土力學實驗課程改革綜述

陳思琴　文思思　湯盈盈　羅蕊　石帥

【摘 要】土力學是一門綜合性、實用性較強的學科。教學實踐表明，其實驗教學環節能激發學生對土力學課程的學習興趣，加深學生對理論知識的掌握以及培養學生動手實踐的能力。文章基于土力學實驗課程的重要性，分析了實驗課程教學過程中實驗內容設置、教學方式、考核手段等存在的問題，針對所存在的問題列舉了目前實驗課程改革的方法，并進行了優缺點比較。為各高校土力學實驗課程改革提供參考。

【關鍵詞】土力學; 實驗; 改革

【中圖分類號】G642.0【文獻標志碼】A

1 土力學實驗課程的重要性

土力學是土木工程專業的基礎必修課，作為一門理論與實踐緊密結合的課程，土力學的許多基本概念和原理都建立在土力學實驗基礎之上。可見，土力學實驗的教學效果直接影響著學生對土力學課程的理解，進而關系到其他以土力學為基礎的專業課程（如地基基礎、地質工程）的教學質量。土力學實驗的教學，不僅傳授給學生實踐操作，鞏固其所學的理論知識，還有助于激發學生對土力學的學習興趣，有助于培養學生探索精神和創新意識，實現學生知識、能力、素質的協調發展，為后期學習打下堅實的基礎。每個土力學實驗都來源于實際的工程項目，相關知識可直接用于工程的勘察、設計和施工，實驗的精確程度將直接影響工程的質量。土力學實驗的教學，有助于培養學生分析、解決工程實際問題的能力，樹立力求準確的工程意識[1-2]。

土力學實驗課程的重要性不言而喻，但目前仍存在著諸多問題。因此，文章第二部分總結出目前土力學實驗課程所存在的典型問題，第三部分基于土力學試驗課程現狀，列舉了五個實驗課程的創新改革方法，并進行了優缺點分析。

2 土力學實驗課程現狀

根據近年來的實驗教學情況，土力學實驗課程在整個土力學教學過程中占據著越來越重要的地位，在周莉[3]和湯勁松[4]的文章中均有提及土力學實驗內容改革在培養高素質土建類特色應用型人才方面的必要性和重要性。但是，在其教學過程中仍存在著尤為典型的問題：

（1）土力學實驗中驗證性、單科性的實驗較多[3]，其實驗內容相較于工程實際中的情況太過單薄，且實驗教學內容設置不連貫，導致學生難以理解實驗原理在工程實際中的具體應用，從而出現學生覺得實驗太過于抽象、不好理解等情況。

（2）在進行實驗教學時，教師大多采用“教師演示示范，學生組隊模仿”的教學模式。這種教學模式在一定程度上降低了部分學生的自主動手和在實際操作中解決問題的能力，不利于這部分學生借助實驗更加深刻地理解某些原理并提高其綜合分析能力。

（3）由于大多數高校在實驗器材的儲備上尚有不足，負責土力學實驗教學的老師數量有限，土力學實驗具有實驗時間持續較長和場地的限制等原因，導致不能保證每一個學生都可以單獨完成一個實驗。且考核方式太過單一，對學生在實驗操作中的完成情況不能準確評估，容易導致學生產生對實驗課產生不重視的情況，使實際教學效果較之預期大打折扣。

3 針對實驗教學改革的創新方法及優缺點比較

3.1 虛擬仿真系統教學

虛擬仿真技術是借助計算機生成虛擬系統來模仿另一個真實物理系統的技術。虛擬仿真實驗系統就是基于PC端虛擬仿真技術，根據真實的實驗室標準布局搭建模型，使得學生可以通過虛擬仿真系統進行交互式操作對各種儀器進行控制，進而完成實驗流程，見圖1。

（華僑大學土木工程虛擬仿真實驗教學平臺）

通過這種以標準實驗室布局搭建的虛擬仿真系統，不僅可以緩解現在大多數高校普遍存在的實驗儀器不足的問題，對于學生在實驗課學習方面更是大有裨益：

（1） 虛擬實驗系統可以顯著提高學生的學習效率。相較于傳統的土力學實驗教學方法，該系統可以保證每個學生都能獨立完整地完成實驗，避免了因為受到實驗器材數量有限而導致出現部分成員未積極參與實驗的情況[5]。

（2）可以節省實驗時間。土力學實驗常使用加荷載等手段進行，導致實驗具有很長的操作流程，使用虛擬實驗系統可以真實模擬出荷載效應的時效性，通過簡化實驗步驟達到節省時間的目的。

（3）增強實驗的可視性[6]，使抽象的實驗過程更加直觀。采用虛擬實驗系統可以全方位觀察實驗的整個流程，對于微觀變化可以通過力學傳感器更新的即時數據、試樣在實驗過程中的變形情況等來進行直接觀察。

（4）操作簡便。虛擬仿真實驗系統通過交互式操作簡化了實驗過程中的操作步驟，使實驗流程更有條理性[6]。

雖然虛擬仿真試驗系統在一定程度上能給學生提供便利，但其仍存在著一些不足之處：

（1）虛擬仿真試驗系統的操作選項為程序設定的固定搭配，操作時學生只需跟隨指示點擊，導致實驗過程較為枯燥且不利于學生自主思考實驗過程各步驟間存在的邏輯關系。

（2）虛擬仿真系統的實驗太過于理想化。現實中的實驗操作中往往伴隨著各種誤差，包括儀器帶來的誤差，實驗人員的操作誤差等，使用虛擬仿真實驗系統在某些方面降低了實驗難度，學生在真實進行實驗時可能缺乏對突發狀況的分析和處理能力[5]。

3.2 工程案例教學法

工程案例教學法是將實際工程案例引入實驗教學環節的教學法。基于實驗教學大綱所要求的內容，教師在課前搜集相關工程實例的資料，設計出具有針對性和知識性的工程案例;各實驗小組在課堂上設計出實驗方案，在教師的引導下進行討論和方案優化。小組成員應按照實驗方案測定所需要的數據參數，解決實際的工程問題;教師在課后根據各小組實驗方案的可行性和測量參數的準確性進行整體評價[7]。

工程案例教學法以學生為課程主體，以案例為實驗平臺，具有以下優點：

（1）在解決工程問題的過程中，學生作為主體，調動了學生的主觀能動性，培養了學生分析問題、解決問題和主動學習的能力，促進素質教育和創新型人才培養[6]。

（2）典型工程案例把各個土力學實驗緊密聯系起來，讓學生能系統地理解各個參數之間的關系，鍛煉了學生的綜合思維能力[6]。

（3）增加學生接觸工程實例的機會，培養學生的工程能力，讓學生了解所做的實驗在實際工程中的具體應用，更好地理解土力學的理論知識和實驗的實際意義[7]。

該法比傳統教學法復雜，故在實施階段中存在部分局限性：

（1）耗費時間多。因為引入工程案例，所以該教學法的課前準備和課堂實施階段比傳統教學法更耗費時間。

（2）對教師的要求較高。教師需要課前準備典型工程案例，這要求教師有扎實的理論基礎和豐富的工程經驗。

（3）實驗效率不高。該教學法以教師的有效引導和學生的積極參與為前提，這兩方面不容易同時滿足，所以影響實驗效率[7]。

（4）需要出臺配套的實驗考核標準。傳統教學法以學生的出勤率和書面實驗報告為考核依據，但該教學法還需要考慮小組成員的內部分工和理論知識在工程案例中的運用程度等因素。

3.3 誤差分析教學法

誤差分析教學法即對由于學生的操作、儀器、實驗時間和環境的差異，所造成的各種各樣的實驗誤差通過誤差預判、過程控制、問題導引和誤差設計等手段進行系統分析[7]。此教學法需要學生在實驗前了解實驗原理、掌握實驗步驟、以設計者的角度進行誤差預判、減少錯誤操作;在實驗中注重實驗條件控制、正確地操作及記錄、盡可能獲取準確的實驗數據;實驗操作結束后對實驗數據進行剖析，并在老師設定的實驗誤差環境中對每一個誤差原因進行針對性的分析，從而驗證各種可能造成實驗誤差的因素并掌握整個實驗。

此方法適用于土力學所有實驗。相對傳統教學方法，該法有著以下優點：

（1）通過誤差分析教學可以減少學生對老師的依賴性，調動學生做實驗的積極性與能動性，有利于學生對實驗本質和原理的充分認識，可以改善學生對實驗暫時性記憶的情況。

（2）誤差預判和實驗過程的控制，強調學生實驗前充分預習準備，重視實驗步驟并熟知實驗過程，可有效提高實驗成功的可能性。

（3）誤差數據的設計激發學生對各種參數信息進行對比和思考，并得出各種因素對實驗結果的影響，相比實驗操作更能培養學生思維能力、問題分析能力。

（4）誤差教學可以改變傳統實驗操作環節流于形式、效率低下的弊端，改變學生做實驗“照葫蘆畫瓢”的本質，培養學生在實驗中求知務實的精神，切實提高學生實驗操作的效率，從而使得土力學教學實現最優化[7]。

誤差分析教學法給實驗課程教學帶來諸多優點的同時，也存在著一定局限性：

（1）老師在課前需要進行充分的實驗準備，設定合理的誤差環境，在課上也需要對學生在誤差分析時進行及時的引導。

（2）學生在實驗前需要花費更多的時間進行實驗預習，對實驗原理和步驟進行充分的了解，實驗時也需要更加重視實驗操作、做到細心精確;在進行誤差分析時也可能需要進行反復的實驗。

（3）某些環境因素導致的實驗誤差無法避免，會干擾學生的誤差分析。

3.4 基于MATLAB的數據處理法

MATLAB是一種高級語言，它集科學計算、自動控制、信號處理、神經網絡、圖像處理于一體，具有極高的編程效率。基于MATLAB的實驗數據處理法即利用MATLAB編寫程序處理實驗所得數據，進而得到各類實驗參數、計算結果以及實驗關系曲線。該法可應用于土力學所有實驗，對土力學實驗所得數據進行處理、并得到相關曲線。

基于MATLAB的數據處理法給土力學實驗的數據處理過程帶來了諸多便利：

（1）使用MATLAB編制和調試程序，實現了試驗數據自動計算、繪圖和分析等過程[9]。

（2）MATLAB軟件實現了實驗數據處理簡單快捷，可彌補手工繪圖誤差大的不足[10]。

（3）不論是將MATLAB作為單一的計算機語言應用還是直接利用MATLAB自身的工具箱，解決土木工程領域的實際問題都是行之有效的，基于MATLAB數學模型測試和仿真都具有方便、簡潔的特點[8]。

（4）基于MATLAB的數據處理法可替代學生手工計算的過程，不僅提高了試驗效率，還使得實驗結果更加精確。

MATLAB處理數據也存在著一定的不足之處：

（1）使用MATLAB處理數據時會存在浮點數誤差，浮點數誤差可能會影響到試驗結果的準確性，進而影響整個土力學實驗。

（2）學生依賴于計算機處理實驗數據后，難免會削弱學生對公式的掌握和靈活運用，容易導致學生只會套用公式而不能真正體會公式來意和含義的結果。

3.5 改進考核機制

土力學實驗是將理論知識與實際操作結合的重要方式之一。實驗考核方式又是檢驗學生學習成果的重要方法之一，但現在很多學校在土力學實驗考核方式上仍有待改進。相較于傳統的考核方式只考慮出勤率和書面實驗報告，改進后的考核方式將考核內容擴展至實驗課出勤率、實驗操作和實驗數據的正確性和準確性、實驗報告的實驗數據分析與處理，并針對每部分的重要程度在考核中占有不同的比例[11]。改進前后對比可知，之前的考核方法存在考核內容單一、考核方式缺少全面化、多樣化等不足。

考核方法對檢驗學生學習效果起到重要的作用，通過改進前后考核方法的對比，可得改進后的考核方式有如下優點：

（1）此考核方式較傳統考核方式更加注重結合理論與實踐應用細節處理，強調學生對土力學實驗的全面掌握、使得土力學實驗考核更加全面、細致，避免了部分學生在實驗過程中濫竽充數、敷衍了事的現狀。

（2）在此考核方式下，學生對待每一個實驗以及實驗的各個環節更加嚴謹。不僅有助于引導學生綜合運用所學知識， 培養學生獨立分析問題和解決問題的能力;還促進學生的核心素養和理論聯系實踐能力的形成。

（3）對教師綜合、客觀地評價每個學生的實際學習效果起到了很好的作用。

但是在考核內容的綜合性方面，改進后的考核方式還有些不足：

（1）改進后的考核內容雖然考慮到了考核質量和效果，但在實驗方案和實驗過程中很難體現學生的創新性。

（2）忽略了學生創新精神的培養，未從根本上激發學生對土力學實驗的熱情，也就不能完全杜絕學生做實驗時敷衍了事的狀態。

4 結束語

許多高校在土力學人才培養方面，不僅要求學生掌握扎實的土力學理論知識，還要保證學生具備較強的動手操作能力與實踐能力，而后一方面能力的培養是通過土力學實驗來獲得的[12]。因此，土力學實驗課程改革越來越被大家重視。文章列舉了五個土力學實驗課程改革方法的優缺點，并進行了比較。

綜上，虛擬仿真系統可作為學生實驗課前的預習工具，不僅提高了學生的實驗效率，還大大減輕了老師實驗課上的負擔;工程案例教學+誤差分析教學法可用于實驗課過程中，通過老師講解相關的工程案例以及學生對誤差來源的詳細分析，提高學生對實驗的積極性以及對整個實驗的掌握程度;基于MATLAB的數據處理法作為學生的實驗數據處理工具，提高實驗效率的同時還保證了實驗數據的正確度;改進考核機制則在課后針對學生對每個實驗的掌握程度進行全面考量，直接促進了學生對實驗課程的重視。

參考文獻

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[定稿日期]2021-01-15

[基金項目]四川省大學生創新創業訓練項目（項目編號：20191063659）

[作者簡介]陳思琴（1999～），女，在讀本科，研究方向為土木實驗教學與研究。