土力學“三性”實驗教學模式的探索與實踐

曾召田 莫紅艷 顏榮濤 牟春梅 朱銀紅 張芹

摘? 要：從工程教育專業(yè)論證對土力學實驗教學的要求出發(fā)，對我校土木工程專業(yè)的土力學實驗教學現(xiàn)狀進行了深入分析，從實驗內容、師資隊伍、教學手段、管理模式、考核標準等方面對土力學“三性”實驗教學模式進行了有益探索，旨在通過“三性”實驗教學模式的實踐，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和科研能力，實現(xiàn)“工程教育專業(yè)認證合格人才”的培養(yǎng)目標。

關鍵詞：土力學;“三性”實驗;教學模式;工程教育專業(yè)論證

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）05-0095-03

Abstract： Starting from the requirements of engineering education majors for the experimental teaching of soil mechanics， the author analyzes the current situation of soil mechanics experiment teaching in civil engineering majors in our school. From the experimental content， the teaching staff， teaching methods， management mode， assessment criteria， etc.， the "three features" experimental teaching mode of mechanics is carried out useful exploration. It aims to cultivate students' innovative consciousness and scientific research ability through the practice of "three features" experimental teaching mode， and realize the training goal of "engineering education professional certification qualified talents".

Keywords： soil mechanics; the "three features" experiment; teaching mode; engineering education professional argumentation

隨著高校教育體制改革的不斷深入和工程教育專業(yè)論證工作的開展，大學生素質教育已被提到一個新的高度。而實驗教學是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和提高學生綜合素質的重要課堂，是為學生打開研究殿堂的重要環(huán)節(jié)，時代的發(fā)展需要我們改革落后陳舊的教育觀念和傳統(tǒng)的教學模式，需要我們構建更合理的實驗教學體系，用新的理念來進行實驗教學，是高校教育改革發(fā)展的需要，是社會進步的需要。

《土力學》作為土木工程專業(yè)學生必修的一門專業(yè)基礎課程，具有非常強的實踐性，其實驗是必不可少的教學環(huán)節(jié)。在目前日新月異的時代發(fā)展面前，巖土實驗教學已經(jīng)不僅僅要求是對理論課程知識的重現(xiàn)、驗證，更重要的是，通過實驗，讓學生把所學習的理論知識進一步的理解并掌握，以此來認識巖土材料的自然規(guī)律和性質，并培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神，養(yǎng)成學生理論聯(lián)系實際的良好習慣。因此，對原有實驗教學模式進行變革，探索和實踐一種能夠促進學生能力培養(yǎng)和技能提高的實驗教學模式，已成為了目前各高校實驗教學改革的重點內容。

本文基于桂林理工大學土木工程專業(yè)的土力學實驗教學現(xiàn)狀，剖析了當前教學模式的弊端，提出了一種土力學“三性”實驗教學新模式，并進行了有益探索和實踐，旨在全面地提高學生土工實驗技能，進一步提高學生的創(chuàng)新性思維，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，為巖土工程“三性”實驗教學模式的實施提供指導性意見。

一、土木工程專業(yè)土力學實驗教學現(xiàn)狀剖析

我校土木類專業(yè)成立于1995年，目前土木工程專業(yè)三個方向（巖土工程、工民建、交通土建）均開設了土力學實驗。在傳統(tǒng)的實驗教學體系中，實驗項目以驗證性實驗為主，老師課堂演示實驗，學生被動接收知識、消極實驗、缺乏創(chuàng)新意識，目前土力學實驗的教學現(xiàn)狀主要表現(xiàn)為以下幾個方面。

（一）實驗教學內容簡單陳舊

由于課時限制，目前我校土木工程專業(yè)開設的土力學實驗項目主要有：1. 土的密度、含水率及土粒相對密度等物理性質指標的測定;2. 土體抗剪強度、壓縮系數(shù)等力學指標的測定。這些實驗教學內容的優(yōu)點是可操作性好、實驗時間短，缺點是內容簡單、陳舊，脫離了工程實踐，未反映科技發(fā)展，因此，不利于全面培養(yǎng)學生的動手操作、綜合分析、解決問題的能力。

更有甚者，為了縮短實驗時間滿足課時偏少的需要，大部分實驗項目縮短了觀測時間、簡化實驗步驟或由實驗教師課前先完成幾個環(huán)節(jié)的操作。譬如，黏性土的固結實驗過程中，采用施加一級荷載，觀測時間由標準的24h縮減為5min;土體直剪、壓縮等實驗，實驗教師提前做了大量的備樣工作。課堂上，學生只能進行幾個簡單環(huán)節(jié)的操作，不能參與實驗的全過程，割裂了實驗各環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，因此學生對整個實驗感到很抽象，實驗技能也得不到提高。

由于實驗內容簡單，學生只要按照老師的講解內容進行模擬操作，同時由于學生人數(shù)多、儀器設備數(shù)量不夠等條件限制，有些實驗只能分組進行，不能人人都能動手操作，因此學生的實驗興趣銳減，積極性受到打擊，主觀能動性得不到充分發(fā)揮。

（二）實驗教學方式單一枯燥

在實驗教學中，教學方法具有舉足輕重的作用，可稱之為“教學的靈魂”。在課堂上，教師采用合適的教學方法和手段，能夠激發(fā)學生的實驗興趣，達到事半功倍的效果。然而現(xiàn)階段，由于各種客觀因素的限制，土力學實驗教學一直沿襲“課前準備-課堂授課-學生實驗-數(shù)據(jù)處理”四階段的傳統(tǒng)教學模式。在這四個階段中，實驗教師準備儀器設備、課堂講解示范實驗過程、巡回指導學生完成實驗，因此，教師在整個教學模式中處于主導地位;而學生課前預習實驗內容、課堂聽老師講解、分組實驗、處理數(shù)據(jù)、撰寫實驗報告，被動地接收相關知識。

上述教學模式的優(yōu)點：1. 有利于培養(yǎng)學生處理數(shù)據(jù)、操作儀器、撰寫報告等基本實驗素質;2. 促進學生對土力學基本理論的理解與消化。缺點在于：1. 不利于調動學生獨立思考和發(fā)揮學生的主動性;2. 不利于培養(yǎng)動手能力;3. 許多學生在實驗過程中不知所措，實驗效果不好。

（三）實驗考核評價體系不合理

目前，學生根據(jù)分組實驗撰寫的實驗報告是我校教師對學生實驗水平評判的基本依據(jù)。這種實驗評價方式反映不了學生在實驗過程中的具體表現(xiàn)，學生個體的實驗水準得不到真實的反映;另一方面，這種簡單的實驗評價模式也容易造成學生相互抄襲、篡改數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，不利于學生實驗技能和科學素質的培養(yǎng)。

二、土力學“三性”實驗教學模式的構建

一般地，綜合性、設計性和創(chuàng)新性實驗統(tǒng)稱為“三性”實驗，它是一種設計內容廣、教學要求高、以自我訓練為主的實驗教學模式。我校土木工程專業(yè)于2017年5月順利通過了教育部的“工程教育專業(yè)論證”，再次強調了《土力學》作為土木工程專業(yè)基礎課的核心地位。以此為契機，課題組提出了土力學“三性”實驗教學模式的構建方案。

（一）設置合理的土力學“三性”實驗項目及內容

選擇合適的實驗項目，是搞好實驗教學的首要條件。因此，為提高學生對實驗課的興趣，讓學生具有發(fā)揮的空間性和實際的應用性。因此，課題組經(jīng)過調研、討論，對土力學的巖土實驗項目及內容進行合理設置：

1. 保留基本的驗證性實驗，全部設置為“必做”項目，如土的密度、含水率、土粒相對密度等物理性質指標測試。這些實驗是學生進行土工實驗的基礎，能有效培養(yǎng)學生基本的實驗技能;同時，這些實驗內容源于理論教學，可以促進學生對土力學基本理論的掌握。

2. 開設一些綜合性實驗，全部設置為“必做”項目。如混合土的顆粒分析實驗，實驗過程中，需要采用不同的實驗方法和儀器：粗顆粒采用篩分法、細顆粒采用比重計法分別進行顆粒分析實驗，綜合兩部分實驗數(shù)據(jù)進行顆粒分析，繪出混合土的顆粒級配曲線。在這些綜合性實驗過程中，學生需要運用綜合的實驗知識或實驗手段，有效提高學生的知識-能力-素質的綜合能力。

3. 開設設計性實驗，全部設置為“選做”項目。實驗過程中，學生自行設計實驗方案、進行相關實驗和分析實驗結果，學生作為了實驗的主體，根據(jù)自己的興趣或特長，利用現(xiàn)有實驗條件進行簡單的科研活動。這些實驗項目包括實驗方法對抗剪強度指標的影響、排水條件對三軸剪切強度的影響等。

4. 開設創(chuàng)新性實驗，主要分2類：第1類，大學生課余相關的科技活動，如“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“挑戰(zhàn)杯”等;第2類，一線教師邀請學生參加的部分課題實驗工作。這類實驗對學生的要求相對較高，需要學生具有一定的專業(yè)理論知識、基本實驗技能和綜合分析能力。同時，指導教師對參與項目的學生進行全過程指導，幫助學生確定正確的實驗方案和步驟，并對實驗過程和結果進行嚴格把關，培養(yǎng)學生開展科學研究的意識。

（二）優(yōu)化土力學實驗教學師資隊伍

針對“三性”實驗的“自主、創(chuàng)新、實踐”等特點，土力學實驗教師必須具備4個特征：1. 專業(yè)理論功底扎實;2. 工程實踐經(jīng)驗豐富;3. 關注巖土學科的發(fā)展動態(tài);4. 擁有一定的科學思維能力。

根據(jù)以上目標，現(xiàn)有的土力學實驗教學師資隊伍需要采取以下3方面的措施進行優(yōu)化：1. 安排實驗室現(xiàn)有教師走出去，進行有關的專業(yè)培訓，鼓勵實驗教師積極參加工程實踐;2. 鼓勵教研室理論教師參與實驗教學工作，結合自己的科研課題和工程項目，設置設計性、創(chuàng)新性的巖土實驗;3. 從校外土木工程單位聘請經(jīng)驗豐富的高級工程師指導巖土實驗的相關教學活動。

（三）完善實驗教學方法和手段

為了提高教學質量，達到土力學“三性”實驗教學的培養(yǎng)目的，實驗教師在教學過程中必須運多種教學方法，合理利用多媒體、視頻、圖片、互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化教學手段，激發(fā)學生對巖土實驗的興趣。讓學生作為實驗的主體，教師只需給予必要的指導和建議，學生在實驗中獲得成就感和滿足感，從而提高學習的積極性和創(chuàng)造性。

（四）改革實驗室開放模式

“三性”實驗對實驗室管理提出新要求，即具有開放性的實驗室管理制度，實驗設備的使用、流動更為靈活。為了適應“三性”實驗的要求，實驗室對管理模式進行相應改革：1. 定時定期開放實驗模式（10：00～20：00）——學生自主安排實驗時間，采取實驗預約制度，每組人數(shù)為1～2人，大大增加了學生的動手機會;主要針對驗證性實驗和綜合性實驗;2. 自主式實驗模式——由指導老師審核實驗方案，辦理實驗室門禁卡，學生可自己安排時間進行實驗，具有更大的靈活度;主要針對設計性實驗和創(chuàng)性實驗。

（五）健全實驗考核方式

與傳統(tǒng)的驗證性實驗相比較，“三性”實驗具有更大的難度，實驗過程中需要學生認真思考、積極探索、有效解決相關問題，這是一系列的主觀能動性表現(xiàn);實驗結果并不是最終的考核評價標準，允許學生在科研探索中出現(xiàn)實驗失敗。因此，改變以往“基于學生實驗報告”進行評價的實驗核評價模式，教師對學生考核成績應來源于實驗前的準備、過程中的表現(xiàn)以及試驗后的結果分析等進行綜合考慮，鼓勵學生對實驗進行創(chuàng)新性設計、合理大膽嘗試新的實驗方法，充分調動學生的主觀能動性和積極性。

三、實踐成效

土力學“三性”巖土實驗教學模式在我校土木工程專業(yè)學生中實施近2年，取得了以下實踐成效：

1. 綜合性、設計性、創(chuàng)新性等巖土實驗項目的開設，提高了實驗難度，增加了選擇自由度。在整個實驗過程中，學生作為了實驗的主體，具有更大的自主性，分析問題、解決問題的能力不斷提高。

2. 部分學生在教師指導下，根據(jù)自身興趣和特長，成立實驗興趣小組，在課余時間很好地完成設計性巖土實驗項目。學生通過查閱文獻，自主設計實驗方案，通過溝通、交流，激發(fā)了學生探索新知的欲望。

3. 部分同學參與了巖土專業(yè)教師承接的橫向工程實踐課題，運用專業(yè)知識解決工程實際問題，有效提高自己的工程實踐能力。

4. 通過“三性”巖土實驗的訓練，學生自主學習能力、創(chuàng)新思維能力、科研探索精神等得到了培養(yǎng)與提升，有效促進了大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動的開展。譬如，我校2016級土木工程專業(yè)學生呂玉輝主持申報的“三軸試驗中飽和黏性土剪破角的測試與分析”，獲得2017年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（國家級）資助并于2018年6月順利結題，本文第一、第二作者共同為該項目的指導教師。

參考文獻：

[1]曹中一.三性實驗的內涵與特征[J].實驗室研究與探索，2003，22（4）：10.

[2]朱群峰，江世明，黃磊.“三性”實驗教學模式的探索與實踐[J]. 中國電力教育，2008（18）：132-133.

[3]譚甲凡，成運，黎建輝，等.“三性”實驗教學的研究與探討[J].湖南人文科技學院學報，2009（2）：139-140.

[4]孫家國，谷艷玲.土木工程專業(yè)“三性”實驗教學體系的研究[J]. 凱里學院學報，2012，30（3）：154-157.

[5]申有名，周詩彪，鄭清云，等.應用化學“三性”實驗教學新體系的構建和實踐[J].廣州化工，2015，43（6）：197-199.

[6]李艷玲.綜合性設計性實驗的開設與管理[J].實驗室研究與探索，2008，27（8）：110-111.

[7]閆蕊鑫.新形勢下土力學實驗課程教學模式探索[J].科教文匯，2015（7）：60-61，64.

[8]湯勁松，丁軍霞，陳瑞英，等.基于卓越工程師培養(yǎng)的土力學實驗教學改革[J].教育教學論壇，2014（13）：45-47.

[9]曾召田，朱銀紅，莫紅艷，等.“三性”巖土實驗教學體系中實驗項目的設計及實踐[J].高教學刊，2018（19）：74-76.

[10]曾召田.淺談土力學實驗教學中存在的問題及改革措施[J].科技視界，2013（5）：97-98.

[11]朱銀紅，遲國東，劉寶臣，等.改革教學方法 激發(fā)學生學習興趣 培養(yǎng)學生實踐能力[J].高教論壇，2008（02）：71-72，78.