基于PBL模式的“土力學(xué)”課程教學(xué)探索與實(shí)踐

賀敏 滕珂 歐蔓麗 吳晶晶 徐卓君

摘要為滿足高校創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求，將PBL教學(xué)模式引入“土力學(xué)”課程教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。文章分析了“土力學(xué)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀，闡述了PBL教學(xué)模式結(jié)合實(shí)際工程案例在土力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用，并以實(shí)際工程案例詳細(xì)設(shè)計(jì)了教學(xué)實(shí)踐全過程，以期為PBL教學(xué)模式在土力學(xué)課程中的應(yīng)用提供一定借鑒與指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 土力學(xué)；PBL模式；工程案例；實(shí)踐能力；創(chuàng)新能力

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.12.046

PBL（Problem-Based Learning，簡稱PBL）學(xué)習(xí)法，也稱問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)法，于1969年由美國神經(jīng)病學(xué)教授Barrow首創(chuàng)。與傳統(tǒng)的以教師講授為主的教學(xué)方法不同，PBL學(xué)習(xí)模式是以問題為基礎(chǔ)，以學(xué)生為主體，以教師為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方法，其目標(biāo)是以學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)與構(gòu)建知識體系，培養(yǎng)學(xué)生主觀能動(dòng)性和自主解決實(shí)際問題的能力。PBL學(xué)習(xí)法更有利于高校創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，更符合我國高校人才培養(yǎng)體系的構(gòu)建目標(biāo)。

楊光等[1]基于PBL模式針對“土木工程地質(zhì)”課程進(jìn)行了教學(xué)改革，并以邊坡工程地質(zhì)問題為例進(jìn)行了教學(xué)案例設(shè)計(jì)；吳晶晶等[2]將PBL教學(xué)模式引入“市政工程計(jì)量與計(jì)價(jià)”課程教學(xué)中，并以道路施工圖識讀教學(xué)為例進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)；劉彬等[3]將PBL模式應(yīng)用于地學(xué)專業(yè)本科學(xué)生“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃”的實(shí)踐中，培養(yǎng)了學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力，效果良好；陳紅梅等[4]將PBL教學(xué)模式引入“有機(jī)化學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)踐教學(xué)過程中，產(chǎn)生了良好的教學(xué)效果。目前，PBL模式在土力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用還較少，璩繼立等[5]提出了將PBL法引入“土力學(xué)”課程教學(xué)的具體實(shí)施步驟。

1“土力學(xué)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“土力學(xué)”課程是研究土的物理力學(xué)性質(zhì)的一門學(xué)科，是力學(xué)的一個(gè)分支，是為土木、地質(zhì)、水利、交通等工程類專業(yè)本科生開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課，其理論性、綜合性和實(shí)踐性均較強(qiáng)。文章以湖南工業(yè)大學(xué)（以下簡稱“我校”）土木工程專業(yè)為例，“大學(xué)物理”“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”“工程地質(zhì)”等是其選修課程，其后修課程為“基礎(chǔ)工程”“邊坡與基坑工程”“隧道工程”等專業(yè)課程，“土力學(xué)”課程良好的學(xué)習(xí)效果能為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

“土力學(xué)”課程以土的滲流、變形和強(qiáng)度為三條主線，通過學(xué)習(xí)土的物理力學(xué)性質(zhì)和工程特征，使學(xué)生充分掌握并熟練提出、分析和解決實(shí)際工程中與土體相關(guān)的滲流、變形和強(qiáng)度等工程問題[6]。目前，我國本科階段針對土體滲流、變形和強(qiáng)度的理論體系均基于大量的假設(shè)條件，且存在大量基于實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算公式，學(xué)生理解時(shí)會(huì)覺得抽象和模糊，且據(jù)此建立的應(yīng)用于解決工程問題的計(jì)算方法與實(shí)際或真實(shí)的計(jì)算相差明顯，具有較大的計(jì)算誤差。這些都加大了課程的學(xué)習(xí)難度。

此外，我校“土力學(xué)”課程課時(shí)少，且仍采用單一的傳統(tǒng)教學(xué)模式，教師的主要任務(wù)是傳授理論知識點(diǎn)，學(xué)生的主要任務(wù)為學(xué)習(xí)理論知識、完成考試。教學(xué)過程普遍采用課堂面授+課后作業(yè)的模式，課堂面授大多為教師主講和學(xué)生被動(dòng)接受知識的形式，整個(gè)教學(xué)過程為“填鴨式”教學(xué)。從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容與方法及考核體系均忽略或淡化了學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，無法支撐一名合格的工程技術(shù)人員所需的知識和能力儲備，這與國家和行業(yè)所需的應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求還相差甚遠(yuǎn)。

本文以湖南工業(yè)大學(xué)土木工程專業(yè)“土力學(xué)”課程教學(xué)為例。基于PBL教學(xué)法，根據(jù)“土力學(xué)”課程特點(diǎn)，從實(shí)際工程案例入手引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，探索適用于地方院校本科生的教學(xué)模式，以期為其他院校的“土力學(xué)”教學(xué)模式提供借鑒和參考。

2 PBL模式在課程中的應(yīng)用

基于創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求，將PBL教學(xué)模式引入“土力學(xué)”課程，有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式和實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決實(shí)際工程問題的能力，更好地銜接學(xué)生畢業(yè)后的入職要求。

“土力學(xué)”課程的理論性、綜合性和實(shí)踐性均較強(qiáng)，課程知識體系與知識構(gòu)架成熟，知識點(diǎn)清晰，各知識點(diǎn)的聯(lián)系緊密，系統(tǒng)性強(qiáng)，教師在教學(xué)過程中需強(qiáng)調(diào)土力學(xué)解決實(shí)際問題的實(shí)用性功能[7]，建立課程知識點(diǎn)的宏觀框架，基于問題導(dǎo)向模式適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，自主構(gòu)建知識體系，可幫助學(xué)生較好地理解和掌握課程教學(xué)內(nèi)容。

此外，“土力學(xué)”是半理論性和半實(shí)踐性課程，一方面要求學(xué)生較好地掌握土的物理與力學(xué)性質(zhì)的理論知識，另一方面，要求學(xué)生靈活運(yùn)用理論知識解決具體的工程問題。因此，可以從實(shí)際工程案例出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生從理論知識逐步深入實(shí)際工程問題。

課前可引入工程實(shí)際案例，提出相關(guān)問題，要求學(xué)生自主預(yù)習(xí)，通過互聯(lián)網(wǎng)資源，搜集工程案例相關(guān)資料，初步了解相關(guān)知識點(diǎn)；課中可播放事故發(fā)生的相關(guān)視頻和圖片，通過問題導(dǎo)向模式，采用學(xué)習(xí)通APP搶答形式，給予學(xué)生過程性考核加分，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性；通過學(xué)習(xí)通平臺發(fā)布課堂練習(xí)和課后作業(yè)，客觀題由學(xué)習(xí)通平臺批閱，主觀題要求學(xué)生進(jìn)行生生互評（評分計(jì)入過程性考核），學(xué)生間可以交流不同觀點(diǎn)；同時(shí)，在討論板塊發(fā)布主題，學(xué)生在討論板塊發(fā)表觀點(diǎn)跟帖，給予過程性考核加分。

3 PBL模式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

PBL教學(xué)模式的關(guān)鍵在于以學(xué)生為中心，針對教學(xué)知識點(diǎn)提煉合適的問題來引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。“土力學(xué)”課程以土的滲流、變形和強(qiáng)度為三條主線，通過學(xué)習(xí)土的物理力學(xué)性質(zhì)和工程特征，使學(xué)生充分掌握并熟練提出、分析和解決實(shí)際工程中與土體相關(guān)的滲流、變形和強(qiáng)度等工程問題。本文以“土的滲透性”“土的壓縮性”和“邊坡穩(wěn)定性”三個(gè)工程案例為例具體闡述PBL模式教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐過程。

3.1土的滲透性

在講授“土的滲透性”教學(xué)內(nèi)容時(shí)，引入案例“1998年九江大堤潰堤決口事件”，調(diào)研“事故發(fā)生的原因”“事故產(chǎn)生的損失”“如何有效防治？”引導(dǎo)學(xué)生初步了解地基土體的滲透性，分階段設(shè)計(jì)問題如下。

課前預(yù)習(xí)問題設(shè)計(jì)：搜集相關(guān)資料，調(diào)研1998年九江大堤潰堤決口事件，探究事故發(fā)生的過程和原因。讓學(xué)生初步了解土的滲透性，分小組搜集資料，并在課堂中口頭匯報(bào)調(diào)研結(jié)果（過程性考核加分）。

課中講授問題設(shè)計(jì)（學(xué)習(xí)通APP搶答，過程性考核加分）：問：為什么土體具有滲透性？答：由于土體是碎散的非連續(xù)介質(zhì)，具有孔隙。問：土體發(fā)生滲透的條件是什么？答：具有一定的水頭差，即勢能。問：土的滲透性對于上游和下游的土體會(huì)產(chǎn)生什么影響？答：上游有利，下游不利。問：如果水頭差過大，對于下游的土體會(huì)產(chǎn)生什么影響？答：發(fā)生滲透變形。教師據(jù)此引出流土和管涌的定義。問：發(fā)生滲透變形的條件是什么？答：滲透力足夠大，大于土體重力，使土顆粒在滲透力的作用下浮起和被水流帶走。為什么雨季更容易發(fā)生潰堤？答：從滲透變形發(fā)生機(jī)理的角度分析，一方面，雨季使水位上漲，水頭差增加，滲透力增大；另一方面，雨水滲入下游土體，有效重力減小，抗?jié)B性能減小。如何防止?jié)B透變形？答：從滲透變形發(fā)生機(jī)理的角度分析，一方面，減小滲透力；另一方面，增大抗?jié)B性能，據(jù)此采取相應(yīng)的工程措施。

3.2土的壓縮性

在講授“土的壓縮性”教學(xué)內(nèi)容時(shí)，引入案例“比薩斜塔”和“虎丘斜塔”，引導(dǎo)學(xué)生初步了解地基土體的沉降變形，分階段設(shè)計(jì)問題如下。

課前預(yù)習(xí)問題設(shè)計(jì)：查閱《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，《規(guī)范》對基礎(chǔ)沉降是否有要求？為什么？搜集相關(guān)資料，調(diào)研比薩斜塔、虎丘斜塔傾斜的原因。讓學(xué)生初步了解地基土體在荷載作用下存在沉降變形，且存在不均勻沉降變形。

課中講授問題設(shè)計(jì)（學(xué)習(xí)通APP搶答，過程性考核加分）：在世界上最深的太平洋海溝，水深為11000多米，相當(dāng)于1100個(gè)大氣壓。問1：將一顆小碎石沉入海底，其體積會(huì)縮小嗎？答1：幾乎不會(huì)；問2：將一定體積的土體放到海底，其總體積有變化嗎？答2：幾乎不會(huì)；問3：將土體用橡皮膜包上呢（可排水）？答3：體積會(huì)減小。讓學(xué)生理解土體具有壓縮特性。問：土體體積包括哪些部分？答：包括土顆粒體積和孔隙體積，孔隙體積包括空氣體積和水的體積。問：土體被壓后體積減小，主要是哪部分的體積減小？答：土體壓縮主要是空氣和水的排出，孔隙體積減小的結(jié)果。問：不同的土體，為什么其e-p曲線存在差異？曲線的陡和緩分別說明什么？答：不同的土類，其壓縮性不同，曲線平緩說明壓縮性小，曲線陡說明壓縮性大。教師引出定量考核土的壓縮性的指標(biāo)，定量評價(jià)土的壓縮性高低。問：土體卸載再加載時(shí)的壓縮性與原狀土相比的高低？為什么？答：土體變形包括可恢復(fù)的彈性變形和不可恢復(fù)的殘余變形，土體卸載后殘余變形未恢復(fù)，再加載時(shí)土體的壓縮性低于原狀土。

3.3邊坡穩(wěn)定性

在講授“邊坡穩(wěn)定性”教學(xué)內(nèi)容時(shí)，引入案例“香港寶城滑坡”，調(diào)研“事故發(fā)生的原因”“事故產(chǎn)生的損失”“如何有效防治？”引導(dǎo)學(xué)生了解邊坡的穩(wěn)定性與滑坡地質(zhì)作用，分階段設(shè)計(jì)問題如下。

課前預(yù)習(xí)問題設(shè)計(jì)：搜集相關(guān)資料，調(diào)研“香港寶城滑坡”發(fā)生的原因，探究雨天更容易發(fā)生滑坡的原因。讓學(xué)生了解土體抗剪強(qiáng)度低，較易發(fā)生剪切破壞，初步了解滑坡的形成機(jī)理，分小組搜集資料，并在課堂中口頭匯報(bào)調(diào)研結(jié)果（過程性考核加分）。

課中講授問題設(shè)計(jì)（學(xué)習(xí)通APP搶答，過程性考核加分）：問：滑坡的滑裂面在哪里？什么形狀？答：假定為通過坡腳的圓弧滑裂面。問：滑裂面上的土體處于什么狀態(tài)？答：滑裂面土體處于極限平衡狀態(tài)，已發(fā)生剪切破壞。問：為什么雨季更容易發(fā)生滑坡？答：從滑坡形成機(jī)理的角度分析，雨水滲入邊坡，一方面增大了邊坡的重力，另一方面，含水率的增加降低了土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，使土體抗剪能力減小，此時(shí)，滑裂面上的土體向下的重力增加，而抵抗滑塊向下滑動(dòng)的抗滑力（抗剪能力）減小，發(fā)生滑坡。問：影響邊坡穩(wěn)定性的因素有哪些？答：從滑坡發(fā)生機(jī)理的角度分析，坡高、坡角土的種類、含水率、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、外加荷載，等等。問：如何防止滑坡？答：根據(jù)影響邊坡穩(wěn)定性的因素提出相應(yīng)的工程措施。

通過案例分析與問題導(dǎo)向式相結(jié)合的方式教學(xué)，幫助學(xué)生主動(dòng)思考，自主學(xué)習(xí)，構(gòu)建知識體系，培養(yǎng)了學(xué)生搜集、閱讀和整理課外素材的能力，運(yùn)用基本原理表達(dá)復(fù)雜工程問題的能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

4結(jié)論

“授之以魚，不如授之以漁”，基于PBL的教學(xué)模式有利于創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，可有效幫助學(xué)生建立自主學(xué)習(xí)的好習(xí)慣。本文闡述了PBL模式在土力學(xué)課程中的應(yīng)用，并以課程教學(xué)中的三個(gè)工程案例詳細(xì)設(shè)計(jì)了教學(xué)過程，以期為PBL教學(xué)模式在土力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用提供一定借鑒。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51909086）；湖南省自然科研基金資助項(xiàng)目（2020JJ5131）；湖南工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2021YB08）。

參考文獻(xiàn)

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[3]劉彬，張貝，肖傳桃，等.PBL模式在地學(xué)專業(yè)學(xué)生科研能力培養(yǎng)中的應(yīng)用[J].大學(xué)教育，2021，（10）： 40-42.

[4]陳紅梅，隋巖，黃偉.PBL教學(xué)模式在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中的實(shí)踐探索[J].科教導(dǎo)刊，2022（32）：120-122.

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