新工科背景下巖土工程本研協(xié)同的實(shí)踐型教學(xué)：以微型三軸儀的研發(fā)為例

顧曉強(qiáng)， 劉文倩， 王 琛， 劉 芳， 康 臻

（同濟(jì)大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b.巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

當(dāng)今社會(huì)正處于技術(shù)飛速發(fā)展、產(chǎn)業(yè)不斷變革的時(shí)代，充滿了機(jī)遇與挑戰(zhàn)，為高等院校的人才培養(yǎng)提出了更高要求。為了主動(dòng)迎接這一輪科技革命及隨之而來的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)工作，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”［1-3］，致力于探索能夠領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗(yàn)和中國方案，助力強(qiáng)國建設(shè)，打造世界工程創(chuàng)新中心和人才高地。我國現(xiàn)階段高等教育階段的人才培養(yǎng)體系中，本科教育是基礎(chǔ)，研究生教育是發(fā)展，二者應(yīng)主動(dòng)與新工科建設(shè)的要求相結(jié)合，在堅(jiān)持守正創(chuàng)新的同時(shí)更要注重實(shí)踐運(yùn)用。傳統(tǒng)工科應(yīng)在此基礎(chǔ)上借鑒新興學(xué)科的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在學(xué)科間形成交叉融合、共同發(fā)展的局面。

隨著土木工程領(lǐng)域的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，行業(yè)對(duì)于科技人員的專業(yè)知識(shí)和創(chuàng)新實(shí)踐能力要求越來越高，各高校積極實(shí)施“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”，強(qiáng)調(diào)將課程教學(xué)鏈與實(shí)踐培養(yǎng)鏈有機(jī)融合，注重對(duì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)［4-6］。試驗(yàn)是土木工程學(xué)科課程中極其重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，為加深理解、鞏固能力，虛擬試驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)也被陸續(xù)引入課堂，并取得了一定的效果［7-9］。土力學(xué)是土木工程學(xué)科的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，由于土體的復(fù)雜性和獨(dú)特性，土工試驗(yàn)是土力學(xué)不可或缺的重要組成部分，土工試驗(yàn)不僅是認(rèn)識(shí)和揭示土的性質(zhì)、發(fā)展和驗(yàn)證理論模型的可靠方法，也是確定具體設(shè)計(jì)參數(shù)的有效手段。目前，土力學(xué)基本采用課堂理論教學(xué)為主、實(shí)驗(yàn)課教學(xué)為輔的模式，盡管在課堂中利用PPT 等多媒體形式對(duì)試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行展示，但對(duì)學(xué)生有效掌握相關(guān)土力學(xué)原理仍構(gòu)成極大的挑戰(zhàn)［10-13］。此外，土工試驗(yàn)在研究生熟練運(yùn)用土工試驗(yàn)設(shè)備、深入分析室內(nèi)測試結(jié)果、準(zhǔn)確把握巖土力學(xué)規(guī)律等科研工作過程中發(fā)揮著重要作用，是開展巖土方向科研創(chuàng)新工作的主要方面。因此，本科和研究生階段對(duì)該試驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)、設(shè)備原理、理論內(nèi)涵均應(yīng)有不同程度的掌握，高校教師也應(yīng)對(duì)這部分內(nèi)容的重要程度、教授方式、實(shí)際效果有充分的認(rèn)識(shí)。

作為土力學(xué)教學(xué)中最重要的土工試驗(yàn)之一，常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)（簡稱“三軸試驗(yàn)”）內(nèi)容對(duì)學(xué)生掌握土的強(qiáng)度理論和有效應(yīng)力原理至關(guān)重要［14，15］。在土力學(xué)課程學(xué)習(xí)過程中，針對(duì)土工試驗(yàn)內(nèi)容，首先在理論教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備及原理進(jìn)行介紹，具體操作與實(shí)踐內(nèi)容將在試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)完成，并輔以實(shí)踐操作以便加深理解。然而，實(shí)際中所用的三軸儀體積大、重量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣，大多數(shù)高校由于設(shè)備和場地有限，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課中三軸試驗(yàn)通常僅作為演示實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)該試驗(yàn)的參與感不強(qiáng)，無法有效掌握三軸儀的實(shí)驗(yàn)原理及操作方法，導(dǎo)致學(xué)生難以直觀地理解有效應(yīng)力與土的強(qiáng)度、變形特性等重要概念。與此同時(shí)，筆者在對(duì)研究生的指導(dǎo)過程中發(fā)現(xiàn)，部分碩士研究生對(duì)該試驗(yàn)部分知識(shí)的理解還不夠深入，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備及其工作原理的認(rèn)識(shí)還有待提升，給其開展科研工作帶來一定困難。

對(duì)此，筆者組織土工測試相關(guān)科研方向的研究生和正在學(xué)習(xí)三軸試驗(yàn)相關(guān)知識(shí)的本科生，通過本研結(jié)合的實(shí)踐型教學(xué)模式，共同研發(fā)了一種手提式微型土工三軸儀教具，以便能夠在課堂教學(xué)中講解和演示三軸試驗(yàn)，讓學(xué)生直觀地了解試樣制備、加壓固結(jié)、加載剪切和排水條件控制等過程，更好地理解不固結(jié)不排水、固結(jié)不排水和固結(jié)排水三軸試驗(yàn)的異同。通過對(duì)不同有效應(yīng)力條件下砂土試樣的軟硬程度和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，學(xué)生能直觀地理解有效應(yīng)力決定土體強(qiáng)度和變形特性這一重要概念，幫助學(xué)生更好地理解和掌握有效應(yīng)力原理［16，17］。此外，在研發(fā)過程中，通過本、碩階段學(xué)生在該知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)動(dòng)互通，明確并厘清了本科生在課程學(xué)習(xí)中的困難，鞏固并提升了研究生對(duì)設(shè)備及測試過程的認(rèn)識(shí)和理解。如圖1所示，以教學(xué)環(huán)節(jié)促進(jìn)技能實(shí)踐，以開發(fā)應(yīng)用促進(jìn)課題研究，打通本科和研究生階段的專業(yè)知識(shí)銜接通道，通過儀器研制和課堂反饋夯實(shí)專業(yè)理論知識(shí)，最終形成實(shí)踐型教學(xué)的培養(yǎng)模式。

圖1 三軸試驗(yàn)實(shí)踐型教學(xué)模式執(zhí)行框架關(guān)系

一、明確問題：傳統(tǒng)三軸試驗(yàn)教學(xué)的局限性

常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)是一種室內(nèi)測定土的抗剪強(qiáng)度的重要手段，也是巖土工程本科教學(xué)階段的重點(diǎn)內(nèi)容。掌握三軸試驗(yàn)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)對(duì)于學(xué)生的專業(yè)課程理解、工程實(shí)踐認(rèn)識(shí)及從事相關(guān)工作有著深遠(yuǎn)的影響。測試時(shí)通常采用3-4個(gè)圓柱形試樣，分別設(shè)置不同的周圍壓力，得到土樣的抗剪強(qiáng)度，再通過莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則確定土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。試驗(yàn)過程中，土樣首先受到設(shè)備施加的周圍壓力σ3，并使其保持不變，再施加豎向壓力并逐漸增大，直至試件受剪破壞。當(dāng)試件上施加的豎向壓應(yīng)力（也稱偏應(yīng)力）為Δσ1時(shí)，試件上的小主應(yīng)力即σ3，大主應(yīng)力為：

根據(jù)土的極限平衡條件，達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，大主應(yīng)力與小主應(yīng)力的關(guān)系為：

根據(jù)試驗(yàn)在固結(jié)和剪切過程中的排水條件，三軸試驗(yàn)可以分為以下三種：（1）不固結(jié)不排水剪（UU）試驗(yàn)，即在施加固結(jié)圍壓和偏應(yīng)力的過程中均不允許排水，孔隙水壓力無法消散，可以測得總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)cu，φu；（2）固結(jié)不排水剪（CU）試驗(yàn)，即施加周圍壓力時(shí)允許試樣充分排水，在受剪過程中同時(shí)測定試樣中的孔隙水壓力，可以得到土的總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)ccu，φcu，以及有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c’，φ’；（3）固結(jié)排水剪（CD）試驗(yàn)，即施加周圍壓力和施加偏應(yīng)力的過程中均將試驗(yàn)的排水閥門打開，使試樣中的孔隙水壓力充分消散，可以測得有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)cd，φd。試驗(yàn)結(jié)果可以表示為：

式中，c為總應(yīng)力法表示的黏聚力，φ為總應(yīng)力法表示的內(nèi)摩擦角，二者統(tǒng)稱為總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

根據(jù)有效應(yīng)力原理，土中某點(diǎn)的總應(yīng)力σ等于有效應(yīng)力σ’與孔隙水壓力u之和，即：

因此，試驗(yàn)結(jié)果采用有效應(yīng)力表示時(shí)為：

可以看出，上述不同過程涉及的概念較多，操作過程存在差別，測試結(jié)果表征的物理含義也存在區(qū)別，使得在理論教學(xué)過程中容易造成學(xué)生概念混淆、過程不明和認(rèn)識(shí)模糊。試驗(yàn)中所使用的土工三軸儀主要由壓力室、圍壓加載系統(tǒng)、軸壓加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等部分組成［14］，相比直剪試驗(yàn)、無側(cè)限壓縮試驗(yàn)，三軸試驗(yàn)可以嚴(yán)格控制排水條件，在準(zhǔn)確測定有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)［18］。然而，基于傳統(tǒng)三軸試驗(yàn)儀的教學(xué)環(huán)節(jié)仍存在以下三方面局限［7］：

（1）三軸儀價(jià)格昂貴，占地空間大。高校實(shí)驗(yàn)室的三軸儀一般數(shù)量有限，且主要用于開展科研工作，難以滿足教學(xué)過程中眾多學(xué)生實(shí)踐操作的需求，且任課教師難以對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)掌握情況進(jìn)行考核。

（2）三軸儀的體積較大、自身較重，不便于攜帶。教師無法將三軸儀帶入土力學(xué)理論教學(xué)課堂，加上設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致課堂理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)割裂，教學(xué)效果較差。

（3）三軸試驗(yàn)操作復(fù)雜，試驗(yàn)周期長。土力學(xué)課程課時(shí)有限，學(xué)生只能通過教師試驗(yàn)操作演示來進(jìn)行粗淺的觀察和學(xué)習(xí)，且無法親自操作三軸儀。教學(xué)內(nèi)容較枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性較低。

以上問題導(dǎo)致了學(xué)生無法有效掌握三軸試驗(yàn)的原理、操作及其運(yùn)行過程，難以理解有效應(yīng)力原理。課程考核結(jié)果表明，學(xué)生對(duì)三軸試驗(yàn)原理的學(xué)習(xí)效果較差，不利于對(duì)其后續(xù)土力學(xué)相關(guān)的知識(shí)學(xué)習(xí)和科學(xué)研究。

二、確定對(duì)象：微型土工三軸儀

為提升常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的教學(xué)效果，使任課教師在土力學(xué)理論教學(xué)課堂中能較為形象地演示三軸試驗(yàn)過程，筆者針對(duì)土力學(xué)的教學(xué)需要，嘗試將傳統(tǒng)土工三軸儀進(jìn)行縮尺和簡化，通過指導(dǎo)課題組研究生參與設(shè)備研發(fā)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，研制出一款手提式微型土工三軸儀，其基本構(gòu)造及連接方式如圖2 所示。該三軸儀的荷載架、底板和活動(dòng)橫梁通過固定螺旋連接，組成反力架。活動(dòng)橫梁中部連接帶有外置式數(shù)顯壓力計(jì)的活動(dòng)加載頭，外置式數(shù)顯壓力計(jì)可讀取土樣所受的豎向力。底板由手輪控制的蝸輪蝸桿箱固定，通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪可控制蝸輪蝸桿箱頂桿的升降，可對(duì)土樣施加軸向荷載。與此同時(shí)，外置式數(shù)顯壓力計(jì)所顯示的力即為土樣的偏應(yīng)力。設(shè)備底部活動(dòng)連接上有樣品安裝座，土樣可放置在樣品安裝座上，其側(cè)面套有乳膠膜，且上下兩端均可放置透水石和濾紙。

圖2 手提式微型土工三軸儀教具的基本構(gòu)造

蝸輪蝸桿箱和活動(dòng)加載頭之間為壓力室（圖3）。壓力室由圍壓罩和底部活動(dòng)連接組成，底部活動(dòng)連接外側(cè)設(shè)有連接樣品安裝座的下排水通道和帶刻度的孔壓測量管，其水壓值能夠?qū)崟r(shí)顯示土樣內(nèi)的孔隙水壓力。底部活動(dòng)連接上安裝有3個(gè)球閥，其中球閥1控制圍壓的開關(guān)，球閥2控制下排水通道和孔壓量測管的開關(guān)，球閥3控制上排水通道的開關(guān)，通過對(duì)球閥1、2、3的不同組合，可以控制土樣固結(jié)和剪切時(shí)的排水條件。壓力控制泵（圖2右側(cè)）配置有壓力表、壓力控制閥和壓力管，通過導(dǎo)管與土樣室連通，可以控制作用在試樣上的圍壓。同時(shí)，也可以通過真空泵抽氣對(duì)試樣施加負(fù)壓，即有效圍壓。該微型土工三軸儀能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)土工三軸儀的基本功能，操作步驟也與傳統(tǒng)土工三軸儀基本一致，可模擬施加0～80 kPa 圍壓條件的土工三軸試驗(yàn)，孔隙水壓力傳感器量程為1.0 MPa，荷載傳感器量程為1 kN，可以滿足教學(xué)展示各環(huán)節(jié)的需求。圖4 為研發(fā)的手提式微型土工三軸儀實(shí)物圖，并將該儀器命名為TJ-MTX-1型微型土工三軸儀（以下簡稱TJ-MTX-1三軸儀）。該裝置高35 cm，重5 kg 左右，可放入手提箱中，用于開展直徑約38 mm、高約76 mm 土樣的模擬試驗(yàn)，教師可方便攜帶進(jìn)教室開展課堂教學(xué)與演示。

圖3 壓力室的剖面結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 手提式微型土工三軸儀實(shí)物圖

三、研發(fā)實(shí)踐：攻克微型化設(shè)備的技術(shù)難點(diǎn)

在教具微型化設(shè)計(jì)的過程中存在諸多難題，既要完成傳統(tǒng)三軸儀的大幅縮放，又應(yīng)保留其完備的試驗(yàn)和演示功能。從事巖土工程測試方向的碩士研究生在回顧本科知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身開展測試研究的經(jīng)驗(yàn)，確定了以壓力室作為主要的研發(fā)對(duì)象。在設(shè)備開發(fā)過程中，研究生與本科生保持密切溝通，確保對(duì)微型三軸儀的各環(huán)節(jié)展示清晰易懂，同時(shí)也強(qiáng)化了本科生對(duì)設(shè)備細(xì)節(jié)、測試原理的認(rèn)識(shí)。最終開發(fā)完成的三軸儀可開展三軸不固結(jié)不排水（UU）、固結(jié)不排水（CU）、固結(jié)排水（CD）等試驗(yàn)的模擬演示。以固結(jié)排水試驗(yàn)為例，該裝置使用的主要操作步驟如下：

（1）土樣制備。將土樣套好橡皮膜、橡皮圈等部件，打開壓力室并放置土樣、透水石、濾紙，完成裝樣過程。

（2）施加圍壓，固結(jié)排水。打開球閥1，向壓力室充入壓縮氣體或液體，打開壓力控制泵對(duì)土樣施加圍壓，同時(shí)打開球閥2和3，即土樣固結(jié)排水過程（若關(guān)閉球閥2和3，即可模擬不排水條件）。

（3）施加軸壓。土樣固結(jié)完成后，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，抬升底座，對(duì)試樣施加軸壓。其中，外置式數(shù)顯壓力計(jì)所顯示的力，則為土樣的偏應(yīng)力。

（4）改變圍壓。調(diào)整施加的圍壓值，重復(fù)上述步驟（1）—（3），即可得到不同圍壓下土樣破壞時(shí)所施加的最大豎向軸力值。

（5）繪制曲線。根據(jù)不同圍壓值對(duì)應(yīng)的最大偏應(yīng)力，繪制莫爾應(yīng)力圓曲線，可得到土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

特別要指出的是：在課程教學(xué)環(huán)節(jié)中借助TJ-MTX-1 三軸儀在課程教學(xué)環(huán)節(jié)中還可以讓學(xué)生直觀地感受有效應(yīng)力原理的重要意義，即有效應(yīng)力決定了土體的強(qiáng)度和變形特性。具體實(shí)施過程為：

（1）采用砂土試樣，關(guān)閉球閥2，利用微型真空泵通過球閥3 向試樣分階段施加負(fù)壓（即有效應(yīng)力）10 kPa、40 kPa和80 kPa。

（2）學(xué)生可用手指感受不同有效應(yīng)力下試樣的軟硬程度（試樣的軟硬程度可定性地反映土樣的強(qiáng)度和模量大小），學(xué)生可切身體會(huì)到有效應(yīng)力對(duì)土體強(qiáng)度和變形特性的作用。

（3）進(jìn)一步開展不用有效應(yīng)力作用下的固結(jié)排水三軸試驗(yàn)，以真實(shí)展示三軸試驗(yàn)中試樣的破壞面和不同有效應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度。

四、教學(xué)實(shí)踐：回歸土力學(xué)教學(xué)的課程需求

經(jīng)過課堂實(shí)驗(yàn)演示，微型土工三軸儀能完整模擬土工三軸試驗(yàn)中制樣、固結(jié)、剪切等關(guān)鍵步驟，并能讓學(xué)生直接動(dòng)手模擬不同類型的三軸試驗(yàn)。對(duì)班級(jí)52 名學(xué)生進(jìn)行課堂效果問卷調(diào)查，具體分析結(jié)果見圖5。從問卷結(jié)果及與學(xué)生交流中不難發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學(xué)生認(rèn)為對(duì)三軸試驗(yàn)和有效應(yīng)力原理內(nèi)容學(xué)習(xí)存在難度。相比傳統(tǒng)課堂教學(xué)中采用PPT、板書等手段，結(jié)合微型三軸儀，則對(duì)學(xué)生該部分內(nèi)容的理解和學(xué)習(xí)效果提升有很大幫助。課堂氛圍提升方面，該教學(xué)環(huán)節(jié)不僅活躍了課堂氣氛，還提升了土力學(xué)三軸試驗(yàn)的課堂教學(xué)效果。在參與教學(xué)設(shè)備的研發(fā)環(huán)節(jié)，能夠讓本科階段學(xué)生認(rèn)識(shí)到該知識(shí)點(diǎn)在工程實(shí)踐和科學(xué)研究中的重要性，并與研究生建立了較好的交流平臺(tái)，對(duì)自身的學(xué)習(xí)生活和以后職業(yè)發(fā)展規(guī)劃有了更深理解。學(xué)生通過積極參與教學(xué)型實(shí)踐活動(dòng)，普遍對(duì)類似教具的研發(fā)及教學(xué)環(huán)節(jié)充滿期待，對(duì)本科階段教學(xué)及學(xué)生興趣培養(yǎng)起到了良好啟發(fā)作用。

圖5 微型土工三軸儀對(duì)課堂教學(xué)效果

五、結(jié)語

針對(duì)土力學(xué)課程中關(guān)于土工測試這一重要環(huán)節(jié)存在的問題，自主研發(fā)了微型三軸儀，開展了本研協(xié)同的實(shí)踐型教學(xué)活動(dòng)。從多個(gè)角度聯(lián)動(dòng)了土力學(xué)關(guān)于三軸試驗(yàn)這部分內(nèi)容的教學(xué)、試驗(yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)，優(yōu)化了教學(xué)模式、加強(qiáng)了課堂互動(dòng)，讓學(xué)生更好地掌握三軸試驗(yàn)的測試方法和流程，更加直觀形象地理解有效應(yīng)力原理，加深了對(duì)土力學(xué)課程內(nèi)涵的理解。從試驗(yàn)效果來看，TJ-MTX-1 三軸儀設(shè)計(jì)合理，能很好地實(shí)現(xiàn)不固結(jié)不排水（UU）、固結(jié)不排水（CU）、固結(jié)排水（CD）三軸試驗(yàn)的模擬演示，可應(yīng)用于土力學(xué)課程中三軸試驗(yàn)相關(guān)的教學(xué)工作。與傳統(tǒng)土工三軸儀相比，TJ-MTX-1 三軸儀體積小、重量輕、操作簡便，可方便攜帶進(jìn)入教室，配合課堂三軸試驗(yàn)的教學(xué)，能直觀模擬和演示各類三軸試驗(yàn)，使學(xué)生能夠現(xiàn)場了解三軸試驗(yàn)的原理及過程，提升學(xué)生課堂參與感和動(dòng)手實(shí)踐能力。該三軸儀能讓學(xué)生親身感受到不同有效應(yīng)力條件下土樣的軟硬程度，直觀體會(huì)有效應(yīng)力對(duì)土的強(qiáng)度和變形特性的影響，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)有效應(yīng)力原理的掌握和理解，有效地提升了課堂教學(xué)效果。未來將進(jìn)一步針對(duì)課程教學(xué)中存在的問題，持續(xù)開發(fā)一系列土工教學(xué)儀器，加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)與試驗(yàn)實(shí)踐之間的密切聯(lián)系，以加深理論與實(shí)踐培養(yǎng)、提升學(xué)生綜合素質(zhì)為目標(biāo)，滿足新工科建設(shè)的培養(yǎng)要求，為卓越工程師的培養(yǎng)打下良好基礎(chǔ)。