土力學課程教學中的趣味性、啟發性及思政融入型教學實踐

孫曉輝 蘇棟 姬鳳玲

摘要：土力學課程既包含科學原理，又與日常生活、工程實踐密切聯系。如何深入淺出、結合工程實踐開展教學活動至關重要。教師可從日常生活中提煉既有趣味性，又與土力學課程原理相通的事物，通過引導學生觀察和聯想展開課堂教學，從而達到活躍氣氛、提高學生學習專注力的目的。通過開發演示教具，將復雜原理具象化演示，提高教學效率，并發揮土力學課程與思政緊密相連的天然優勢，在課堂中融入歷史文物、重大事件、重大工程等信息，最終達到輕松趣味、具象演示、融入思政的教學效果。

關鍵詞：土力學 ;趣味性;啟發性;課程思政;課程教學

中圖分類號：G640;TU43 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2021）06-0093-08

土力學是土木工程專業本科生的必修專業課程。土力學所解決的主要問題包括土的強度、變形和滲流問題，相關問題在地基基礎、地基處理、擋土結構、邊坡、堤壩等具體工程中均有體現。作為一門貼近工程實踐的課程，該課程充滿了哲學性、科學性、實踐性和趣味性[1]。不少學者在土力學教學中開展了諸多教學改革和創新實踐，力求提升教學效果[2-5]。李廣信指出，土力學教學應重視實踐，包括必選教學實驗、觀摩演示性實驗、研究訓練項目等，引入有新意、有趣味、有深度的實踐教學活動[6]。繆林昌指出，教學中應注重學生學習興趣培養、手腦并用和創造性思維的培養[7]。王安明等總結了趣味性、互動性及實驗環節在土力學教學中的重要性[8]。賀瑞霞等提出土力學教學中應重概念、重理解、重實驗、重案例分析等[9]。姚笑青認為，善于總結教學脈絡、注重啟發性與互動性、增強藝術性與趣味性是教學成功的關鍵[10]。可見，在土力學的教學中注重概念的理解和原理的演示，增加課程教學的趣味性和啟發性得到廣大土力學教育工作者的一致認可。

正如大量學者所描述，土力學與工程實踐結合十分密切，只有將復雜問題簡化才能更加貼近其本質。如何將抽象問題具象化還有待進一步提煉總結。一方面，將現實生活中所遇到的問題與土力學關知識相結合并應用于課堂，以激發學生的學習興趣、活躍課堂氣氛，寓教于樂;另一方面，對于一些較為抽象、難以直觀感受的原理，可通過特殊設計但又簡單易懂的教具展示，將復雜原理具象化，使學生在直觀感受中體會科學原理，加深對原理的理解，并形成持久印象。此外，土力學課程天然具有眾多思政素材，并且與我國眾多歷史文物、重大工程、重大事件緊密相連，在教學中適當引入思政案例不僅可以激發學生的愛國熱情，而且還可加深學生對于相關知識的理解。

一、源于生活的趣味性

土力學作為與工程實踐密切結合的課程，相關原理或知識點可在現實生活中常見事物的基礎上進行形象化描述，以增強課堂教學的趣味性和啟發性。

（一）土基本概念中的趣味性

在描述土的基本結構時（包括單粒結構、絮狀結構和蜂窩結構等），如圖1所示，對土的基本結構進行具象化聯想教學。通過引入形象化的彩色卵石說明土的單粒結構，如圖1（a）所示。通過引入生活中常見的玉石手鏈描述土的絮狀結構，如圖1（b）所示;多層絮狀結構相互疊加最終形成類似蜂窩結構，如圖1（c）所示。

再如，在描述土顆粒的具體形狀參數時，有球形度和磨圓度兩個基本概念，如圖2所示。其中，球形度是指顆粒形貌接近球體的程度，磨圓度是指顆粒在搬運過程中經沖刷、滾動、撞擊等，棱角被磨圓的程度。在教學中采用學生最為熟悉的荔枝品種（桂味和糯米糍）進行描述。其中，桂味品種的荔枝更圓，但表面刺尖更加尖銳，說明其球形度更高，磨圓度不高。而糯米糍品種的荔枝更長更扁，但表面的凸起較為圓潤，因此，其球形度不高而磨圓度更高。通過舉例加深了學生對土顆粒具體形狀的認識，活躍了課堂氣氛，課堂教學效果甚佳。

又如，土的比表面積概念，其定義為單位質量的物體的總表面積。它決定著土的吸附性能。以單個西瓜為例，其表面積為整個外表面積，而在切成小塊之后，在總重量不變的情況下，其總表面積大幅增加。可見，土顆粒粒徑越小，其比表面積越大。

（二）正常固結土和超固結土的區別

正常固結土是指其歷史上所受的最大固結應力，即為當前所承受的固結應力的土體。超固結土是指歷史上所承受的固結應力大于當前固結應力的土體。兩者的差別在于，超固結土受到過較大的固結應力，然后有卸載過程，相對于正常固結土，超固結土的孔隙比更小，強度、壓縮模量等可能更高。為幫助理解相關概念，以嫩豆腐和豆腐皮為例，進行趣味聯想比較，如圖4所示。嫩豆腐歷史上所受的固結應力即為（或接近）其當前自重應力，因此，含水量較高、孔隙較大，表現出強度較低的特性。而豆腐皮在制作過程中，經歷了高壓作用，豆腐中水分被擠出（可看作是排水過程），造成顆粒排列更加緊密，孔隙比大幅降低。相對而言，豆腐皮更加有嚼勁，說明豆腐皮的抗剪強度更高。且對其進一步擠壓，相對于嫩豆腐，較難產生更大的變形，說明其壓縮性更低。如此，在教學中，正常固結土和超固結土的區別和主要特征更加通俗易懂。

（三）剪縮和剪脹的輔助理解

土體剪切過程中會發生體積變化，即所謂土的剪脹性。土的剪脹性實質上是由于剪應力引起土顆粒間相互位置和排列發生變化，從而使顆粒間的孔隙加大（或減小），最終導致體積變化。在授課過程中，筆者以兩個拳頭相對，骨頭凸起部分（簡稱骨凸）代表土顆粒，如圖5所示。在初始剪切階段，若在排列最緊密時，骨凸之間犬牙交錯，無縫隙，代表土顆粒處于最緊密狀態，此時孔隙比最小。當骨凸錯動時，代表剪切過程中發生了土顆粒排列變化，導致顆粒間孔隙增大，體積發生膨脹，即為剪脹現象。而若初始階段為孔隙最大的狀態時，即骨凸一一對應，代表土的疏松狀態。在剪切作用下，骨凸發生錯動，導致孔隙減小，發生剪縮現象。

需要指出的是，在排水條件下，上述剪脹、剪縮體積確實發生了變化，因為孔隙的變化可迅速被外部的水充滿或將孔隙中的水排出，而對于不排水條件，由于體積沒有發生變化，所謂的剪脹和剪縮則成了一種體積變化趨勢，而非真正的體積變化。在剪脹趨勢下，孔隙具有增大的趨勢，而其內部所充滿的水體積無法膨脹，即產生負的孔隙水壓力來克服這種體脹趨勢所帶來的拉應力。而在剪縮趨勢下，孔隙具有縮小的趨勢，而其內部充滿水無法被壓縮，則對孔隙水產生正的壓力。

經過上述趣味性解讀，學生瞬間理解了剪脹性的內涵，以及其對土體內部孔隙水壓力的影響。此外，鼓勵學生在課堂上積極參與試驗，形成師生之間的積極互動。

二、復雜原理的啟發式具象演示

在土力學教學中，借助簡單教具將科學原理淺顯易懂地進行演示對于提升教學效果具有重要的作用。筆者通過制作一系列教具，將土的滲流作用、土工合成材料加筋作用、成層地基沉降等難以直觀解釋的原理通過教具進行直觀演示，達到輔助教學的目的。

（一）滲流、液化的具象演示

由于滲流的存在，地基土中的有效應力、孔隙水壓力將發生變化。具體而言，垂直向上的滲流將導致土中孔隙水壓力增大，有效應力降低甚至消失，達到一種液化狀態，從而不再具有承載建筑物的能力。本教具為直徑0.2 m的填滿砂的有機玻璃柱，主要用于模擬地層，其下方留有與水龍頭相連的水管接口。當水龍頭打開時，可在砂層中產生向上的滲流。砂中埋設一根直徑為1 cm的鋼棒，用于模擬建筑物的樁基，如圖6所示。

當無滲流作用時，如圖6（b）所示，學生可觀察到鋼棒穩穩立在砂中，用手下壓時，難以將其壓入。這說明樁基具有一定的承載力，主要來自側壁的摩擦和端部的阻力。當滲流存在時，如圖6（c）所示，滲流力抵消了砂的有效應力，使地層處于一種液化狀態，導致內部承載力喪失，鋼棒輕易陷入砂中，以此模擬建筑物的破壞過程，從而向學生展示滲流作用帶來的巨大危害。在演示過程中，可對相關知識點進行詳細講解。

（二）加筋作用的演示

土工合成材料加筋墊層是一種常見的巖土體加固手段，其原理在于通過對巖土體施加側向約束作用，從而提升土體的抗變形能力。但這種作用難以直觀描述，學生們無法獲得直觀體驗。通過制作四壁可開合的立方體模具，填筑土體，形成試樣進行加筋作用演示，如圖7所示。其中圖7（a）試樣中間加入兩層土工格柵，圖7（b）試樣中間加入兩層土工布，圖7（c）試樣不加筋，然后讓學生們站立在巖土體頂部，并撤掉四周擋板。對于不加筋的試樣圖7（c），當擋板被撤掉后，巖土體隨即垮塌，表明其無法承載一個人的體重。而對于加入土工格柵的試驗，當擋板撤掉后，土塊仍然直立，可承受一個人的重量且不垮塌，說明土工格柵對土體施加了側向約束作用，提高了土體的總體剛度，以此直觀清晰地說表明加筋的作用。

（三）層狀地基變形性能演示

成層地基的沉降量與各層地基的彈性模量分布有密切關系。對于垂直方向上，不同模量的地層分布對地基變形量的影響如何，學生難以有直觀感受，為此，研制如圖8所示教具，可通過采用不同硬度的材料模擬不同類型的地層。在上部施加相同荷載后，觀察不同模量分布的地層變形。而在實際教具演示下，可明顯看到當模量較高的土層處于上方時，整個土層沉降更小。考慮極端情況，將模量最低的土層放置在最表層，則得到最大沉降。相反，將模量大的土層放置在最表層，則得到最小沉降。表明當模量大的土層靠近表層，則可更大幅度承受外荷載，土層的壓縮沉降量更小。其主要原因為土中應力自上而下逐漸降低，模量更高的土層更靠上時可抵抗更大的應力，從而使壓縮變形量更小。

三、思政素材的融入

（一）中國歷史文化融入

土力學課程教學可與中國歷史文化緊密聯系。如：黏土礦物由多種礦物成分組成，包括高嶺石、伊利石、蒙脫石。如果僅僅將三種枯燥的礦物名稱告訴學生，很難在學生的腦海中留下深刻印象，而將這三種主要黏土礦物與地名聯系起來，則可大幅提高學生的興趣。除了伊利石和蒙脫石均為美國地名外，高嶺石因最早發現于中國江西景德鎮附近的高嶺村而得名，如圖9所示。高嶺土作為一種制瓷原料，有力地支撐了我國古代景德鎮制瓷手工業的發展壯大。從教學效果看，學生對此種教學方式產生了濃厚興趣，極大地激發了民族自豪感。

在講述由于土體變形，地基發生不均勻沉降引發工程問題時，引入中國大量的古建筑保護案例來闡述此類問題發生的原因及其解決方案。例如：著名的虎丘塔、大雁塔等中國古建筑（如圖10所示），由于地下水開采、地基土厚薄不均等，導致地基不均勻沉降，從而引發塔體傾斜，這些都是典型的土體變形問題。在此，可從虎丘塔和大雁塔等著名古建筑的建造年代和歷史淵源切入，體會古人智慧的結晶，培養學生對中國歷史與文化的自豪感，增強民族自信心。

（二）以重大事跡為素材

管涌是滲透破壞的一種，也是堤壩潰決的主要原因之一。其發生機理主要在于土中的細顆粒在粗顆粒形成的孔隙通道中被滲透水流帶出，從而造成孔洞越來越大，最終發生潰壩。管涌作為一種漸進性的破壞形式，其發生的主要機理有兩個方面：一是水力坡降的存在，此為外部原因;二是土顆粒自身的不均勻性，導致細顆粒可以從粗顆粒的孔隙中被帶出。在教學中，引用抗洪搶險中解放軍戰士采用的“養水盆”方式進行管涌對抗舉例，如圖11所示。當堤壩外側有水流滲出并伴有細顆粒外冒時，可認為有發生管涌的前兆，需要立刻采取措施。此時，向學生明確指出，在無法快速改變壩體土顆粒自身性質的前提下，可通過“養水盆”的方式快速改變滲流水力坡降的大小。以抗洪搶險舉例，在學習專業知識的同時使學生更加全面了解我國以人民生命、財產安全為中心的搶險救災安排部署，深切感受解放軍戰士的偉大，從而厚植愛國情懷，增強學生對社會主義優越性的認同。

（三）以重大工程為背景開展教學

土力學相關知識點均可與我國重大工程建立聯系，如港珠澳大橋、高鐵網絡、三峽工程等，包含眾多與土力學直接相關的知識。基于此類重大工程背景，可進行包括水位升降引起滑坡、地基壓縮沉降、邊坡錨固等知識要點的講解。

（四）樹立正確的價值觀和工程倫理

巖土工程中隱蔽性的地下工程居多，從業工程人員必須堅守工程質量底線，樹立正確的人生觀和價值觀。因此，在土力學教學中，應結合相關工程事故，講述問題產生機理，并警示學生筑牢安全意識和職業道德底線，從而達到工程倫理教育的目的。

四、結語

土力學課程特點鮮明，盡管理論抽象，但較為貼近實際工程和生活，有天然的趣味性、啟發性特點，具有良好的思政教學基礎，因此，可在課堂上形成有效互動，促使學生集中注意力、提高理解力，最終達到提高教學效果的目的。

（1）通過將趣味性十足的土的基本性質融入教學中，促使學生快速理解概念，加深印象，避免死記硬背。同時，教師要善于聯想，善于從日常生活中挖掘既有趣味性又與土力學教學密切聯系的例子，并融入教學中。

（2）通過直觀、淺顯的教具演示和啟發，展示難以表述的土的滲流作用、加筋作用和成層土的沉降變形特征。在未來教學中，教師仍需精心構思，抓住主要矛盾，制作更多易于操作且可將復雜原理直接、直觀演示的教具。

（3）土力學課程與思政聯系緊密，不僅可將中國豐富的歷史文化融入課堂，而且還可從現代超級工程及搶險事跡中挖掘思政元素，在闡述專業知識的同時，厚植家國情懷，培養學生的愛國熱情。與此同時，在土力學課程中開展工程倫理教學，引導學生樹立正確的價值觀。

參考文獻：

[1]李廣信.巖土工程 50 講——巖壇漫話[M].2版.北京：人民交通出版社，2010.

[2]程建軍.“土力學”課程思政教學實踐外延與內涵探索[J].兵團教育學院學報，2020，30（5）：25-28.

[3]代國忠，史貴才，吳曉楓.“土力學與基礎工程”課程建設與教學改革探索[J].長春理工大學學報（社會科學版），2009，22（6）：1028-1030.

[4]王偉，陶菲菲，盧廷浩，等.啟發式教學在土力學教學中的應用[J].高等建筑教育，2008，17（5）：83-86.

[5]陳福全.土力學課程創新性教學的幾點思考[J].理工高教研究，2005，24（1）：85-86;93.

[6]李廣信，呂禾，張建紅.土力學課程中的實踐教學[J].實驗技術與管理，2006，23（12）：13-14;23.

[7]繆林昌，經緋，邵俐.大土木工程類土力學教學改革思考與實踐[J].東南大學學報（哲學社會科學版），2009，11（S1）：255-257.

[8]王安明，李小根，姜彤，等.土力學課程教學改革與實踐[J].華北水利水電學院學報社科版， 2009， 25（4）：100-102.

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

[10]姚笑青.土力學課程特點與課堂教學方法探討[J].高等建筑教育，2007，16（4）：81-85.

Abstract： The course of soil mechanics not only contains in-depth scientific principles， but also closely relates to daily life and engineering practice. It is important to combine the teaching with engineering practice. In fact， on the premise of being good at observation and association， teaching staff can extract interesting things from daily life through observation， so as to activate the atmosphere and improve students’ concentration. And through the development of teaching aids， the complex mechanism can be demonstrated concretely， so as to improve the teaching efficiency. We should take advantage of the natural advantages of the close connection between soil mechanics and ideological and political education， and integrate historical relics， major events and major projects into the classroom. Finally， it can achieve the teaching effect of relaxed and interesting， concrete demonstration and integration into ideological and political education.

Key words： soil mechanics; interesting; enlightening; curriculum ideological and political education; course teaching

（責任編輯 梁遠華）

3850500589200