澳大利亞紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)巖土力學(xué)教學(xué)大綱特色淺析

蔡國慶++趙成剛

摘 要：介紹了澳大利亞紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)巖土力學(xué)教學(xué)大綱，對教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容、先修課程及教學(xué)方法、考核方式等內(nèi)容進行了重點闡述，從教學(xué)內(nèi)容的新穎性、計算機應(yīng)用的廣泛性、實驗教學(xué)的深入性等三個方面對其教學(xué)大綱的特色進行了分析。

關(guān)鍵詞：巖土力學(xué) 本科教學(xué) 教學(xué)大綱

引 言

巖土力學(xué)（Geomechanics）是土木工程、水利工程以及交通工程等工程學(xué)科中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。在使學(xué)生獲得有關(guān)巖土力學(xué)學(xué)科的基本理論、基本知識的和基本技能的同時，巖土力學(xué)課程還將為后續(xù)課程（如地基基礎(chǔ)與地基處理、巖土工程設(shè)計、地下空間開發(fā)等專業(yè)課程）提供巖土力學(xué)基本知識，也為從事巖土科學(xué)技術(shù)的專門研究奠定必要的理論基礎(chǔ)。教學(xué)大綱是教師編寫教案以及教學(xué)的主要依據(jù)，同時也是檢查和評定學(xué)生學(xué)業(yè)成績和衡量教師教學(xué)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，其在整個課程體系建設(shè)及教學(xué)質(zhì)量評價中都占據(jù)極為重要的地位[2]。本文第一作者曾在澳大利亞紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)（The University of Newcastle， Australian，簡稱UoN）從事博士后研究，第二作者也曾作為訪問教授在紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)從事合作研究，有機會學(xué)習(xí)了該校在巖土力學(xué)課程教學(xué)大綱編制上的特色。[1]

本文首先介紹了紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)巖土力學(xué)教學(xué)大綱，對教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容、先修課程及教學(xué)方法、考核方式等內(nèi)容進行了重點闡述。隨后，從教學(xué)內(nèi)容的新穎性、計算機應(yīng)用的廣泛性、實驗教學(xué)的深入性等三個方面對其教學(xué)大綱的特色進行了分析，并對我國巖土力學(xué)的教學(xué)大綱修訂提出了借鑒意見。[2]

一、 UoN本科巖土力學(xué)教學(xué)大綱簡介

1.1 教學(xué)目的

巖土力學(xué)-1的教學(xué)目的：從工程角度識別和理解土和巖石的物理、化學(xué)特性；理解工程地質(zhì)的基本概念，并了解如何將其應(yīng)用到土木工程實踐中；理解有效應(yīng)力原理及其在巖土力學(xué)和巖土工程設(shè)計中的應(yīng)用；掌握利用達(dá)西定律和滲流理論計算水在飽和土體中的流速；理解軟土的一維固結(jié)理論；掌握對土中應(yīng)力及變形特性的評價，并能引入沉降和固結(jié)的概念；掌握利用室內(nèi)和現(xiàn)場試驗對土和巖石的基本特性進行闡述的能力；

巖土力學(xué)-2教學(xué)目的：理解摩擦性材料的摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則及其在巖土工程設(shè)計中的應(yīng)用；理解土體的抗剪強度及強度參數(shù)；初步了解臨界狀態(tài)巖土力學(xué)理論；應(yīng)用強度破壞準(zhǔn)則來分析條形基礎(chǔ)、墊式基礎(chǔ)、重力式擋土墻以及邊坡穩(wěn)定性；通過室內(nèi)試驗進一步加強對土體強度的認(rèn)識和理解。[3]

1.2 教學(xué)內(nèi)容

作為巖土力學(xué)和巖土工程的入門課程，巖土力學(xué)-1的主要教學(xué)內(nèi)容包括：土和巖石的物理特性及分類方法；土和巖石的指標(biāo)特性；巖體的性質(zhì)；巖石的結(jié)構(gòu)；場地測繪；土的分類；風(fēng)化作用；粘土的膠結(jié)作用；土壤化學(xué)；土體內(nèi)部的毛細(xì)作用、滲流及流網(wǎng)；有效應(yīng)力原理；土體的沉降、固結(jié)及壓實。

巖土力學(xué)-2的主要教學(xué)內(nèi)容則包括：強度準(zhǔn)則；應(yīng)用有效應(yīng)力原理對土或巖石的強度特性進行評估；土體的摩爾-庫倫強度理論；土體的抗剪強度；臨界狀態(tài)巖土力學(xué)；基礎(chǔ)及地下連續(xù)墻的設(shè)計；土的抗震性能；邊坡穩(wěn)定性。

1.3 先修課程及教學(xué)方法

巖土力學(xué)-1的先修課程為工程力學(xué)基礎(chǔ)和材料力學(xué)，其教學(xué)方法主要包括課堂講授、室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試驗。巖土力學(xué)-2則是在巖土力學(xué)-1的基礎(chǔ)上開設(shè)，與巖土力學(xué)-1相比，其教學(xué)方法中增加了課后輔導(dǎo)的環(huán)節(jié)，通過選聘優(yōu)秀的博士研究生擔(dān)任課程助教，提高對學(xué)生答疑的數(shù)量和質(zhì)量。

1.4 考核方式

巖土力學(xué)-1的成績評定主要包括：課后大作業(yè)，即在整個教學(xué)過程中，要求學(xué)生完成3個關(guān)于巖土力學(xué)計算方面的大作業(yè)；室內(nèi)試驗的平時考核，即在每一節(jié)室內(nèi)試驗課上，對每一個學(xué)生的實驗表現(xiàn)進行成績評定；室內(nèi)試驗的期末考試，即在學(xué)期末要求學(xué)生能夠獨立完成主要土工試驗的操作；現(xiàn)場試驗報告，即在學(xué)期中開展的現(xiàn)場勘察與試驗后，對學(xué)生完成的現(xiàn)場試驗報告進行評價；期終考試，以閉卷形式進行，題型多樣，全面考察學(xué)生對巖土力學(xué)-1課程中核心知識的掌握和理解。

相對而言，巖土力學(xué)-2的考核方式較為簡單，包括室內(nèi)試驗報告和期終考試兩部分，其中期終考試仍以閉卷形式進行。

二、UoN本科巖土力學(xué)教學(xué)大綱特色分析

2.1 教學(xué)內(nèi)容新穎

紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)巖土力學(xué)課程在重視基礎(chǔ)知識講授的同時，還對學(xué)科前沿知識進行介紹，其中最突出的表現(xiàn)就是對臨界狀態(tài)土力學(xué)的講授。作為現(xiàn)代土力學(xué)的基石，土的臨界狀態(tài)理論和劍橋模型由土力學(xué)中著名的劍橋?qū)W派提出并建立，其提供了一個統(tǒng)一的理論框架用于描述和預(yù)測土的變形和破壞行為，將土的彈性和塑性變形及土的強度有機地聯(lián)系起來，建立了土的最基本的關(guān)系，即土的本構(gòu)關(guān)系。臨界狀態(tài)的概念最早由Roscoe等于1958年[3]提出，隨后，原始劍橋模型[4]于1963年建立，并在1968年建立了修正劍橋模型[5]。土的臨界狀態(tài)及劍橋模型，為現(xiàn)代土力學(xué)的誕生和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。然而，在我國的本科巖土力學(xué)教學(xué)內(nèi)容中，這一部分的內(nèi)容則很少被提及，僅有極個別土力學(xué)教材單列篇章進行詳細(xì)介紹[6]。因此，在今后的教學(xué)過程中，應(yīng)加強對土的臨界狀態(tài)及劍橋模型的講授，強化學(xué)生對土的本質(zhì)特征的了解。

在講授土的組成、結(jié)構(gòu)及基本力學(xué)特性時，紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)還對非飽和土力學(xué)做一些簡單介紹。作為當(dāng)前國際巖土力學(xué)界的一大研究熱點問題，非飽和土力學(xué)近年來受到越來越多研究者的關(guān)注。而我國對非飽和土的研究起步相對較晚，目前尚未有獨立的教材，在巖土力學(xué)的教學(xué)過程中也很少涉及。但隨著理論研究的深入和實際工程的需要，非飽和土力學(xué)的重要性逐漸被相關(guān)教學(xué)工作者認(rèn)識并接受。在今后的教學(xué)過程中，應(yīng)逐步引入對非飽和土力學(xué)中一些基本概念的介紹。

此外，紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的巖土力學(xué)課程還包括了關(guān)于土壤化學(xué)的內(nèi)容。近些年來，隨著環(huán)境問題的日益突出，環(huán)境巖土問題也備受關(guān)注，例如城市垃圾填埋場建設(shè)與安全運營、高放核廢料地質(zhì)儲存等工程中，都涉及到土壤化學(xué)的內(nèi)容。巖土力學(xué)的教學(xué)也應(yīng)緊跟科學(xué)和工程發(fā)展的前沿，將該部分內(nèi)容逐漸納入到教學(xué)內(nèi)容中。endprint

2.2 重視計算機的應(yīng)用

紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)土木工程系建有澳大利亞巖土科學(xué)與工程國家研究中心（CGSE），其在計算巖土力學(xué)領(lǐng)域的研究一直處于世界領(lǐng)先水平。在巖土力學(xué)的教學(xué)環(huán)節(jié)中，紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)也非常重視介紹計算機在巖土力學(xué)中的應(yīng)用，鼓勵學(xué)生嘗試使用商業(yè)計算機軟件或者開放的計算機程序進行一些土力學(xué)問題的計算。通過計算機強大的計算能力與傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算的對比，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和科研興趣，為他們以后進一步深造奠定基礎(chǔ)。此外，在進行土力學(xué)室內(nèi)試驗教學(xué)時，紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)還鼓勵學(xué)生通過自行開發(fā)計算機控制程序，來對試驗過程進行計算機控制，例如通過計算機程序?qū)崿F(xiàn)對試驗中材料特性、初始條件、邊界條件以及應(yīng)力路徑的設(shè)定與控制。[4]

反觀我國當(dāng)今的土力學(xué)教材及教學(xué)內(nèi)容，大都基于經(jīng)驗公式進行計算，對計算機在巖土力學(xué)中的應(yīng)用介紹較少，在計算機快速發(fā)展的當(dāng)今社會，應(yīng)鼓勵學(xué)生使用計算機來解決一些土力學(xué)中的問題。[5]

2.3 實驗教學(xué)比重大

巖土工程是一門實踐性很強的學(xué)科，各種試驗測試占據(jù)重要地位。在巖土力學(xué)課程中，無論是室內(nèi)試驗還是現(xiàn)場試驗，都是整個課程體系建設(shè)的重要組成部分。 紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的巖土力學(xué)課程教學(xué)大綱中，實驗教學(xué)占有相當(dāng)大的比重，其中室內(nèi)試驗涵蓋了基本的土工試驗。在教學(xué)手段上，室內(nèi)試驗實行小班教學(xué)，并由相關(guān)專業(yè)的博士研究生擔(dān)任助教，在實驗演示完畢后，每位學(xué)生都需要進行獨立地操作，并且由助教對每位學(xué)生的表現(xiàn)進行打分，作為該門課程期末成績的組成部分。在學(xué)期期末，還將針對室內(nèi)試驗部分進行專門的考試，考查學(xué)生對試驗的掌握及動手操作能力，其成績也將在期末總成績中占有一定的比重。除了室內(nèi)試驗之外，紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的巖土力學(xué)教學(xué)大綱中還設(shè)置了現(xiàn)場試驗環(huán)節(jié)，組織學(xué)生到現(xiàn)場開展土力學(xué)現(xiàn)場試驗，從而增強學(xué)生對土性的認(rèn)識以及對土的工程應(yīng)用的了解?，F(xiàn)場試驗教學(xué)環(huán)節(jié)之后，每位學(xué)生都要求完成相應(yīng)的實驗報告，報告的完成質(zhì)量與得分也將作為期末成績的組成部分。[6]

三、結(jié)語

本文介紹了澳大利亞紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的本科巖土力學(xué)教學(xué)大綱，從教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容、先修課程及教學(xué)方法、考核方式等方面對其進行了闡述?；诖?，對其對其教學(xué)大綱的特色進行了分析，著重探討了其教學(xué)內(nèi)容上的新穎性、計算機在教學(xué)中應(yīng)用程度高以及實驗教學(xué)比重大等幾方面的特點。通過本文的闡述與分析，可為我國巖土力學(xué)的教學(xué)提供一些借鑒：（1）教學(xué)內(nèi)容在重視基礎(chǔ)知識的同時，應(yīng)緊跟學(xué)科發(fā)展的前沿，引入學(xué)科熱點問題；（2）逐步提高計算機在教學(xué)中的應(yīng)用程度，通過使用計算機解決土力學(xué)問題，來啟發(fā)學(xué)生的思維、增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；（3）加強實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，不斷培養(yǎng)、提高學(xué)生獨立的動手實驗?zāi)芰Γ⒆⒅貙嶒灲Y(jié)果的分析和討論。

參考文獻：

[1]. 李大勇，崔煜，國外土力學(xué)本科教學(xué)探討——以挪威科技大學(xué)為例，力學(xué)與實踐，2010，32（5）：99-101

[2]. 胡海巖. 對力學(xué)教育的若干思考. 力學(xué)與實踐，2009，31（1）：70-72

[3]. Roscoe，K.H.， Schofield，A.N. and Wroch，C.P.（1958）， on the yielding of soils，Geotechnigue，8（1），22-53

[4]. Roscoe，K.H. and Schofield，A.N.（1963），Mechanical behaviour of an idealised ‘wet clay，Pro.Europeon Conf. on soil Mechanics and Foundation Engineering， Wiesbaden，Vol 1， pp 47-54

[5]. Roscoe，K.H. and Barland，T.B.（1968）， On the generalised stress-strain behaviour of ‘wet clay， Eds by J.Heyman and F.A.Lechie， Engineering Plasticity（Cambridge University Press），pp.535-609

[6]. 趙成剛，白冰. 土力學(xué)原理（修訂本），清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2010. 北京endprint