土木工程類土力學實驗教學的探討

徐德龍 南京工程高等職業學校

1 引言

《土力學》作為土木工程專業學生必修的一門專業基礎課程，具有非常強的實踐性，其實驗是必不可少的教學環節。

2 工程教育認證對實驗教學的要求

專業目標的能力要求包括土木工程技術的基本應用能力、明確土木工程力學問題的基本概念、相對熟練的計算、分析和實驗能力等土木工程實際問題的解決能力。為特定工程合理選擇土木工程材質，應用測量的基本原理，利用測量儀器熟練地進行一般工程測量和施工放樣。具有開發土木工程技術基礎實驗計劃、獨立完成實驗以及整理、統計和分析實驗數據的功能。

3 土木工程專業土力學實驗教學現狀剖析

3.1 實驗教學內容簡單陳舊

因為課上的時間有限，我校在現階段的土木工程專業設置的土力學實驗類型一般有：（1）土的含水比例、土的密度、土粒的相對密度等一些物理性的實驗檢測；（2）土的抗剪能力、壓縮系數等力學標準的檢測。以上實驗操作運用于教學中時，其優勢為操作性強、實驗用時較短，而缺點就是內容單調、老套、與目前實際中工程項目建設聯系性小，對現代化社會科技的進步沒有體現，所以，不益于同學們綜合素質的提升，如同學們的動手操作能力、自主分析能力、排除問題的能力。跟嚴重的，甚至因為課上時間太短故意縮短實驗的時長，很多實驗減少了觀察時間、減少了實驗的步驟、或者在上課以前老師先操作了幾個步驟，從而降低實驗課的教學成效。

3.2 實驗教學手段單一

通常情況下的實驗教學流程為：老師預先進行總結講解實驗的內容、實驗的方法、實驗的要求，在進行操控的關鍵點的講解時，在進行相關的實驗操作；接著把同學們進行分組，一般3～4人為一組，由組內人員進行合作依照實驗指導書中的步驟，實行實驗的操作、數據記載、式樣制備；然后同學們依照相關標準填寫實驗報告，在進行實驗操作的過程中老師應進行指導。一般來講這種實驗課程，使得一些同學就是不事先做預習準備也能夠完成實驗操作。在進行實驗期間，有很多同學只能作為旁觀者進行觀察，只有少部分同學進行了實驗的操作，這時旁觀的學生只能用其他學生的數據來完成實驗報告，更有甚者直接全套搬來使用。

4 土木工程類土力學實驗教學的探討

4.1 改變教學模式

在過去的教授方式中主要采取的是演示法，就是由老師來進行演示學生則在旁觀測，主要是以老師的教授為重點，而現在需要進行觀點的轉換，應該以同學們的學作為重點。老師在進行實驗課程以前需要先為學生安排預習的任務，認識到實驗的目的、意義和基礎內容；在課上進行教授時需應用引領式與啟迪式教學，以此強化同學們的動手能力和自主探索的能力；待到實驗完成以后，教師應當引導同學們對實驗所得訊息實施整合、分析，同時綜合有關工程情況寫出結論。在進行實驗之前，老師應當選取重點問題對同學們提問，啟發同學們進行思索，提示同學們在進行實驗時需要注意那些關鍵點。在進行實驗期間能夠分組實施探討，對于實驗的表象說說自身的想法，指引同學們進行自主思索，如果同學們說出了錯誤的觀點，老師需要做的就是引領同學進行深入、細致的思索，從而得出正確的結論，如此不但能夠提升同學們對實驗課程的學習興趣，同時將同學們的學習方式由被動轉換為主動，提升了學習的效率。

4.2 完善實驗教學內容，增加實驗教學種類

通常來講可以將土力學實驗教學內容分為3大類：驗證性、綜合性、設計性。驗證性的實驗重點在于提升同學們對土工儀器的操控技能，同時提高對理論要點的認識和了解；綜合性實驗通常是由幾項單獨的實驗組合而成，同學們在精通土工儀器的操作方式后，可以受到整體的鍛煉，把重點知識進行鏈接，對部分難點重點實行更為深刻的探究；設計性實驗則需要同學們不但精通儀器的操作，還需要對相關理論知識有著細致化的了解，可以自主的進行一整套實驗的設計，同時能夠通過實際操作來進行證明。當前，土力學實驗教學模式大都為驗證性實驗，為了使同學們的全面技能能夠達標于工程教育專業認證的要求，該次實驗教學特將綜合性與設計性實驗添加進來。試驗的情況如表1。

表1 試驗內容

其間綜合性實驗關于土的工程項目歸類，同學們必須依照土的顆粒形式再綜合使用級配、液性和塑性指數情況，再配合相關標準對土實施分類與名字確定。其中級配實驗與液塑實驗屬于驗證型實驗不會提高學時，在驗證性實驗中所得的土的信息數據可以有效運用到綜合性實驗中，使得土性數據不單單是不同的個體，實現了綜合知識的目標。設計性實驗的重要性在于能夠培養學生獨立自主的進行實驗的創設，提升其對科研工作的創新意識和興趣。本校在各個學年中均會舉行本科生科技創新大賽，同學們可以自主選擇題目，在實驗室老師的指點中運用設計性實驗進行課題的研究。

4.3 實驗教學與可視化教學融合

通過將實驗與可視化兩類方式進行綜合運用，不但能夠提高科研的水準，還能夠提升教學的成效。大學老師根據有關的科研范疇著重于學科先進情況，同時進行實踐。在進行教學的過程中，還能夠把其帶入教學課程中，使得同學們能夠有效的知曉學習的課業所在的領域，提升對課業的了解和把握，也提高了對科研的興趣。此方式還能夠運用到土木工程專業的課程和研究中，例如Hajialilue-Bonab等人研究制作了一組小型的物力模型實驗裝備，該試驗需要在松軟的沙土上實施水平荷載下的樁與土互相作用實驗。在通過水平方向增加載樁期間，需要在同一時間內在側邊與模型的頂端為數字圖像拍照。然后利用粒子圖片測速（PIV）這類直觀的方式，通過數字圖片來取得樁周砂土的形變與應變。通過PIV的解析，將擁有圓錐形狀的三維應變楔實行繪圖，將應變楔的方程推翻，同時經過應力-應變極限平衡解析得出了樁的側邊荷載情況。按照具有差異性的裝土特征預算出各個樁的側邊承重強度。運用以上實驗和直觀性綜合的方式，能夠實現科研帶動教學，同時提升同學們的學習積極性。

4.4 改革效果評價

經過對土力學實驗教學進行創新和優化，在很大程度上提升了同學們學習的自主性，同時也轉變了同學們以往的（重理論輕實驗）的想法，改為對實驗和理論同樣重視的效果，同學們對工程的理解有了更好的提升，實驗教學收效也有了很大進步，同時調動起了同學們對科研探求的熱情，目前每個學年均有12到16名同學參加土力學創作實驗，同學們的綜合應用實力與創新的實力均有了明顯的提升，為教育具有創新能力的人才奠定了基礎。

5 結束語

現在應用型人才的發展需要越來越提高學生的自主創新能力，新的土力學實驗課程應該提高學生的學習興趣，提高學生的實踐能力，加深學生對土力學實驗工程應用意義的理解。隨著土力學系的發展，土力學的實驗課程改革也將不斷改善。