淺談土力學(xué)教學(xué)的幾點體會

劉鋼+張英+李婭+舒志樂+王文奇

摘要：土力學(xué)作為土木工程專業(yè)的一門主干專業(yè)基礎(chǔ)課，其重要性是不言而喻的，同時也是學(xué)生公認(rèn)的學(xué)習(xí)難度大的課程之一。在借鑒同行寶貴經(jīng)驗基礎(chǔ)上，結(jié)合自身在教學(xué)中的感受，從土力學(xué)理論教學(xué)內(nèi)容安排、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)以及課堂教學(xué)中如何增加趣味性三個方面淺談一下體會，以供參考。

關(guān)鍵詞：土力學(xué);理論教學(xué);實踐教學(xué);教學(xué)趣味

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）22-0195-02

一、引言

土力學(xué)與巖石力學(xué)、工程地質(zhì)并稱為巖土工程學(xué)科三大專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，是土木工程專業(yè)必修的主干課程。學(xué)好該課程，將為基礎(chǔ)工程、路基工程等專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。就土力學(xué)這門課程本身而言，大學(xué)教材所涉及的經(jīng)典土力學(xué)部分（1925—1963年）大多還是基于直覺、經(jīng)驗和宏觀現(xiàn)象學(xué)而建立的，各章節(jié)之間缺乏有機(jī)和統(tǒng)一的理論基礎(chǔ)[2]，使得土力學(xué)這門課程具有內(nèi)容相當(dāng)廣泛、綜合性強(qiáng)，知識點瑣碎、公式眾多等特點。同時，該課程還涉及材料力學(xué)、水力學(xué)、工程地質(zhì)、彈性力學(xué)等相關(guān)知識，涉及學(xué)科領(lǐng)域多，跨度大，使其成為一門較難掌握的課程。在教學(xué)過程中，就有學(xué)生感嘆土力學(xué)與先前所學(xué)的理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等課程差別太大，顛覆了他對力學(xué)的認(rèn)識;也有部分學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中因理解困難、跟不上進(jìn)度等原因失去了學(xué)習(xí)這門課程的興趣。

二、理論教學(xué)內(nèi)容的安排

目前，國內(nèi)出版的土力學(xué)教材版本較多，但內(nèi)容大致相同。從課程內(nèi)容上看，可以劃分為兩大部分，一是土的基本物理力學(xué)性質(zhì)部分，物理性質(zhì)部分主要包括土的三相組成、土的物理狀態(tài)的描述、土的結(jié)構(gòu)性以及工程分類等內(nèi)容，力學(xué)性質(zhì)部分主要涵蓋了土的強(qiáng)度、變形以及滲透三大特性;二是與工程實際問題緊密結(jié)合部分，如地基的變形與承載力、邊坡的穩(wěn)定以及支擋結(jié)構(gòu)上的土壓力等，如圖1所示。

由于各學(xué)校教學(xué)學(xué)時安排不同，土力學(xué)理論部分教學(xué)內(nèi)容也存在一定的差異。若理論教學(xué)課時較少，相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容就會有所減少，通常來講，滲流與流網(wǎng)、土體的滲流固結(jié)等往往是基礎(chǔ)理論部分首先被刪減的內(nèi)容，一些與工程問題結(jié)合部分也不能夠較深入全面地講解，比如滲流或地震荷載作用下邊坡穩(wěn)定性分析、復(fù)雜擋墻結(jié)構(gòu)條件下的土壓力分布問題等?？傃灾?，不管課時的多少，理論教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該在呈現(xiàn)出經(jīng)典土力學(xué)基本框架的同時，注意突出重點。有以下幾點建議：（1）土的基本物理性質(zhì)在很大程度上決定了土的力學(xué)性質(zhì)，應(yīng)注重該部分內(nèi)容的講解，尤其是土的三相性、土的結(jié)構(gòu)性等內(nèi)容對土的力學(xué)特性的認(rèn)識具有重要的作用。（2）理論教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該圍繞土的變形、強(qiáng)度和滲透三大問題展開。對于不同的專業(yè)方向，側(cè)重點可有所區(qū)別，比如水利專業(yè)方向，土的滲透特性部分課適當(dāng)增加學(xué)時。（3）教學(xué)內(nèi)容的安排還應(yīng)該重點突出。比如土的強(qiáng)度特性部分在整個經(jīng)典土力學(xué)理論部分具有相當(dāng)重要的地位，是地基極限承載力和邊坡穩(wěn)定分析、土壓力計算的理論基礎(chǔ)，務(wù)必作為教學(xué)重點內(nèi)容讓學(xué)生掌握。（4）應(yīng)適當(dāng)?shù)赝卣菇鉀Q工程實際問題方面知識的介紹。（5）理論教學(xué)部分學(xué)時最好在40學(xué)時以上才能夠滿足相應(yīng)的教學(xué)要求。

三、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的探討

土力學(xué)是一門實踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，土力學(xué)的很多知識通過動手才能夠找到“感覺”。因而，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是學(xué)生理解土力學(xué)基本概念、檢驗土力學(xué)基本原理、探討土力學(xué)工程應(yīng)用的主要途徑[3]，其重要性是不言而喻的。

實踐教學(xué)主要包括以下形式：（1）室內(nèi)教學(xué)實驗。實驗是土力學(xué)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的主要形式，土力學(xué)課程可以安排室內(nèi)教學(xué)試驗的內(nèi)容較多，包括容重、含水量、液塑限測定、顆粒分析、滲透系數(shù)測試、固結(jié)試驗、直剪試驗、三軸剪切試驗等。但由于學(xué)時的壓縮，絕大多數(shù)院校的實踐教學(xué)課只有8學(xué)時，加之當(dāng)前學(xué)生人數(shù)眾多，部分試驗所需的時間較長，全部安排所有試驗具有相當(dāng)大的難度。因而，室內(nèi)教學(xué)實驗的安排應(yīng)該是在有限的教學(xué)時間內(nèi)盡可能地讓學(xué)生多動手、讓愛動手的學(xué)生有機(jī)會動手，這就需要采取行之有效的措施才實現(xiàn)這一目標(biāo)。首先，可以精心安排設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容。比如容重、含水量以及液塑限的測定實驗可以在融合為一次教學(xué)實驗同時進(jìn)行;嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行固結(jié)實驗所需時間太長，在教學(xué)實驗中可以縮短加載間隔時間，使學(xué)生能夠在2個課時的教學(xué)時間內(nèi)體驗固結(jié)實驗的全過程。其次，可以將實驗教學(xué)內(nèi)容劃分為必選實驗和自選實驗，必選實驗在正常的教學(xué)學(xué)時內(nèi)進(jìn)行，自選實驗可以讓學(xué)生在課余時間進(jìn)行，當(dāng)然，開設(shè)自選實驗需要實驗室相應(yīng)地開放管理機(jī)制。比如三軸剪切試驗，該實驗在土力學(xué)學(xué)習(xí)中本具有舉足輕重的地位，但試驗設(shè)備較為昂貴，一般實驗室擁有的三軸剪切儀數(shù)量較少，實驗本身操作復(fù)雜，大多數(shù)院校將其作為必選實驗并不現(xiàn)實，可考慮列為自選實驗部分。（2）現(xiàn)場試驗觀摩。本科土力學(xué)教材所涉及的原位測試試驗主要包括現(xiàn)場井孔抽水或井孔注水試驗、載荷試驗、旁壓試驗等。顯然，將這類現(xiàn)場試驗作為實踐教學(xué)大綱的必修環(huán)節(jié)是相當(dāng)困難?？墒占嚓P(guān)的視頻或動畫素材，在課堂內(nèi)進(jìn)行講解。若條件具備，最好能讓學(xué)生現(xiàn)場觀摩。（3）課程設(shè)計。課程設(shè)計可使學(xué)生在課堂上理解相對膚淺、薄弱的知識點，在課程設(shè)計中加深印象。

總體而言，土力學(xué)的教學(xué)應(yīng)該十分重視實踐環(huán)節(jié)，這或許會對教學(xué)設(shè)備、教師本身的工作提出更高的要求，但是其作用也應(yīng)該會是顯著的。

四、課堂教學(xué)中的趣味融入

土力學(xué)向來被學(xué)生認(rèn)為時一門很難學(xué)的課程。在平時的教學(xué)以及與學(xué)生的交談中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生之所以認(rèn)為土力學(xué)難，主要難在對一些基本概念的理解，不能較為透徹地理解土力學(xué)中的一些基本概念，逐漸地失去學(xué)習(xí)的興趣，從而造成了這門課程很難的“假象”。鑒于此，增加土力學(xué)教學(xué)中的“趣味趣性”不失為一種好的教學(xué)方法[4～5]，清華大學(xué)就提出了“寓教于樂、寓研于玩”的土力學(xué)教學(xué)理念，通過討論、比喻、講故事、案例等環(huán)節(jié)來活躍課堂氣氛，從而培養(yǎng)學(xué)生興趣。endprint

將“趣味性”融入到土力學(xué)的教學(xué)中，包含兩方面的含義：（1）土力學(xué)中的基本概念采用日常生活中的體會進(jìn)行生動的比喻，比如李廣信教授以擠公交車對三種不同類型土壓力概念的生動詮釋。土力學(xué)教材中一般根據(jù)擋土結(jié)構(gòu)物的位移情況，將土壓力分為靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力。即“當(dāng)擋土墻不發(fā)生任何移動，作用在擋土墻上的土壓力稱為靜止土壓力;當(dāng)擋土墻隨著土體向臨空面移動，并達(dá)到極限狀態(tài)，作用在擋土墻上的土壓力稱為主動土壓力;而當(dāng)擋土墻背離臨空面移動，并達(dá)到極限狀態(tài)，作用在擋土墻上的土壓力稱為被動土壓力”。這種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拿枋霾⒉荒芙o初學(xué)者一個直觀的認(rèn)識。但若用這樣的比喻來解釋三種土壓力，可能會有意想不到的效果。即“有時要擠上一輛擁擠的公交車實屬不易。使勁向上擠，甚至都要把前面的人擠冒起來（‘土體破壞），自己才能擠上去，這時相當(dāng)于對上面的人群施加了被動土壓力，顯然是相當(dāng)吃力而辛苦的;之后，自己剛擠上去，司機(jī)關(guān)上車門，自己貼在靜止的車門上動彈不得，雖比先前好受些，但被靜止的車門頂住亦還難受，這相當(dāng)于受到靜止土壓力;好容易熬到一個站臺，車門打開（身體向外有位移），自己瞬間輕松許多，此時我們受到的便是主動土壓力，感到壓力小多了，但要穩(wěn)住腳跟，防止跌落車下”。（2）日常生活中的現(xiàn)象可采用土力學(xué)的基本原理進(jìn)行解釋，比如采用有效應(yīng)力原理對過度抽取地下水引起地面沉降進(jìn)行解釋。即抽水的過程就相當(dāng)于固結(jié)排水過程，抽水使得孔隙水壓力逐漸減小，有效應(yīng)力增加，進(jìn)而導(dǎo)致土體壓密，引起地面沉降。

當(dāng)然，將這些“趣味”恰當(dāng)?shù)匾氲酵亮W(xué)的教學(xué)中也并非易事，對于老師而言，要做一個生活中的有心人，勤于思考。另外，多閱讀是加強(qiáng)這方面能力的有效途徑，李廣信教授所著的《巖土工程50講》[6]、高大釗教授所著的《土力學(xué)與巖土工程師》[7]以及眾多的期刊論文都是很好的參考資料。

五、結(jié)語

土力學(xué)作為土木工程專業(yè)的一門主干專業(yè)基礎(chǔ)課，有其自身鮮明的特色。在教學(xué)過程中，理論與實踐教學(xué)兩個方面都要引起足夠的重視，二者相輔相成，不可或缺。理論教學(xué)內(nèi)容可制定學(xué)時安排做好教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃，但應(yīng)注意在呈現(xiàn)整個土力學(xué)理論框架的同時注意重點突出;實踐教學(xué)環(huán)節(jié)在重視室內(nèi)試驗的同時，有條件的情況下可與現(xiàn)場試驗觀摩以及課程設(shè)計并舉。同時，在教學(xué)過程中，最好能緊密結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，增加教學(xué)的“趣味性”，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李廣信，呂禾，張建紅.土力學(xué)課程教學(xué)中的實踐教學(xué)[J].實驗技術(shù)與管理，2006，23（12）：13-14（23）.

[2]趙成剛，韋昌富，蔡國慶.土力學(xué)理論的發(fā)展和面臨的挑戰(zhàn)[J].巖土力學(xué)，2011，32（12）：3521-3540.

[3]李廣信.奇談怪論土力學(xué)[J].巖土工程界，2003，6（6）：25-28.

[4]李廣信，杜修力.土力學(xué)教育與教學(xué)[M].北京：人民交通出版社，2006.

[5]馬時強(qiáng).比喻法在土力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].聊城大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，25（1）：108-110.

[6]李廣信.巖土工程50講[M].第2版.北京：人民交通出版社，2010.

[7]高大釗.土力學(xué)與巖土工程師[M].北京：人民交通出版社，2008.endprint