×高）為75cm×50cm×50cm，由1個底板和3個固定立面板構成，底板與立面板以及立面板之間用鐵釘釘牢。第4個立面板是可移動板。該模型箱內可以填砂，也可以填筑土。如果加立面板，就成為擋土墻模型；在填土面加荷載，就成為地基承載力模型；不加立面板，就成為邊坡模型。

3.模型案例實驗教學——以擋土墻模型為例。案例模型應凝練出工程問題，學生在解答工程問題的過程中需要完成一定的實驗，否則問題就不能得到解決。凝練出的工程問題應該包括土力學實驗中需要進行的常規性實驗，如密度、含水率、液塑限、固結、直剪等。還可以凝練出其他具有一定創新性的實驗項目。以擋土墻模型進行土力學實驗教學為例。擋土墻模型凝練的工程問題為擋土墻上的土壓力。要求學生利用擋土墻模型計算出作用在擋土墻上的土壓力，并將結果與實測的結果進行對比。學生根據課題模型要求，編寫實驗方案及實驗步驟。學生要進行墻后土壓力的計算，就必須得到填筑土的密度及含水率，還必須進行抗剪強度實驗，只有得到這些指標才能計算墻后的土壓力。還可以把計算的土壓力與測量的結果進行對比，找出計算值與測量值的誤差，通過測量的土壓力，還可以得到土壓力沿墻高的分布規律。如果計算土壓力較大，還可以要求學生采取措施，讓學生主動去學習、去找答案，反過來還可以提高理論水平。要減小墻后的土壓力，同學們還可以想出一些辦法，所以，設置一些問題，同學們通過完成問題就必須進行相關實驗。在工程實踐中去完成實驗，帶著問題去實驗，同學們的學習熱情、學習目的及創新能力可以得到大大的提高。加筋材料在擋土墻中應用也很廣泛。在實驗中還可以給同學們一些牛皮紙作為加筋材料，將加筋材料放入土中，并且與面板連接。由于各人設置加筋方法不一樣，導致擋土墻承載能力不一樣。通過在墻頂施加荷載后擋墻是否倒塌判別加筋材料設置的優劣。實驗中每組給相同數量的加筋材料（牛皮紙），最后看那個方案在墻頂施加荷載最大即該方案最優。所以，通過小組實驗比賽，還可以調動學生的學習熱情，更好發揮學生的主觀能動性及創新能力。

4.擋土墻模型案例實驗教學考核。傳統的考核方法主要看實驗報告完成情況，考核內容單一。模型案例教學考核通常是全過程的考核，包括實驗方案的制定、實驗設備選擇、實驗數據整理分析、實驗報告的填寫、實驗誤差分析，等等。最后還通過小組的比賽成績綜合確定實驗的成績。

5.模型案例教學對促進教學工作，提高教學質量的作用。①基于室內工程模型案例實驗教學，可以促進學生的學習熱情。傳統實驗教學方法的目的主要是向學生強行傳授知識，老師是主角，學生被動學習，缺乏學習熱情；而基于室內工程模型案例實驗教學則從解決某一工程問題中發現實驗項目，使學生在解決工程問題中完成實驗項目，學生是主角，教師實際上更多地從講臺前站到了學生的背后。這既調動了學生的積極性，也可使學生有展示自己能力的機會。②基于室內工程模型案例實驗教學，可以更好培養學生創新能力，促進素質教育和創新型人才培養。基于室內工程模型案例實驗教學則更著眼于學生創造能力以及實際解決問題能力的發展，而不僅僅是獲得那些固定的原理、規則。通過工程問題把握如何以更有效的方式獲得知識。基于工程問題的實驗教學把培養能力放在比獲得知識更重要的位置，學生在學校獲得的知識會隨著時間的推移而過時，而針對實際情況學習的能力則能讓學生終身受益。③基于室內工程模型案例實驗教學，可以提高實驗教學效果。基于室內工程模型案例實驗教學，是對一個真實工程問題的室內縮小，這個情境中包含一定的思考題，并要求學生思考、分析、消化、吸收。學生完成相關問題后，也就掌握了相關的實驗項目。④基于室內工程模型案例實驗教學，可以促進教學管理制度的改革與創新。基于室內工程模型案例實驗教學改革必然要求相關的教學管理制度與之相適應和配套。從考核管理而言，一方面要主動適應改革的需要，出臺相關政策；另一方面需要對與改革相關制度進行改革，促進教學管理水平的提高，如更新管理理念，樹立以教師和學生為中心的服務意識。

基于室內工程模型，學生根據工程模型獨立設計實驗方案，讓學生在完成相關工程問題中去發現實驗，然后自行設計實驗實施方案，不僅培養了學生的思維和創新能力，更調動了他們在實驗過程中的參與性和主動性，室內工程模型實驗教學的研究對提高土力學實驗教學效果意義巨大。

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