基于土力學(xué)實(shí)踐教學(xué)的創(chuàng)新能力培養(yǎng)

侯世偉 劉瀟 趙儉斌

摘要：隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，因土體破壞引發(fā)的工程問(wèn)題越來(lái)越多，以土力學(xué)為代表的巖土工程方向日益受到重視。土力學(xué)是土木工程專業(yè)課程體系的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，所以本科土力學(xué)的教學(xué)也面臨著巨大挑戰(zhàn)，其教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法均需根據(jù)工程及社會(huì)需要進(jìn)行改革創(chuàng)新，才能滿足培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需要。結(jié)合本校城市地下空間專業(yè)的發(fā)展對(duì)土力學(xué)的教學(xué)進(jìn)行了初步探討。

關(guān)鍵詞：土力學(xué)；創(chuàng)新能力；教學(xué)；巖土工程

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）32-0106-02

一、引言

錢七虎院士指出，19世紀(jì)，人類為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，建造了很多橋梁，所以19世紀(jì)是橋的世紀(jì)；20世紀(jì)，人類建造了大量的高層建筑，所以20世紀(jì)是高層建筑的世紀(jì)；而21世紀(jì)，為了節(jié)約能耗、保護(hù)環(huán)境，人類必須大量的利用地下空間，因此，21世紀(jì)對(duì)人類來(lái)說(shuō)是“地下空間”的世紀(jì)[1]?？梢?jiàn)，21世紀(jì)是巖土工程飛速發(fā)展的世紀(jì)，專業(yè)的發(fā)展面臨著巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。目前，沈陽(yáng)建筑大學(xué)已增設(shè)了城市地下空間工程專業(yè)，完善了本校的土木工程教育教學(xué)體系，同時(shí)也提出了新的要求，尤其是土力學(xué)作為城市地下空間專業(yè)的主干課，在教學(xué)方面亟需專業(yè)內(nèi)容的調(diào)整和教學(xué)方法的改革。培養(yǎng)高素質(zhì)的巖土工程創(chuàng)新性人才是現(xiàn)階段沈陽(yáng)建筑大學(xué)巖土方向教育教學(xué)的首要任務(wù)，圍繞這一任務(wù)，作者進(jìn)行以下幾點(diǎn)思考和討論。

二、土力學(xué)教學(xué)內(nèi)容

土體是一種不均勻摩擦材料，兼具粘彈塑特性。巖土體的復(fù)雜性決定了一個(gè)巖土工程問(wèn)題在處理時(shí)可以有多種方案，具體工程更具有明顯的經(jīng)驗(yàn)性。所以，在面對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)，僅僅依靠某個(gè)土力學(xué)基本理論很難將問(wèn)題詮釋清楚，需要?jiǎng)?chuàng)造性地耦合多種因素，體現(xiàn)具體問(wèn)題具體分析，把每個(gè)工程看成一個(gè)獨(dú)有的特例[2]。故而土力學(xué)的教學(xué)目的應(yīng)是培養(yǎng)學(xué)生在理論知識(shí)的基礎(chǔ)之上解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力和水平。首先，使學(xué)生掌握土力學(xué)的基本知識(shí)；其次，將其與應(yīng)用聯(lián)系到一起解決問(wèn)題；最終，提出創(chuàng)新和預(yù)測(cè)前沿問(wèn)題?，F(xiàn)有的土力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容從教材角度講差別不大，沒(méi)有針對(duì)結(jié)構(gòu)工程、巖土工程等專業(yè)進(jìn)行區(qū)分，所以教學(xué)內(nèi)容上比較一致。作為巖土的專業(yè)課教師在進(jìn)行土力學(xué)授課時(shí)應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，內(nèi)容上以基本理論為基礎(chǔ)，不能墨守成規(guī)，可以進(jìn)行一些必要的刪減，根據(jù)工程實(shí)例進(jìn)行講解，并且應(yīng)該隨著專業(yè)的發(fā)展適當(dāng)增加前沿性的了解內(nèi)容，這樣才能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，如果授課內(nèi)容中沒(méi)有與實(shí)際工程相聯(lián)系的知識(shí)，學(xué)生就會(huì)感到枯燥，變?yōu)楸粍?dòng)的“填鴨式”教學(xué)。從歷年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，學(xué)生對(duì)與實(shí)際工程和發(fā)展前沿的知識(shí)求知積極性很高。今后，可以適當(dāng)增加工程案例，強(qiáng)調(diào)自學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)自學(xué)和思考的能力。土力學(xué)教學(xué)除了教授基本理論知識(shí)，還應(yīng)該讓學(xué)生有自學(xué)和解決問(wèn)題的能力。因?yàn)樵趯?shí)踐中影響土力學(xué)問(wèn)題的因素很多，沒(méi)有完全一樣的設(shè)計(jì)和工程，光靠背誦書本上的理論公式是無(wú)法解決問(wèn)題的，需要全面系統(tǒng)地看待問(wèn)題。針對(duì)專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)課程的興趣，可將土力學(xué)放到地下空間的應(yīng)用中去，地下空間的開(kāi)發(fā)與規(guī)劃與我們的生活息息相關(guān)，如地鐵、地下停車場(chǎng)、地下共同溝等，要開(kāi)發(fā)和建設(shè)這些公共設(shè)施都離不開(kāi)和土體打交道，所以土力學(xué)是地下空間規(guī)劃和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。針對(duì)城市地下空間的土力學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容應(yīng)與傳統(tǒng)土力學(xué)有所區(qū)別，要不斷更新，除了講授基本知識(shí)，教師還應(yīng)該對(duì)本行業(yè)的前沿知識(shí)和發(fā)展趨勢(shì)有一定了解，使自身的知識(shí)結(jié)構(gòu)更加完善，這樣不僅教會(huì)了學(xué)生解決基本的土力學(xué)問(wèn)題，而且能夠?qū)W(xué)生將來(lái)的繼續(xù)深造和就業(yè)做出正確的指導(dǎo)，更能調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。在這個(gè)層次上，不僅要求教師要掌握最新的理論和最新的規(guī)范要求，還要多參加實(shí)際工程的成果應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)展和延伸是對(duì)教師能力水平的挑戰(zhàn)，要求教師要努力改善自身的知識(shí)結(jié)構(gòu)，不斷學(xué)習(xí)提升，掌握專業(yè)和學(xué)科的最新動(dòng)態(tài)。所以教師在課下的時(shí)間要多參與科學(xué)研究提高學(xué)術(shù)高度，多參與工程實(shí)踐了解新方法，堅(jiān)持理論和實(shí)踐兩手都要硬，才能在課堂上將講解的理論知識(shí)與現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和探索性[3]。

三、土力學(xué)教學(xué)方法

土作為一種特殊復(fù)雜的建筑材料，在實(shí)際工程中要求設(shè)計(jì)師具有很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，所以土力學(xué)是非常感性的一門課程。在教學(xué)方法上要求更加對(duì)其深刻的理解。首先，要讓學(xué)生通過(guò)觀察和觸摸建立最初的理解，作為一種材料從力學(xué)角度來(lái)認(rèn)識(shí)土。其次，通過(guò)一系列的室內(nèi)和原位試驗(yàn)來(lái)測(cè)試土的特性。最后，總結(jié)土的特性形成理論體系，理解后指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。傳統(tǒng)的土力學(xué)教學(xué)大多是“教師主講，學(xué)生坐聽(tīng)”；教學(xué)手段則是多媒體課件為主，板書為輔。教學(xué)形式單一，無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，對(duì)知識(shí)的傳授和能力的培養(yǎng)都有影響。這門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科要求教學(xué)要開(kāi)放和互動(dòng)。目前，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本是依附于理論教學(xué)，呈現(xiàn)理論課與實(shí)驗(yàn)課“混搭”狀態(tài)，教學(xué)實(shí)際中存在理論教學(xué)與試驗(yàn)教學(xué)分離的現(xiàn)象，不同的教師講解，互不干涉；實(shí)驗(yàn)課本應(yīng)與理論課結(jié)合，使理論講解的指標(biāo)關(guān)系用實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)得更加深刻，但目前多數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分散，缺乏系統(tǒng)規(guī)劃，造成學(xué)生對(duì)同一理論的學(xué)習(xí)出現(xiàn)重復(fù)和延遲。學(xué)時(shí)安排上理論課40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課8學(xué)時(shí)，重視試驗(yàn)程度不夠，而且試驗(yàn)課程內(nèi)容主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，沒(méi)有理解性發(fā)揮和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)安排。這種試驗(yàn)安排與土力學(xué)的強(qiáng)實(shí)踐性不相符。土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)分依賴于《土力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》，它的內(nèi)容多是從《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》摘錄而來(lái)，過(guò)于條框、生硬、抽象，很多同學(xué)不知其中緣由。應(yīng)該將實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)結(jié)合起來(lái)，講解理論知識(shí)的同時(shí)安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示和驗(yàn)證，或者獨(dú)立進(jìn)行課程設(shè)置，健全成績(jī)考核體系。這樣一方面可以將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目集中或者獨(dú)立成課，更容易加強(qiáng)認(rèn)識(shí)；另一方面，除了基本室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，有條件可以結(jié)合實(shí)際工程增加現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)。另外，還可以結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃等增加研究性的科研項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生自主完成試驗(yàn)方案的制訂，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)步驟的操作，最后分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并提交報(bào)告。這個(gè)過(guò)程綜合培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，相信學(xué)生能夠通過(guò)一門課程而有更多的收獲。此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，土工計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)也飛速發(fā)展。基于此可以考慮加入一部分自學(xué)內(nèi)容，使學(xué)有余力的學(xué)生有自我提升的空間。目前有大量的巖土共層數(shù)值分析軟件應(yīng)用于土力學(xué)的教學(xué)和實(shí)踐中。如Plaxis系列軟件、GEOSLOPE系列軟件等。一方面，教師可將其運(yùn)用到教學(xué)中增強(qiáng)教學(xué)效果；一方面，學(xué)生可以自學(xué)一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)軟件，為畢業(yè)設(shè)計(jì)和將來(lái)就業(yè)打下基礎(chǔ)。比如土力學(xué)中的經(jīng)典問(wèn)題，地基承載力和沉降過(guò)程、邊坡的穩(wěn)定性、擋土墻的穩(wěn)定性和土壓力問(wèn)題等，都可以通過(guò)數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，將各種云圖結(jié)合理論規(guī)律展示給學(xué)生，亦可生成動(dòng)畫[4]。另外對(duì)不方便試驗(yàn)的土力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行演示教學(xué)。

四、土力學(xué)教學(xué)效果評(píng)價(jià)

我國(guó)土木工程專業(yè)本科教育的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬、適應(yīng)能力強(qiáng)和具有嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度及強(qiáng)烈創(chuàng)新意識(shí)的高素質(zhì)人才。土力學(xué)的教學(xué)以培養(yǎng)目標(biāo)為依據(jù)，不僅要加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)踐，還要不斷改進(jìn)和發(fā)展，理論和試驗(yàn)都要抓，重視培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問(wèn)題的能力，而不是通過(guò)一張?jiān)嚲頉Q定學(xué)習(xí)的效果。要達(dá)到最佳的效果，教學(xué)效果的評(píng)價(jià)或考核方式也應(yīng)靈活多樣，如寫讀書報(bào)告、課堂討論答辯等。考核不是目的，而是達(dá)到教學(xué)目的的手段，要激勵(lì)學(xué)生形成創(chuàng)造性思維。增加這方面的權(quán)重，如增加第二課堂、興趣實(shí)驗(yàn)的考核權(quán)重。在第二課堂中開(kāi)展原位試驗(yàn)觀摩、自主設(shè)計(jì)和參與研究方案、以及數(shù)值計(jì)算技術(shù)的學(xué)習(xí)等，鼓勵(lì)學(xué)生做自己感興趣與本學(xué)科相關(guān)的探索性學(xué)習(xí)活動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到最佳的教學(xué)效果[5]。這樣既提高學(xué)習(xí)積極性，又可以去探索理論教學(xué)沒(méi)有深入的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的針對(duì)性培養(yǎng)。在第二課堂可以實(shí)現(xiàn)階梯式培養(yǎng)，鼓勵(lì)基礎(chǔ)牢固、學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的學(xué)生，在大學(xué)階段有意識(shí)的培養(yǎng)自己獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力，為他們繼續(xù)深造打下基礎(chǔ)。在這個(gè)過(guò)程中，他們可以學(xué)會(huì)如何發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，調(diào)動(dòng)本身可以利用的資源，如圖書和網(wǎng)絡(luò)等，團(tuán)隊(duì)合作，組成課外小組，大家分工查資料、做實(shí)驗(yàn)或者寫報(bào)告和學(xué)術(shù)論文。也可以與學(xué)?？蒲薪虒W(xué)團(tuán)隊(duì)，加強(qiáng)能力和素質(zhì)培養(yǎng)。積極參與這類的活動(dòng)都將成為考核或評(píng)價(jià)教學(xué)效果的一項(xiàng)內(nèi)容。

五、結(jié)論

我校地下空間專業(yè)要培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)人才，需要所有教師把培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為核心的全面素質(zhì)教育放在專業(yè)教育的首位。教師要將知識(shí)傳授與創(chuàng)新能力培養(yǎng)這兩方面協(xié)調(diào)好，二者缺一不可。針對(duì)土力學(xué)這門課程，必須將基本理論與實(shí)際工程相聯(lián)系，這就要求教師自身要熟悉與土力學(xué)相關(guān)的土木工程學(xué)科，包括結(jié)構(gòu)工程、巖土工程、防災(zāi)減災(zāi)工程、水利工程、港口工程、交通工程等學(xué)科。即土力學(xué)教師本身應(yīng)是一個(gè)具備能夠創(chuàng)新性地學(xué)習(xí)能力的學(xué)者，不斷學(xué)習(xí)和積累，持續(xù)地獲取新的知識(shí)，學(xué)習(xí)新的技術(shù)，采用先進(jìn)的教學(xué)手段，才能培養(yǎng)出創(chuàng)新型的人才。

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