基于工程應(yīng)用的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)開放式教學(xué)改革探索

胡順洋

摘要：土力學(xué)實(shí)驗(yàn)是土力學(xué)課程的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容之一，其工程實(shí)踐性強(qiáng)，各個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)之間具有聯(lián)系緊密和創(chuàng)新性的特點(diǎn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和模式等也不適應(yīng)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要。文章在分析土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出基于工程的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施。經(jīng)過(guò)近2年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究和實(shí)踐，成效顯著，表明所提出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施是合理有效的。

關(guān)鍵詞：土力學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；工程應(yīng)用；開放式

中圖分類號(hào)：G6420；TU4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10052909（2018）03012204當(dāng)代大量的土木工程建設(shè)，如建筑工程、交通工程、市政工程、水利工程以及國(guó)防建設(shè)等，這些工程建設(shè)項(xiàng)目都與土力學(xué)有著密切的關(guān)系，因?yàn)楣こ潭际墙ㄔ诘鼗系模^“萬(wàn)丈高樓平地起”。在工程建設(shè)前，都要對(duì)巖土的工程性質(zhì)進(jìn)行研究，而土力學(xué)實(shí)驗(yàn)是其中重要而必不可少的手段之一。土力學(xué)實(shí)驗(yàn)作為土力學(xué)課程的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容之一，是土木工程學(xué)科所有專業(yè)方向必修的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。通過(guò)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，可以加深學(xué)生對(duì)土力學(xué)基本概念、基本理論的理解，引導(dǎo)學(xué)生深入了解土體的物理力學(xué)性質(zhì)，理論聯(lián)系實(shí)踐，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生熟悉土力學(xué)實(shí)驗(yàn)各種儀器設(shè)備，提高學(xué)生的科研應(yīng)用能力[1]。但長(zhǎng)期以來(lái)，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與工程實(shí)際以及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間的聯(lián)系嚴(yán)重脫節(jié)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

一、土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

（一） 土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

土力學(xué)實(shí)驗(yàn)是土木工程等專業(yè)必修的基礎(chǔ)課程，具有三個(gè)特點(diǎn)：一是工程實(shí)踐性強(qiáng)，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)與具體的工程緊密聯(lián)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接影響工程的可行性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。二是各個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)都是相互聯(lián)系、相互影響的，如土的含水率直接影響土的軟硬狀態(tài)判定，并與土的壓縮性、土的強(qiáng)度指標(biāo)聯(lián)系緊密，在工程應(yīng)用中，如在路基壓實(shí)施工過(guò)程中，它又影響著土的壓實(shí)效率。土力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置見(jiàn)圖1。因此，單一的一個(gè)指標(biāo)不能獨(dú)立應(yīng)用于工程，常需要眾多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組合在一起，形成實(shí)驗(yàn)成果應(yīng)用于工程。三是創(chuàng)新性，隨著時(shí)代的發(fā)展，出現(xiàn)許多新材料、新工藝和新儀器，土體的客觀規(guī)律還有很多亟待探索和研究， 土力學(xué)學(xué)科也應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，去發(fā)現(xiàn)認(rèn)識(shí)這些規(guī)律，以促進(jìn)學(xué)科發(fā)展[2]。

（二） 土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問(wèn)題

在土木工程類專業(yè)本科教學(xué)改革中，實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)被大幅減少，部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在時(shí)間上達(dá)不到要求，不能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯然是不完整的，學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)感到抽象，印象不深刻，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力[3]。

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)地位不突出，學(xué)生缺乏主動(dòng)性

過(guò)去，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)屬于課程實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，僅作為土力學(xué)理論課程教學(xué)環(huán)節(jié)的一個(gè)部分，一般安排8 學(xué)時(shí)，在講解理論知識(shí)之后，由授課教師安排學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)不進(jìn)行單獨(dú)考核，而是由教師視學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況評(píng)定成績(jī)，該成績(jī)與課程平時(shí)成績(jī)一起僅占總評(píng)成績(jī)的20%。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)減少，部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在時(shí)間上達(dá)不到要求，為了在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成獨(dú)立的全過(guò)程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)教師只能在課前先完成幾個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的操作，實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生只操作其中的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。也就是說(shuō)學(xué)生只完成了實(shí)驗(yàn)的一部分，未能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性，以致許多學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課不重視，產(chǎn)生輕實(shí)驗(yàn)重理論的思想，從而嚴(yán)重影響土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容固定，不利于培養(yǎng)創(chuàng)新人才

由于受實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)限制，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一般固定4～5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)專業(yè)、每個(gè)班級(jí)都一樣，年年如此，學(xué)生實(shí)驗(yàn)基本上按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行按部就班的操作。這些實(shí)驗(yàn)又以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，內(nèi)容陳舊。各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目又分別采用不同的樣品，即：界限含水率實(shí)驗(yàn)用黏性土樣品，密度、含水率和固結(jié)實(shí)驗(yàn)用粉土，直接剪切用粉細(xì)砂，三軸采用黏性土，每學(xué)期（教學(xué)周期一般為10周）分4次完成。由于試驗(yàn)項(xiàng)目分散開設(shè)，每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)都是在間隔較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)完成的，以致各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間的聯(lián)系脫節(jié)，嚴(yán)重削弱了土力學(xué)系列實(shí)驗(yàn)之間的相互聯(lián)系。學(xué)生很難把一個(gè)土樣經(jīng)幾次實(shí)驗(yàn)測(cè)出的多個(gè)指標(biāo)建立必要的聯(lián)系，并綜合起來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行全面分析，以致學(xué)生對(duì)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)了解得片面化、靜止化[4]，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用與效果不理想，不利于培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。而在實(shí)際工程中，實(shí)驗(yàn)人員用目力鑒別，初步確定土的分類，制定土的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，安排實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，各個(gè)實(shí)驗(yàn)采用的土樣都在同一含水率狀態(tài)。可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)際嚴(yán)重脫節(jié)，學(xué)生缺乏自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，更無(wú)法探討所做實(shí)驗(yàn)與實(shí)際工程的關(guān)系。

此外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不能適應(yīng)不同專業(yè)的培養(yǎng)要求，學(xué)生完全處于被動(dòng)狀態(tài)，沒(méi)有發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，嚴(yán)重影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不適應(yīng)當(dāng)今時(shí)代的創(chuàng)新要求，也不利于培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段單一

一般的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程是：教師先集中講授實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法及要求，在講授操作重點(diǎn)難點(diǎn)時(shí)，給予必要的實(shí)驗(yàn)操作示范；然后學(xué)生3～4人一組分工協(xié)作按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)記錄和試樣制備；最后學(xué)生按要求完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中教師給予輔導(dǎo)。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排，使部分學(xué)生即使不預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也可以參與實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，往往也只有一部分學(xué)生能真正進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，另外一部分學(xué)生則成為旁觀者，基本不操作，直接使用其他同學(xué)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，甚至直接照搬同學(xué)的報(bào)告。因此，這種教學(xué)方式導(dǎo)致土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想，學(xué)生的動(dòng)手能力得不到鍛煉，更無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

二、 基于工程的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

針對(duì)以上土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，筆者所在的揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院對(duì)土木工程專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，努力提高土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果。

（一）以工程問(wèn)題為導(dǎo)向構(gòu)建土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)際嚴(yán)重脫節(jié)的問(wèn)題，學(xué)院安排1天的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，直接采用實(shí)際工程中的土樣來(lái)完成土力學(xué)實(shí)驗(yàn)。土樣可以是黏性土、粉土，也可以是砂土。學(xué)生2人一組，領(lǐng)取2個(gè)土樣，要求每組學(xué)生先通過(guò)目力初步確定土的名稱，然后制定實(shí)驗(yàn)方案，由實(shí)驗(yàn)教師確認(rèn)各組實(shí)驗(yàn)方案后，每組再分別進(jìn)行土的密度和含水率實(shí)驗(yàn)、工程分類實(shí)驗(yàn)、直接剪切實(shí)驗(yàn)、固結(jié)實(shí)驗(yàn)和三軸剪切實(shí)驗(yàn)，最后形成某工程的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這樣就避免了各組實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的雷同，如：土的工程分類實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同的土樣，采用不同的實(shí)驗(yàn)方法，黏性土做界限含水率實(shí)驗(yàn)、砂土做顆粒分析實(shí)驗(yàn)、粉土做顆粒分析實(shí)驗(yàn)和界限含水率實(shí)驗(yàn)。學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)大大增加，有利于提高學(xué)生的實(shí)踐能力，也避免了最后實(shí)驗(yàn)成果報(bào)告內(nèi)容的千篇一律。每組學(xué)生也能將土的各個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)緊密聯(lián)系起來(lái)，對(duì)土的工程特性有了初步認(rèn)識(shí)，試驗(yàn)報(bào)告成果更加貼近工程實(shí)際，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程觀和綜合分析能力。

（二） 基于能力培養(yǎng)科學(xué)設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

在一些國(guó)家的高校，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)與土力學(xué)理論講授課程是分開的，單獨(dú)計(jì)算學(xué)分[5]。揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院對(duì)土木工程專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行整合，把土木工程材料、材料力學(xué)和土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程合并成土木工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，并將土木工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)作為一門獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課程，總計(jì)1.5學(xué)分，其中土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程0.5學(xué)分，屬于必修課程。此外，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也進(jìn)行了改革，把界限含水率實(shí)驗(yàn)改為土的工程分類實(shí)驗(yàn)，增設(shè)擊實(shí)實(shí)驗(yàn)、滲透實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，將界限含水率實(shí)驗(yàn)、直接剪切實(shí)驗(yàn)、固結(jié)實(shí)驗(yàn)、三軸實(shí)驗(yàn)作為必做項(xiàng)目，擊實(shí)實(shí)驗(yàn)和滲透實(shí)驗(yàn)作為選作項(xiàng)目，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)作為探索項(xiàng)目。

實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)成果評(píng)價(jià)、 出勤考核，按照實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)成果評(píng)價(jià)成績(jī)占總成績(jī)的70%、 出勤考核成績(jī)占30%進(jìn)行考核。最終成績(jī)采用等級(jí)記分，分為優(yōu)、良、中、及格、不及格五級(jí)。

通過(guò)改革土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，學(xué)生開始重視實(shí)驗(yàn)課程，一改過(guò)去教師要我做試驗(yàn)的“被試驗(yàn)”現(xiàn)象，學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力也有較大提高。

（三）開展開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的探索熱情

為了合理調(diào)配實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備，充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，全面實(shí)行開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。學(xué)院實(shí)驗(yàn)室采取定時(shí)開放制度、預(yù)約開放制度，學(xué)生可在學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)預(yù)約實(shí)驗(yàn)課程和實(shí)驗(yàn)時(shí)間，既提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，又切實(shí)有助于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和動(dòng)手能力。

此外，學(xué)院通過(guò)建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程比較復(fù)雜、占用時(shí)間長(zhǎng)，或者沒(méi)有條件分組開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（如土的三軸實(shí)驗(yàn)），利用軟件虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并開發(fā)設(shè)計(jì)了一些創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，供學(xué)生自主選擇學(xué)習(xí)。創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)?zāi)艹浞职l(fā)揮學(xué)生個(gè)人潛能，有效地激發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，拓展學(xué)生的創(chuàng)新能力和研究能力。同時(shí)，學(xué)院結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新要求，實(shí)施本科生導(dǎo)師制和創(chuàng)新學(xué)分制度。要求部分本科生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，不固定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不固定實(shí)驗(yàn)時(shí)間，由教師提出實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，學(xué)生制定實(shí)驗(yàn)方案，教師參與其中，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)學(xué)生給予必要的指導(dǎo)和啟發(fā)，最后由學(xué)生獨(dú)立撰寫創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過(guò)增加創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，幫助學(xué)生懂得科學(xué)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性、復(fù)雜性和嚴(yán)密性，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅、認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維能力，要求學(xué)生初步掌握科研的方法和步驟，學(xué)會(huì)在工作中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題。此外，引導(dǎo)學(xué)生了解本學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)，學(xué)習(xí)新方法、新技術(shù)，開闊學(xué)生的思路和視野。

（四）改革效果評(píng)價(jià)

通過(guò)推進(jìn)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度也由原來(lái)的“輕實(shí)驗(yàn)重理論”轉(zhuǎn)變?yōu)椤袄碚撆c實(shí)驗(yàn)并重”，學(xué)生工程意識(shí)得到大大增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量大幅提高，學(xué)生的科研探索熱情也被激發(fā)起來(lái)，現(xiàn)在每學(xué)期都有6～8名學(xué)生參與土力學(xué)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力有了顯著提高，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下了良好基礎(chǔ)。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)構(gòu)建以工程問(wèn)題為導(dǎo)向的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，科學(xué)設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，實(shí)行開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力、獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新能力。揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院經(jīng)過(guò)近2年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究和實(shí)踐，成效顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]宗士增，閻燕.工程教育創(chuàng)新實(shí)踐的方法與措施[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2012（4）：61-63.

[2]歐益寶.PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建模式研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（9）：73-75.

[3]許雪瑩，金文，嚴(yán)明.適應(yīng)高層次本科生培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2012（1）：12-14.

[4]周莉，韓雪，楊海濤.應(yīng)用型人才培養(yǎng)的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革與實(shí)踐[J].黑龍江高教研究，2014（3）：168-170.

[5]李廣信，呂禾，張建紅.土力學(xué)課程中的實(shí)踐教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006（12）：13-14.