新工科背景下土力學(xué)滲透實驗的教學(xué)改革

［摘 要］ 技術(shù)的飛速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的不斷變革對工程教育改革提出了新的要求和挑戰(zhàn)，促進(jìn)了新工科建設(shè)理念的生成。在工程力學(xué)領(lǐng)域人才的培養(yǎng)進(jìn)程中，理論教學(xué)與實踐教學(xué)的結(jié)合可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)其力學(xué)專業(yè)素養(yǎng)，提升工程實踐能力。針對“土力學(xué)”課程教學(xué)中土工測試環(huán)節(jié)存在的問題，組織相關(guān)科研方向的研究生和正在學(xué)習(xí)該知識點的本科生，自主研發(fā)了一套廣度量數(shù)字化滲透儀作為實驗教具并運(yùn)用于教學(xué)實踐，旨在優(yōu)化教學(xué)模式、提升教學(xué)效果以及培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力。

［關(guān)鍵詞］ 新工科；土力學(xué)；工程實踐能力；自主研發(fā)；廣度量數(shù)字化滲透儀

［基金項目］ 2024年度國家自然科學(xué)基金“壓剪應(yīng)力作用下多形態(tài)粗糙裂隙巖體水力耦合特性與機(jī)理研究”（12402482）

［作者簡介］ 楊天嬌（1993—），女（滿族），遼寧錦州人，博士，南京工業(yè)大學(xué)數(shù)理科學(xué)學(xué)院講師，主要從事巖土力學(xué)研究；宋林輝（1980—），男，江西高安人，博士，南京工業(yè)大學(xué)數(shù)理科學(xué)學(xué)院教授（通信作者），主要從事巖土力學(xué)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）47-0057-04 ［收稿日期］ 2024-01-16

2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”［1-2］，致力于探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗，助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)，建成世界工程創(chuàng)新中心和人才高地［3］。南京工業(yè)大學(xué)工程力學(xué)系課題組根據(jù)新工科建設(shè)的基本理念，積極融入滬蘇浙皖長三角地區(qū)創(chuàng)新發(fā)展體系，主動適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的需求，對“土力學(xué)”實驗教學(xué)課程進(jìn)行了教學(xué)改革嘗試，為工程力學(xué)學(xué)科課程建設(shè)發(fā)展提供了借鑒。

“土力學(xué)”是工程力學(xué)學(xué)科課程教學(xué)體系中重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程主要研究土體的變形、強(qiáng)度和滲透特性等內(nèi)容［4］。土力學(xué)實驗則是“土力學(xué)”教學(xué)中不可或缺的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。作為連接土力學(xué)基本理論與工程應(yīng)用的橋梁，土力學(xué)實驗教學(xué)的開展既可以加強(qiáng)學(xué)生對土力學(xué)基本原理的深入理解和掌握，又能豐富學(xué)生對土體物理和力學(xué)特性的感性認(rèn)識，還可以培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和綜合素質(zhì)，是工程力學(xué)教育中必不可少的組成部分［5］。其中滲透性實驗是“土力學(xué)”課程教學(xué)的重要組成部分，教學(xué)大綱要求掌握滲透實驗方法，并應(yīng)用滲透儀對土體滲透系數(shù)進(jìn)行測定［6］。

滲透系數(shù)是指單位水力梯度作用下水的滲透流速，它是衡量土體滲透性能的一個重要物理力學(xué)指標(biāo)，是用來估計天然地基、高填路基及土壩的滲透穩(wěn)定性，分析地基沉降速率，以及人工降低地下水位，給排水設(shè)計，地基加固設(shè)計等必需的基本參數(shù)［7］。因此，掌握滲透實驗相關(guān)的知識點對于學(xué)生理解專業(yè)課程、認(rèn)識工程實踐及從事相關(guān)工作有深遠(yuǎn)的影響。

一、明確問題：傳統(tǒng)滲透實驗教學(xué)的局限性

常規(guī)滲透實驗是一種室內(nèi)測定土的滲透系數(shù)的重要手段，也是工程力學(xué)本科教學(xué)階段的重點內(nèi)容。依其原理分為兩大類［8］：（1）常水頭法，是指在整個實驗過程中保持土樣兩端水頭不變的滲透實驗，適用于透水性較大的粗粒土；（2）變水頭法，是指在實驗過程中土樣兩端水頭隨時間變化的滲透實驗，適用于透水性較小的細(xì)粒土。常規(guī)室內(nèi)滲透實驗在教學(xué)環(huán)節(jié)中主要存在以下三方面局限。

1.采用量筒測量滲流量，不僅數(shù)據(jù)采集單一，而且需要學(xué)生記錄數(shù)據(jù)，既難以滿足教學(xué)過程中眾多學(xué)生實踐操作的需求，任課教師也難以對學(xué)生的掌握情況進(jìn)行考核，極大地影響了教學(xué)時間。

2.由于施加的水頭壓力較小，測量周期較長，而“土力學(xué)”課程課時有限，學(xué)生只能通過教師實驗操作演示進(jìn)行粗淺的觀察和學(xué)習(xí)，從而導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容較枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性較低。

3.我國長江三角洲等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)廣泛分布著深厚黏土層，黏土地基承載著大量的摩天大樓、高速鐵路、高速公路、機(jī)場、大壩等建筑物。經(jīng)驗表明，該地區(qū)黏土厚度一般在15～50米，部分地區(qū)達(dá)100米，具有透水性差、固結(jié)過程緩慢等特點，而采用傳統(tǒng)的滲透實驗裝置并不能對高固結(jié)壓力下的低滲透性黏土進(jìn)行滲透實驗。因此，不利于學(xué)生將滲透實驗與工程實際緊密結(jié)合，導(dǎo)致實驗教學(xué)與實際工程割裂，教學(xué)效果較差。

以上問題導(dǎo)致了學(xué)生無法有效掌握滲透實驗的原理及操作，不利于后續(xù)土力學(xué)相關(guān)的知識學(xué)習(xí)和科學(xué)研究，更不利于學(xué)生今后從事工程力學(xué)相關(guān)設(shè)計和科研工作。

二、確定對象：廣度量數(shù)字化滲透儀

為提升滲透實驗的教學(xué)效果，使任課教師在土力學(xué)教學(xué)中能更為形象地演示滲透實驗過程，課題組設(shè)計并研發(fā)了廣度量數(shù)字化滲透儀實驗設(shè)備，最終形成實踐型教學(xué)培養(yǎng)模式。

課題組研發(fā)的廣度量數(shù)字化滲透儀裝置包括三個部分：加壓部分、滲流實驗部分和數(shù)據(jù)記錄部分。加壓裝置為儲氣罐和儲水罐；滲流部分主要為TST-55滲透儀；記錄裝置包括數(shù)字壓力表、壓力傳感器與數(shù)顯儀，如圖1所示，具體介紹如下。

1.儲氣罐與儲水罐相連，中間管道安裝一閥門，儲氣罐的氣壓大小可以通過氣泵來控制，然后氣壓影響水壓，從而通過控制氣壓的大小間接控制水壓的大小，以氣壓代替水頭高度提升的壓力，這樣不僅可以避免要不斷提升水位高度而帶來的實驗麻煩，而且可以較好地保障水頭壓力長時間保持恒定，同時可以一定程度上提升水頭高度。

2.滲透儀為TST-55型滲透儀器，該滲透儀中包括加壓螺桿、透水板、環(huán)刀、密封圈、底座等。

3.滲透儀中采用自下而上的滲流方法對土樣進(jìn)行滲透實驗，滲透儀的出水管中滲流出的水流入塑料小桶中，而塑料小桶懸掛于一個壓力傳感器上，壓力傳感器與數(shù)顯儀相連，這樣數(shù)顯儀在開啟后，就可以數(shù)字化地采集滲水量，使得數(shù)據(jù)采集變得十分快捷和方便，從數(shù)顯儀中拷取數(shù)據(jù)便能輕松進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

三、研發(fā)實踐：攻克設(shè)備的技術(shù)難點

在教具設(shè)計研發(fā)的過程中解決了諸多難題，首先達(dá)到了對土樣施加較高的滲透壓力的實驗要求，從而實現(xiàn)了0～60米水頭下黏性土體的滲透實驗，有效將滲透實驗與工程實際緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識分析、解決工程問題的能力；其次，采用壓力傳感器與數(shù)顯儀相連，可以對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)測，從而可以達(dá)到精確記錄實驗結(jié)果的目的，提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。

課題組研發(fā)的廣度量數(shù)字化滲透儀可開展不同固結(jié)壓力下土壤在不同滲透壓力下的滲透實驗。以pc=100 kPa和pc=200 kPa兩種固結(jié)壓力下砂姜黏土土樣為例，該裝置使用的主要操作步驟如下。

1.固結(jié)土樣的制備。本實驗砂姜黏土土樣從徐州施工現(xiàn)場地下約40米處獲取，通過保鮮膜密封處理運(yùn)回實驗室，然后將黏土進(jìn)行晾曬干燥、破碎處理后，填入盛土桶中。盛土桶由三部分組成：筒體、蓋板和底座。在蓋板頂部上有一加壓桿，用來施加所需土體的固結(jié)壓力，從而制備不同固結(jié)壓力下的砂姜黏土試樣。

2.固結(jié)土樣的飽和處理及裝樣。待試樣充分飽和后，將其從飽和器中取出，放置環(huán)刀試樣及濾紙后，放置透水石與橡膠圈，最后旋緊滲透儀上方旋盤使其完全貼合，達(dá)到不漏水、不漏氣的狀態(tài)后，即可開始實驗。

3.滲透水壓的施加。將儲氣罐與氣泵接通，向儲氣罐中加入一定氣壓，使得儲水罐中有一定水壓（0～5 kPa即可），打開①進(jìn)水管的閥門（如圖1所示），同時打開②排氣管的閥門，將管道中的氣體排出，待②排氣管中沒有氣泡再冒出，認(rèn)為底部和管中空氣已經(jīng)排凈，此時關(guān)閉②排氣管的閥門，對其施加相應(yīng)的第一級水壓，打開氣泵開關(guān)，待水壓達(dá)到指定數(shù)值后，觀測③出水管中是否有出水現(xiàn)象，待其有穩(wěn)定滲流狀況出現(xiàn)后，將其接入管道。

4.滲流量的測定。滲流的水會順著管道流入塑料小桶當(dāng)中，而塑料小桶掛在壓力傳感器上，傳感器與數(shù)顯儀相連，可自動記錄相應(yīng)時間對應(yīng)的滲流量。

5.滲透水壓的逐級施加。每隔相同時間，加載下一級水壓；當(dāng)其所有級數(shù)水壓的滲透實驗均做完后，該組實驗完成。

6.繪制曲線。根據(jù)常水頭法可計算出土樣的滲透系數(shù)，從而繪制出各級水壓下砂姜黏土的滲透系數(shù)，如圖2所示。

特別要指出的是，在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中借助研發(fā)的滲透儀還可以讓學(xué)生直觀地感受到土樣滲透系數(shù)的影響因素，如固結(jié)壓力為100 kPa與固結(jié)壓力為200 kPa的砂姜黏土試樣，其滲透系數(shù)均是隨著水壓的增加而增加。通過此實驗設(shè)備的研發(fā)及對實驗結(jié)果的分析，既加強(qiáng)了學(xué)生對土力學(xué)基本理論的理解，極大地提升了教學(xué)效果，又培養(yǎng)了其實踐能力、分析問題能力，提高了工程素養(yǎng)。

四、教學(xué)實踐：回歸土力學(xué)教學(xué)的課程需求

廣度量數(shù)字化滲透儀能完整模擬土工滲透實驗中制樣、固結(jié)、滲流等關(guān)鍵步驟，并能讓學(xué)生直接動手操作不同滲透壓力及不同固結(jié)壓力下土體的滲透實驗，構(gòu)建了綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性的土力學(xué)實驗教學(xué)新途徑。

對班級58名學(xué)生進(jìn)行課堂效果調(diào)查，從與學(xué)生的交流中不難發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學(xué)生認(rèn)為對滲透理論知識和傳統(tǒng)滲透實驗內(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)合室內(nèi)實驗，對學(xué)生對該部分內(nèi)容的理解和學(xué)習(xí)效果提升有很大幫助。對于參與教學(xué)設(shè)備的研發(fā)環(huán)節(jié)，能夠讓本科階段學(xué)生認(rèn)識到該知識點在科學(xué)研究中的重要性，并與研究生建立較好的交流平臺，使其對自身的學(xué)習(xí)生活和以后的職業(yè)發(fā)展規(guī)劃有了更深的理解。學(xué)生通過積極參與實踐性活動，普遍對類似實驗設(shè)備的研發(fā)充滿期待，對本科階段實踐教學(xué)及學(xué)生興趣培養(yǎng)起到了良好的啟發(fā)作用。

此外，“土力學(xué)”是一門與工程實踐密切相關(guān)的課程，土體的滲透特性影響著實際巖土工程的穩(wěn)定性。因此，必須深刻理解滲流理論知識，并善于將其應(yīng)用到實際工程中，才能迅速評估引起災(zāi)害的原因，進(jìn)而提出切實可行的防災(zāi)減災(zāi)方法。但是在當(dāng)前的“土力學(xué)”課程中，理論教學(xué)與實際工程的結(jié)合度很低，導(dǎo)致學(xué)生難以將課本所學(xué)知識應(yīng)用到實際工程案例中。

因此，通過自主研發(fā)的廣度量數(shù)字化滲透儀實驗裝置可提高學(xué)生的實踐水平，讓學(xué)生把理論知識轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎糜诠こ虒嵺`的能力，培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的意識。例如，研究不同滲透壓力及不同固結(jié)壓力下黏土滲透系數(shù)的變化，并對其滲透特性曲線進(jìn)行擬合，可以得到能夠良好預(yù)測黏土滲透特性的經(jīng)驗公式，從而為高速鐵路、公路、大壩等實際工程的安全性提供理論指導(dǎo)。

結(jié)語

課題組自主研發(fā)了一套廣度量數(shù)字化滲透儀實驗裝置，通過設(shè)計儲氣罐和儲水罐相連來對土樣施加大范圍的滲透壓力；采用壓力傳感器與數(shù)顯儀相連，對滲水量進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)測，從而能夠良好預(yù)測不同固結(jié)壓力下土樣在不同滲透壓力下的滲透特性。利用該設(shè)備，既可以指導(dǎo)本科生完成畢業(yè)論文及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，也可以指導(dǎo)研究生開展土體滲透相關(guān)的科研項目，打造“人人皆學(xué)、時時可學(xué)”的實驗平臺，有助于實現(xiàn)高校“以生為本、以本為本”的育人模式，拓寬學(xué)生求知空間和學(xué)術(shù)視野，提高自主學(xué)習(xí)能力，增強(qiáng)實驗創(chuàng)新意識，滿足工程力學(xué)、巖土工程、水利工程等不同領(lǐng)域多層次、多樣化的人才需求。

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Teaching Reform in Soil Mechanics Permeability Testing in the Context of Emerging

Engineering Education

YANG Tian-jiao， SONG Lin-hui

（School of Physical and Mathematical Sciences， Nanjing Tech University， Nanjing， Jiangsu

211816， China）

Abstract： The rapid advancement of technology and the ongoing industrial changes have introduced new requirements and challenges for engineering education reform， while fostering the emergence of the concept of emerging engineering disciplines. In the process of cultivating talents in engineering mechanics， integrating teaching with practice experience can stimulate students’ innovative thinking， develop their professional competencies， and enhance their engineering practice skills. To address issues encountered in the geotechnical testing in the soil mechanics courses， a novel large-range digital permeameter was independently developed by the graduate students and undergraduates engaged in related research areas. This device was designed as an experimental teaching tool and applied in instructional practice to optimize the teaching method， improve the educational effectiveness， and enhance the students’ comprehensive practical ability.

Key words： emerging engineering education; Soil Mechanics; engineering practice ability; independently developed; large-range digital permeameter