基于工程實例的土力學課程教學方法探討

尹平保+柳厚祥+張軍+賀煒

【摘 要】目前土力學教學過程中尚存在重理論輕實踐的問題。針對該問題結(jié)合土力學課程教學的特點，提出了基于工程實例的土力學課程教學方法，即結(jié)合實際工程中的典型案例來講授理論知識和專業(yè)，通過教師和學生的親情式合作和互動，引導學生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題，并提高其利用理論和專業(yè)知識解決工程實際問題的能力。

【關(guān)鍵詞】土力學；工程實例；教學方法

0 引言

土力學（Soil mechanics）是一門研究土的物理力學性質(zhì)、基本原理與方法的學科，它是土木、水利、交通等工科專業(yè)本、?？粕匦薜囊婚T專業(yè)性基礎(chǔ)課。其研究對象是地球淺表可供人類改造的天然土體[1-3]。土力學最早是由美籍奧地利土力學家太沙基在上世紀20年代提出來的。太沙基在1923年發(fā)表了滲透固結(jié)理論，第一次科學地研究了土體固結(jié)過程，并提出有效應(yīng)力原理；在1925年發(fā)表了世界上第一本土力學專著——《Erdbaumechanik》其被公認為是土力學做為一門獨立學科形成的標志?，F(xiàn)代土力學主要是在大量理論推導、試驗探索以及工程實踐的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展和形成的一門理論性和應(yīng)用性均較強的專業(yè)基礎(chǔ)學科?，F(xiàn)代土力學的主要特點是以基礎(chǔ)理論知識為主，從而為土木、水利、交通等工科專業(yè)本、?？粕罄m(xù)專業(yè)課程學習奠定理論基礎(chǔ)。然而，在土力學教學過程中，很多教師往往是按部就班傳授理論知識，很少講授與工程實例有關(guān)的專業(yè)知識，也就很難激發(fā)學生的學習興趣，造成教學效果很不樂觀。因此，很有必要根據(jù)土力學教學過程中面臨的一些問題，針對性地改變教學方式，如：適當增加工程案例，將抽象的理論問題轉(zhuǎn)化成更加形象的工程實際問題，以期提高學生的學習熱情以及解決實際問題的能力。

1 土力學教學面臨的問題

實驗和實踐教學是土木工程人才培養(yǎng)中一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，也是最能反映學生綜合素質(zhì)和動手能力的一個重要評價指標。然而，自20世紀末到21世紀初以來，我國高等院校持續(xù)擴招，在校學生數(shù)量大幅增長，實驗和實踐教學質(zhì)量出現(xiàn)嚴重滑坡，原有的教學模式已經(jīng)很難適應(yīng)新型的教學環(huán)境。尤其是重理論輕實踐的教學模式，給教風和學風造成了非常嚴重的惡性循環(huán)。其原因在于實驗和實踐教學流于形式，教師監(jiān)管缺位，學生逃避、應(yīng)付現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生[4-5]。

據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)開設(shè)土力學課程的高校，大多數(shù)學時安排為：總學時約40～48個，其中理論學時32～40個，實驗實踐學時8個，理論與實驗實踐課時比為4：1～5：1。近年來，筆者所在教學團隊主要根據(jù)袁聚云教授（以前由高大釗教授）主編的《土質(zhì)學與土力學》[3]來安排理論課，如表1所示。從表1可以看出，雖然說理論課總共32個學時的安排勉強可以將理論知識點全部講完，但是從學生們的課堂反應(yīng)來看，實際上很多知識點還是掌握得不夠牢固。

眾所周知土力學是一門實驗性非常強的課程。但實驗實踐只安排8個學時，顯然不夠。目前土力學教學大綱要求的基本實驗有：篩分及顆粒分析實驗（2學時）、黏性土的塑液限實驗（2學時）、壓縮實驗（2學時）、直剪實驗（2學時）。尚有土的滲透實驗、擊實試驗、三軸試驗等實驗，往往因為開設(shè)條件不夠等原因，僅提供演示實驗，甚至根本就不開設(shè)。根據(jù)筆者的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，即使是已開設(shè)的實驗實踐課，效果也很不理想[2]。其主要原因是：同組人數(shù)多、實驗時間短、試驗儀器問題多等。

綜上所述，目前土力學教學過程中，仍然存在重理論教學輕實驗實踐的普遍問題。另外，由于辦學模式及專業(yè)特色各異，每個學校在專業(yè)設(shè)置、人才培養(yǎng)及教學人員配置等方面也存在很多問題。這些問題的存在，將直接給學生帶入“學無所用”的一個誤區(qū)，從而進一步降低了學習熱情和興趣、甚至是厭學。

2 基于工程實例的土力學教學方法

開展基于工程實例的土力學教學方法，其指導思想是：以工程實例帶動理論教學，即以實際工程中的典型案例為引，以理論知識專業(yè)為線，結(jié)合工程背景來講授理論知識，通過教師和學生的親情式合作和示范，引導學生思考問題，并利用理論知識解決工程實際問題[4-6]。以下主要以地基沉降計算為例，介紹如何基于工程實例開展土力學課程教學。

2.1 典型工程實例選擇

通常情況下，工程案例應(yīng)該來源于實際工程，并應(yīng)選擇具有一定影響力的典型工程反例（失敗的例子）比較容易給學生留下深刻印象。例如，地基不均勻沉降造成我國蘇州虎丘塔和意大利比薩斜塔發(fā)生嚴重偏斜[3]，如圖1所示。蘇州虎丘塔：建于公元961年，全塔總共7層，高47.5m。1980年6月對虎丘塔現(xiàn)場進行勘察，發(fā)現(xiàn)全塔向東北方向嚴重傾斜，塔頂離中心線達2.31m，底層塔身發(fā)生裂縫（塔身東北方向為垂直裂縫，塔身西南方向為水平裂縫）。意大利比薩斜塔（Leaning Tower of Pisa）：自1173年8月開工到1372年完工，建造時間約200年。全塔共8層，塔高55m，1174年首次發(fā)現(xiàn)傾斜，傾斜角度3.99度，塔基偏離地基外沿2.5m，塔頂偏離中心線4.5m。

工程實例教學的目的是通過對案例的分析、對比、質(zhì)疑和思考，引導學生將理論與實踐有機結(jié)合。因此，在選擇工程實例時，還應(yīng)該注意案例真實性、典型性、時效性以及完整性。一個比較典型的工程案例應(yīng)該具備：背景信息完整、工程措施具體、選取案例典型、工后效果明確、工程時效顯著、信息檔案完整。只有這樣才能較好地構(gòu)建理論知識與工程實踐之間的橋梁。才能使學生更有效地掌握講授的知識點，也才能提高學生解決實際工程問題能力。

2.2 工程實例講述與分析

工程實例講述時，要結(jié)合工程背景，明確提出工程實際問題，再通過師生互動和交流，挖掘更多的潛在信息，從而完成工程案例及專業(yè)術(shù)語知識的傳授與解釋。例如：可以通過PPT將虎丘塔或比薩斜塔的建造歷史、工程地質(zhì)剖面圖以及不均勻沉降導致的問題展現(xiàn)給學生。工程實例分析時，首先教師提問讓學生結(jié)合土的三相比例指標、土的分類、土體壓縮性、有效應(yīng)力原理以及固結(jié)理論等知識，思考虎丘塔或比薩斜塔發(fā)生傾斜的原因。并要求分組思考以上問題，小組討論結(jié)束后，請各組代表發(fā)言。教師根據(jù)發(fā)言情況，適當進行補充和評價，并將形成地基沉降問題的主要知識結(jié)構(gòu)和討論思路以框圖的形式在黑板上繪制，最后利用分層總和法計算虎丘塔或比薩斜塔地基的工后沉降。還可以讓學生課后思考如果不對其進行處治，預(yù)測虎丘塔和比薩斜塔在50和100年后的地基沉降及塔身偏斜情況。

在案例講述與分析時，還要注意相關(guān)理論知識點的遷移和實際工程的移植，并圍繞課程教學目標，實現(xiàn)理論知識和專業(yè)知識的有效結(jié)合。從而促使學生在工程案例講述與分析過程中發(fā)掘理論知識和工程應(yīng)用之間的切合點，并積累經(jīng)驗實現(xiàn)遷移。

2.3 問題解決方法與措施

如何引導學生利用理論知識和專業(yè)知識來解決實際工程問題，對教師來說，首先需要創(chuàng)造一個良好的課堂氣氛，鼓勵學生敢于利用現(xiàn)有的知識去解決實際工程問題，并不斷培養(yǎng)這種意識和知識創(chuàng)新能力，從而營造一個教學相長的課堂環(huán)境。其次，主講教師還要精心設(shè)計工程實例教學結(jié)構(gòu)，藝術(shù)地展現(xiàn)虎丘塔或比薩斜塔地基不均勻沉降產(chǎn)生原因以及沉降計算過程，進而創(chuàng)造一個開放式的討論環(huán)節(jié)，讓學生可以暢所欲言發(fā)表自己的見解及解決辦法。以此引導學生發(fā)散思維，提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。最后，展示實際工程中是如何解決該問題的，可以結(jié)合實際工程當時情況，一起討論為何比薩斜塔最終采用“地基應(yīng)力解除法”，即在斜塔傾斜的反方向（北側(cè)）塔基下面掏土，利用地基的沉降，使塔體的重心后移，從而減小傾斜度。而虎丘塔則分兩期進行處理：一期工程采用樁排式地下連續(xù)墻穩(wěn)定塔周地基，二期工程采用鉆孔注漿+樹根樁加固塔基。并讓學生課后思考采用所學知識解決上述問題。

在解決問題的教學環(huán)節(jié)中，教師既要傳遞課程理論知識和相應(yīng)的專業(yè)知識，還要傳授實際工程問題解決思路、思維方法，并且正確處理好教師主導作用和學生主體地位的關(guān)系，從而最終實現(xiàn)教師“引導”和學生“研討”的有機結(jié)合。

3 結(jié)語

基于工程實例的土力學課程教學方法，可充分挖掘教師和學生之間的互動潛能，讓課堂教學不再是一言堂，讓學生不再是沉默的被動接受者。其可以激發(fā)每一位學生的主觀能動性，調(diào)動其學習內(nèi)驅(qū)力，促使其產(chǎn)生學習興趣。希望借助改方法，能夠讓每位學生成為土力學課程教學過程中會思考、有樂趣和善創(chuàng)新的絕對主體。

【參考文獻】

[1]賀瑞霞，張國強.土力學課程特點及其教學方法的探討[J].高等建筑教育，2007，16（2）：92-94.

[2]尹平保，張軍.土力學教學現(xiàn)狀及改革措施探討[J].科技視界，2016（25）：185-185.

[3]袁聚云，錢建國，張宏鳴，等.土質(zhì)學與土力學（第四版）[M].人民交通出版社，2013.

[4]夏雄，先禮瓊，王小平，等.案例教學法在土力學課程教學中的實踐與思考[J].高等建筑教育，2013，22（6）：56-59.

[5]周德泉，付宏淵，王桂堯，等.突出工程能力與創(chuàng)新意識培養(yǎng)的巖土工程課程群建設(shè)實踐[J].中國地質(zhì)教育，2013，21（4）：70-73.

[6]費康，許朝陽.研究性學習在土力學教學中的應(yīng)用[J].高等建筑教育，2011，20（4）：108-111.

[責任編輯：朱麗娜]