基于工程實例的土力學課程教學方法探討

尹平保+柳厚祥+張軍+賀煒

【摘 要】目前土力學教學過程中尚存在重理論輕實踐的問題。針對該問題結合土力學課程教學的特點，提出了基于工程實例的土力學課程教學方法，即結合實際工程中的典型案例來講授理論知識和專業，通過教師和學生的親情式合作和互動，引導學生發現問題、思考問題，并提高其利用理論和專業知識解決工程實際問題的能力。

【關鍵詞】土力學；工程實例；教學方法

0 引言

土力學（Soil mechanics）是一門研究土的物理力學性質、基本原理與方法的學科，它是土木、水利、交通等工科專業本、?？粕匦薜囊婚T專業性基礎課。其研究對象是地球淺表可供人類改造的天然土體[1-3]。土力學最早是由美籍奧地利土力學家太沙基在上世紀20年代提出來的。太沙基在1923年發表了滲透固結理論，第一次科學地研究了土體固結過程，并提出有效應力原理；在1925年發表了世界上第一本土力學專著——《Erdbaumechanik》其被公認為是土力學做為一門獨立學科形成的標志。現代土力學主要是在大量理論推導、試驗探索以及工程實踐的基礎上逐漸發展和形成的一門理論性和應用性均較強的專業基礎學科?，F代土力學的主要特點是以基礎理論知識為主，從而為土木、水利、交通等工科專業本、?？粕罄m專業課程學習奠定理論基礎。然而，在土力學教學過程中，很多教師往往是按部就班傳授理論知識，很少講授與工程實例有關的專業知識，也就很難激發學生的學習興趣，造成教學效果很不樂觀。因此，很有必要根據土力學教學過程中面臨的一些問題，針對性地改變教學方式，如：適當增加工程案例，將抽象的理論問題轉化成更加形象的工程實際問題，以期提高學生的學習熱情以及解決實際問題的能力。

1 土力學教學面臨的問題

實驗和實踐教學是土木工程人才培養中一個至關重要的環節，也是最能反映學生綜合素質和動手能力的一個重要評價指標。然而，自20世紀末到21世紀初以來，我國高等院校持續擴招，在校學生數量大幅增長，實驗和實踐教學質量出現嚴重滑坡，原有的教學模式已經很難適應新型的教學環境。尤其是重理論輕實踐的教學模式，給教風和學風造成了非常嚴重的惡性循環。其原因在于實驗和實踐教學流于形式，教師監管缺位，學生逃避、應付現象經常發生[4-5]。

據不完全統計，國內開設土力學課程的高校，大多數學時安排為：總學時約40～48個，其中理論學時32～40個，實驗實踐學時8個，理論與實驗實踐課時比為4：1～5：1。近年來，筆者所在教學團隊主要根據袁聚云教授（以前由高大釗教授）主編的《土質學與土力學》[3]來安排理論課，如表1所示。從表1可以看出，雖然說理論課總共32個學時的安排勉強可以將理論知識點全部講完，但是從學生們的課堂反應來看，實際上很多知識點還是掌握得不夠牢固。

眾所周知土力學是一門實驗性非常強的課程。但實驗實踐只安排8個學時，顯然不夠。目前土力學教學大綱要求的基本實驗有：篩分及顆粒分析實驗（2學時）、黏性土的塑液限實驗（2學時）、壓縮實驗（2學時）、直剪實驗（2學時）。尚有土的滲透實驗、擊實試驗、三軸試驗等實驗，往往因為開設條件不夠等原因，僅提供演示實驗，甚至根本就不開設。根據筆者的調查發現，即使是已開設的實驗實踐課，效果也很不理想[2]。其主要原因是：同組人數多、實驗時間短、試驗儀器問題多等。

綜上所述，目前土力學教學過程中，仍然存在重理論教學輕實驗實踐的普遍問題。另外，由于辦學模式及專業特色各異，每個學校在專業設置、人才培養及教學人員配置等方面也存在很多問題。這些問題的存在，將直接給學生帶入“學無所用”的一個誤區，從而進一步降低了學習熱情和興趣、甚至是厭學。

2 基于工程實例的土力學教學方法

開展基于工程實例的土力學教學方法，其指導思想是：以工程實例帶動理論教學，即以實際工程中的典型案例為引，以理論知識專業為線，結合工程背景來講授理論知識，通過教師和學生的親情式合作和示范，引導學生思考問題，并利用理論知識解決工程實際問題[4-6]。以下主要以地基沉降計算為例，介紹如何基于工程實例開展土力學課程教學。

2.1 典型工程實例選擇

通常情況下，工程案例應該來源于實際工程，并應選擇具有一定影響力的典型工程反例（失敗的例子）比較容易給學生留下深刻印象。例如，地基不均勻沉降造成我國蘇州虎丘塔和意大利比薩斜塔發生嚴重偏斜[3]，如圖1所示。蘇州虎丘塔：建于公元961年，全塔總共7層，高47.5m。1980年6月對虎丘塔現場進行勘察，發現全塔向東北方向嚴重傾斜，塔頂離中心線達2.31m，底層塔身發生裂縫（塔身東北方向為垂直裂縫，塔身西南方向為水平裂縫）。意大利比薩斜塔（Leaning Tower of Pisa）：自1173年8月開工到1372年完工，建造時間約200年。全塔共8層，塔高55m，1174年首次發現傾斜，傾斜角度3.99度，塔基偏離地基外沿2.5m，塔頂偏離中心線4.5m。

工程實例教學的目的是通過對案例的分析、對比、質疑和思考，引導學生將理論與實踐有機結合。因此，在選擇工程實例時，還應該注意案例真實性、典型性、時效性以及完整性。一個比較典型的工程案例應該具備：背景信息完整、工程措施具體、選取案例典型、工后效果明確、工程時效顯著、信息檔案完整。只有這樣才能較好地構建理論知識與工程實踐之間的橋梁。才能使學生更有效地掌握講授的知識點，也才能提高學生解決實際工程問題能力。

2.2 工程實例講述與分析

工程實例講述時，要結合工程背景，明確提出工程實際問題，再通過師生互動和交流，挖掘更多的潛在信息，從而完成工程案例及專業術語知識的傳授與解釋。例如：可以通過PPT將虎丘塔或比薩斜塔的建造歷史、工程地質剖面圖以及不均勻沉降導致的問題展現給學生。工程實例分析時，首先教師提問讓學生結合土的三相比例指標、土的分類、土體壓縮性、有效應力原理以及固結理論等知識，思考虎丘塔或比薩斜塔發生傾斜的原因。并要求分組思考以上問題，小組討論結束后，請各組代表發言。教師根據發言情況，適當進行補充和評價，并將形成地基沉降問題的主要知識結構和討論思路以框圖的形式在黑板上繪制，最后利用分層總和法計算虎丘塔或比薩斜塔地基的工后沉降。還可以讓學生課后思考如果不對其進行處治，預測虎丘塔和比薩斜塔在50和100年后的地基沉降及塔身偏斜情況。

在案例講述與分析時，還要注意相關理論知識點的遷移和實際工程的移植，并圍繞課程教學目標，實現理論知識和專業知識的有效結合。從而促使學生在工程案例講述與分析過程中發掘理論知識和工程應用之間的切合點，并積累經驗實現遷移。

2.3 問題解決方法與措施

如何引導學生利用理論知識和專業知識來解決實際工程問題，對教師來說，首先需要創造一個良好的課堂氣氛，鼓勵學生敢于利用現有的知識去解決實際工程問題，并不斷培養這種意識和知識創新能力，從而營造一個教學相長的課堂環境。其次，主講教師還要精心設計工程實例教學結構，藝術地展現虎丘塔或比薩斜塔地基不均勻沉降產生原因以及沉降計算過程，進而創造一個開放式的討論環節，讓學生可以暢所欲言發表自己的見解及解決辦法。以此引導學生發散思維，提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。最后，展示實際工程中是如何解決該問題的，可以結合實際工程當時情況，一起討論為何比薩斜塔最終采用“地基應力解除法”，即在斜塔傾斜的反方向（北側）塔基下面掏土，利用地基的沉降，使塔體的重心后移，從而減小傾斜度。而虎丘塔則分兩期進行處理：一期工程采用樁排式地下連續墻穩定塔周地基，二期工程采用鉆孔注漿+樹根樁加固塔基。并讓學生課后思考采用所學知識解決上述問題。

在解決問題的教學環節中，教師既要傳遞課程理論知識和相應的專業知識，還要傳授實際工程問題解決思路、思維方法，并且正確處理好教師主導作用和學生主體地位的關系，從而最終實現教師“引導”和學生“研討”的有機結合。

3 結語

基于工程實例的土力學課程教學方法，可充分挖掘教師和學生之間的互動潛能，讓課堂教學不再是一言堂，讓學生不再是沉默的被動接受者。其可以激發每一位學生的主觀能動性，調動其學習內驅力，促使其產生學習興趣。希望借助改方法，能夠讓每位學生成為土力學課程教學過程中會思考、有樂趣和善創新的絕對主體。

【參考文獻】

[1]賀瑞霞，張國強.土力學課程特點及其教學方法的探討[J].高等建筑教育，2007，16（2）：92-94.

[2]尹平保，張軍.土力學教學現狀及改革措施探討[J].科技視界，2016（25）：185-185.

[3]袁聚云，錢建國，張宏鳴，等.土質學與土力學（第四版）[M].人民交通出版社，2013.

[4]夏雄，先禮瓊，王小平，等.案例教學法在土力學課程教學中的實踐與思考[J].高等建筑教育，2013，22（6）：56-59.

[5]周德泉，付宏淵，王桂堯，等.突出工程能力與創新意識培養的巖土工程課程群建設實踐[J].中國地質教育，2013，21（4）：70-73.

[6]費康，許朝陽.研究性學習在土力學教學中的應用[J].高等建筑教育，2011，20（4）：108-111.

[責任編輯：朱麗娜]