基于工程問題的土力學(xué)與基礎(chǔ)工程課程建設(shè)探索

張艷美++楊文東++奕雅琳

摘要：針對高校土力學(xué)與基礎(chǔ)工程課程現(xiàn)狀，文章提出了“3333”課程教學(xué)設(shè)計(jì)，并基于工程問題進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容重組，打破原來的知識體系，建立了6大模塊20個(gè)問題的教學(xué)內(nèi)容體系。此外，探索應(yīng)用問題式、案例式、情境式和個(gè)性化等多種方式相結(jié)合的教學(xué)方法和多元化的教學(xué)手段，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。最后還提出了進(jìn)一步完善土力學(xué)與基礎(chǔ)工程課程建設(shè)的幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：工程問題；土力學(xué)；基礎(chǔ)工程；課程建設(shè)

中圖分類號：G6420；TU43文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

10052909（2016）04007404

土力學(xué)與基礎(chǔ)工程課程內(nèi)容是建筑、道路、橋梁、隧道、水利、地下、海工等各類工程設(shè)計(jì)、施工、研發(fā)、工程事故分析等的重要理論基礎(chǔ)，是土木工程專業(yè)的必修課程，也是一門理論性、實(shí)踐性和綜合性很強(qiáng)的專業(yè)核心課程[1]。該課程與混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、建筑抗震等課程緊密相連，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和抗震設(shè)計(jì)不可或缺的重要組成部分，也是土木工程專業(yè)執(zhí)業(yè)資格考試的必考科目。筆者所在的中國石油大學(xué) （華東）不僅土木工程專業(yè)而且儲運(yùn)工程、工程力學(xué)、海洋工程等專業(yè)也設(shè)置了該課程。為了保證教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》提出的創(chuàng)新思維和社會實(shí)踐、全面發(fā)展和個(gè)性發(fā)展緊密結(jié)合的人才培養(yǎng)要求，需要在土力學(xué)與基礎(chǔ)工程課程教學(xué)過程中不斷改革創(chuàng)新，進(jìn)一步加強(qiáng)和完善課程建設(shè)。

一、“3333”課程教學(xué)設(shè)計(jì)

在土力學(xué)與基礎(chǔ)工程課程教學(xué)過程中，筆者提出了 “三大工程問題、三方工程應(yīng)用、三個(gè)教學(xué)結(jié)合、三種能力培養(yǎng)” 的“3333”課程教學(xué)設(shè)計(jì)（圖1），即以巖土工程面臨的變形、強(qiáng)度（含穩(wěn)定）和滲流三大工程問題為主線，完成專業(yè)基礎(chǔ)知識的理論教學(xué)；以地基設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和地基處理三方面的工程應(yīng)用為導(dǎo)向，完成專業(yè)知識的理論教學(xué)；以理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)、授課內(nèi)容與執(zhí)業(yè)考試、課程學(xué)習(xí)與科研課題三個(gè)結(jié)合為途徑，實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)、學(xué)、研”一體化，最終達(dá)到提升學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和職業(yè)能力的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

二、教學(xué)內(nèi)容的重組

基于人才能力培養(yǎng)目標(biāo)，通過課程組教師的多次討論和分析，將土力學(xué)與基礎(chǔ)工程課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重組，打破了原來的知識體系[2]，建立了6大模塊20個(gè)問題的教學(xué)內(nèi)容體系。

（一）工程地質(zhì)勘察模塊

這個(gè)模塊主要解決兩個(gè)問題：一是工程地質(zhì)勘察報(bào)告的識讀；二是對土的物理性質(zhì)及工程分類的學(xué)習(xí)。結(jié)合勘察報(bào)告的三圖一表，重點(diǎn)講解土的組成、物理性質(zhì)指標(biāo)、物理狀態(tài)指標(biāo)、壓實(shí)性、工程分類，以及完成相應(yīng)的土工試驗(yàn)等內(nèi)容。

（二）滲流問題模塊

滲流是巖土工程面臨的主要問題之一。這個(gè)模塊主要解決兩個(gè)問題：一是土的滲透性，重點(diǎn)介紹達(dá)西定律及滲透系數(shù)的測定等；二是結(jié)合流土和管涌現(xiàn)象，詳細(xì)講解滲透力、流土和管涌問題的判斷及控制措施等，對于二惟滲流和流網(wǎng)問題僅作簡要介紹或不作介紹。

（三）變形問題模塊

變形和強(qiáng)度是建（構(gòu)）筑地基必須同時(shí)滿足的兩個(gè)技術(shù)條件。這個(gè)模塊主要解決三個(gè)問題：一是土中應(yīng)力的計(jì)算，它是分析變形和強(qiáng)度問題的基礎(chǔ)。除了應(yīng)力的計(jì)算，還應(yīng)介紹應(yīng)力特別是附加應(yīng)力的分布規(guī)律，以有利于對工程事故的判斷。有效應(yīng)力原理作為土力學(xué)的立足點(diǎn)之一，也是這部分重點(diǎn)講解的內(nèi)容。二是最終沉降量的計(jì)算，重點(diǎn)介紹土的五個(gè)壓縮性指標(biāo)及其測定方法，對最終沉降量計(jì)算方法主要介紹分層總和規(guī)范修正法，以及現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》對地基變形允許值的要求，其他計(jì)算方法作簡要介紹。三是沉降與時(shí)間的關(guān)系問題，太沙基一維固結(jié)理論是土力學(xué)的另一個(gè)立足點(diǎn)，由于其理論性較強(qiáng)，以講清楚基本原理為主。這部分重點(diǎn)介紹瞬時(shí)和逐步加荷下地基固結(jié)度的計(jì)算。

（四）強(qiáng)度（含穩(wěn)定）問題模塊

土壓力、地基承載力和土坡穩(wěn)定是與土的抗剪強(qiáng)度直接相關(guān)的三個(gè)工程方面。這個(gè)模塊主要解決四個(gè)問題：一是土的抗剪強(qiáng)度理論，在重點(diǎn)闡述庫倫公式和極限平衡條件的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹和完成直剪試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)等抗剪強(qiáng)度指標(biāo)測定試驗(yàn)，并分析相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果等內(nèi)容，對于應(yīng)力路徑、孔壓系數(shù)僅作簡單介紹；二是土壓力計(jì)算，重點(diǎn)介紹土壓力的影響因素和分類以及朗肯土壓力的計(jì)算等內(nèi)容，庫倫土壓力以講清楚基本原理為主，同時(shí)結(jié)合相關(guān)規(guī)范和工程實(shí)例講解重力式擋土墻的設(shè)計(jì)；三是地基承載力，除了介紹淺基礎(chǔ)的破壞特征、臨界荷載等重要概念外，結(jié)合現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》重點(diǎn)講述地基承載力特征值的確定方法；四是土坡穩(wěn)定分析，這部分不作重點(diǎn)要求，僅簡要介紹黏性土土坡和無黏性土土坡的穩(wěn)定分析方法。

（五）地基處理方案設(shè)計(jì)模塊

這部分結(jié)合實(shí)際工程案例和現(xiàn)行《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，講述換填墊層、預(yù)壓、強(qiáng)夯和復(fù)合地基四類工程中常用的地基處理方法。重點(diǎn)講述各類方法的加固機(jī)理和適用范圍，并結(jié)合具體工程地基處理方案，講述相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

（六）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模塊

這個(gè)模塊主要解決四個(gè)問題：一是地基計(jì)算，主要講述基礎(chǔ)埋深的確定和地基承載力驗(yàn)算；二是淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)規(guī)范和實(shí)際工程施工圖，重點(diǎn)介紹獨(dú)立基礎(chǔ)、連續(xù)基礎(chǔ)、聯(lián)合基礎(chǔ)和儲罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)及施工圖識讀；三是深基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)規(guī)范和實(shí)際工程施工圖，重點(diǎn)介紹樁基礎(chǔ)，簡要介紹沉井基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工圖識讀。

在20個(gè)問題中，根據(jù)內(nèi)容和需要又劃分若干個(gè)知識單元，并突出學(xué)校石油行業(yè)特色。教師可根據(jù)不同專業(yè)的課時(shí)設(shè)置、研究方向等選擇相應(yīng)的模塊和問題進(jìn)行講解。

三、教學(xué)方法的改革

結(jié)合課程特點(diǎn)，改變傳統(tǒng)課堂教學(xué)完全由教師講課的方式，采用“精講、自學(xué)與討論”相結(jié)合，問題式、情境式和案例式等多樣化的教學(xué)方法，增加師生之間、學(xué)生之間的互動，注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動探究。同時(shí)，考慮學(xué)生的個(gè)體差異，因人施教，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)。

（一）問題式教學(xué)

結(jié)合工程案例，把每章的重要知識點(diǎn)以問題的形式提出，作為閱讀或研讀任務(wù)提前發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生帶著任務(wù)進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課堂討論和課后復(fù)習(xí)，以解決問題為驅(qū)動力，明確課堂教學(xué)目標(biāo)。如講解自重應(yīng)力計(jì)算時(shí)，可設(shè)置問題：地下水位上下發(fā)生變化時(shí)，可能會引發(fā)什么樣的工程問題？目前國內(nèi)區(qū)域性沉降情況如何？國家層面有何政策或措施？等。通過問題式教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生自主查資料，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。

（二）案例式教學(xué)

以工程質(zhì)量問題或工程事故為案例，剖析事故產(chǎn)生的原因，分析有關(guān)的基本理論，探討解決問題的辦法，提出解決問題的新思路。通過有針對性的工程案例剖析，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和運(yùn)用知識解決一般土工問題的能力。如在講述預(yù)壓法時(shí)，可結(jié)合某儲罐滲漏案例，分析滲漏原因是由于地基變形過大導(dǎo)致管道斷裂引起的，討論學(xué)過的哪些知識點(diǎn)與減小地基沉降量有關(guān)，并逐步引導(dǎo)學(xué)生將回彈再壓縮理論用于解決地基沉降過大問題，最后得出工程中常用的堆載預(yù)壓法等。

在講解基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，可以結(jié)合實(shí)際工程資料，講解基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的流程、計(jì)算方法、相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求、施工圖繪制和識讀等，以培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和專業(yè)能力。

（三）情景式教學(xué)

通過帶領(lǐng)學(xué)生去實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)、到施工現(xiàn)場參觀或播放工程錄像等方式，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)具體的、動態(tài)的和直觀的情境，幫助學(xué)生理解授課內(nèi)容和技術(shù)規(guī)范，拓展學(xué)生的工程視野。如規(guī)范要求三角形承臺鋼筋應(yīng)按三向板帶均勻布置，很多學(xué)生對此卻不明白，但只要把學(xué)生帶到施工現(xiàn)場參觀講解，學(xué)生就會清楚明白

了（圖2）。

（四）個(gè)性化教學(xué)

考慮到學(xué)生能力的個(gè)體差異，通過課后作業(yè)分類（分為必交、不必交和練習(xí)作業(yè)三類）、實(shí)驗(yàn)教學(xué)分類（分為必做、觀摩和研究實(shí)驗(yàn)三類）、組建大學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等形式，實(shí)現(xiàn)因材施教和個(gè)性化教學(xué)[3]。

（五） 開放性教學(xué)

遵循以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)的教育理念，在課堂教學(xué)中引入“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式，并結(jié)合本科生教學(xué)的特點(diǎn)，實(shí)行教師精講與學(xué)生討論相結(jié)合、學(xué)生提問與教師解惑相結(jié)合、教師引導(dǎo)與學(xué)生分析相結(jié)合的課程教學(xué)，增加師生之間、學(xué)生之間的互動交流，實(shí)現(xiàn)開放性教學(xué)。

四、教學(xué)手段的改革

改革教學(xué)手段也是課程建設(shè)的重要組成部分。在該課程教學(xué)過程中采用多元化的教學(xué)手段。

（一）采用多種現(xiàn)代教育技術(shù)手段

制作了相對完善的多媒體課件，使教學(xué)內(nèi)容直觀性強(qiáng)，便于學(xué)生掌握和理解。建立課程網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源電子化，通過前沿專題、職能訓(xùn)練、互動交流等欄目，加強(qiáng)師生之間的互動，為學(xué)生提供更為豐富的學(xué)習(xí)資源和全新的學(xué)習(xí)條件（圖3）。

（二）充分利用校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室

由于該課程的基本理論、公式等主要來源于實(shí)踐和試驗(yàn)，因此，結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容，充分利用學(xué)校完備的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)條件，通過讓學(xué)生親自做實(shí)驗(yàn)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，加深學(xué)生對相關(guān)理論和工程問題的理解，并通過鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、嘗試改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器等，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力。

（三）充分利用校內(nèi)外實(shí)習(xí)基地

結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容，組織學(xué)生到多個(gè)實(shí)習(xí)基地現(xiàn)場觀摩，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合，有效提高教學(xué)質(zhì)量。

五、結(jié)語

課程建設(shè)是項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括教學(xué)內(nèi)容、教材建設(shè)、教學(xué)方法、考核方式、教學(xué)手段、教學(xué)資源等多個(gè)方面。要使學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)掌握課程的精髓，提高其學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)三種能力培養(yǎng)的目標(biāo)，還需要進(jìn)一步完善課程建設(shè)。建議今后進(jìn)一步加強(qiáng)和改進(jìn)如下工作：一是基于能力和過程原則的考核方式改革；二是以學(xué)生為課堂主體的研究性教學(xué)方式改革；三是虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與系統(tǒng)研發(fā)；四是基于MOOC視野的課程建設(shè)等。參考文獻(xiàn)：

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[2] 陳劍波，陳揚(yáng). 項(xiàng)目教學(xué)法在土力學(xué)與地基基礎(chǔ)課程中的實(shí)踐與探討[J].新課程研究，2010（183）：68-70.

[3] 張艷美，楊文東.大土木背景下土力學(xué)與基礎(chǔ)工程課程個(gè)性化教學(xué)模式的探索與實(shí)踐[J].高等建筑教育，2014，23（6）：63-65.