新工科背景下土力學(xué)案例教學(xué)研究

袁立群 崔詩才 趙慶雙

摘要：新工科背景下土木工程專業(yè)對(duì)學(xué)生的應(yīng)用能力培養(yǎng)要求越來越高，但是課堂教學(xué)與實(shí)踐又是一對(duì)現(xiàn)實(shí)存在的矛盾體。近年來，注冊(cè)巖土工程師考試試題越來越貼近工程實(shí)際，適宜用來進(jìn)行課堂案例教學(xué)。我國(guó)注冊(cè)巖土工程師考試分兩階段：第一階段是基礎(chǔ)考試，主要考查考生是否基本掌握必備的專業(yè)理論基礎(chǔ);第二階段是專業(yè)考試，考查考生按照國(guó)家法律、法規(guī)及技術(shù)規(guī)范進(jìn)行巖土工程的勘察、設(shè)計(jì)、施工及解決實(shí)踐問題的能力。通過對(duì)歷年注冊(cè)巖土工程師基礎(chǔ)考試和案例考試中土力學(xué)相關(guān)問題的研究，對(duì)注冊(cè)工程師考試試題做適當(dāng)改變后引入土力學(xué)課堂教學(xué)，可以增進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，更形象地了解知識(shí)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用，加強(qiáng)應(yīng)用能力的培養(yǎng)，同時(shí)為學(xué)生畢業(yè)后參加注冊(cè)工程師考試奠定良好的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：新工科;土力學(xué);案例教學(xué);應(yīng)用型人才;注冊(cè)巖土工程師考試

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2019）02-0058-05

在新工科專業(yè)建設(shè)過程中，原來的認(rèn)同和路徑被打破。在新經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，新型學(xué)科專業(yè)建設(shè)路徑將是 “預(yù)測(cè)未來人才市場(chǎng)需求—改造升級(jí)現(xiàn)有專業(yè)—調(diào)整完善現(xiàn)有學(xué)科”。新興學(xué)科專業(yè)和新生學(xué)科專業(yè)的建設(shè)路徑將是 “預(yù)測(cè)未來人才市場(chǎng)需求—學(xué)科建設(shè)與專業(yè)建設(shè)同步進(jìn)行”。新興學(xué)科專業(yè)可以在非實(shí)體的組織架構(gòu)上建設(shè)，而不一定設(shè)置實(shí)體院系，以提高其動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。只有這樣，新工科建設(shè)才能夠及時(shí)或超前地為未來產(chǎn)業(yè)和行業(yè)發(fā)展培養(yǎng)出卓越工程科技人才[1]。土木工程是一個(gè)相對(duì)比較傳統(tǒng)的專業(yè)，土力學(xué)又是土木工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，隨著國(guó)家對(duì)應(yīng)用型人才標(biāo)準(zhǔn)的提高，對(duì)課程的實(shí)踐要求也越來越高，原有的教學(xué)模式已嚴(yán)重不能滿足新工科教育的需求。自2002年起，除了2015年未舉行考試外，注冊(cè)巖土工程師考試共舉行了14次，有大量的試題資源可供課堂使用[2]。注冊(cè)巖土工程師考試既注重專業(yè)知識(shí)又強(qiáng)調(diào)實(shí)際問題的解決，因此，在土力學(xué)教學(xué)過程中引入貼近實(shí)際的工程案例，有助于學(xué)生建立直觀認(rèn)識(shí)，更有利于學(xué)生理解并應(yīng)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問題。

一、注冊(cè)巖土工程師考試試題構(gòu)成分析

（一）注冊(cè)巖土工程師考試模式

全國(guó)實(shí)行注冊(cè)建筑師制度和注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師制度后，1998年6月全國(guó)注冊(cè)工程師管理委員會(huì)又成立了“全國(guó)注冊(cè)巖土工程師考題設(shè)計(jì)與評(píng)分專家組”，拉開了在我國(guó)推行注冊(cè)巖土工程師的序幕[3]。通過國(guó)家考試注冊(cè)認(rèn)證的巖土工程師，即為注冊(cè)巖土工程師。我國(guó)注冊(cè)巖土工程師考試分兩個(gè)階段：第一階段為基礎(chǔ)考試，考生需要符合大學(xué)本科畢業(yè)或大學(xué)?？飘厴I(yè)一年等相應(yīng)規(guī)定，主要考查考生掌握巖土工程實(shí)踐所必備的基礎(chǔ)及專業(yè)理論知識(shí);第二階段為專業(yè)考試，在考生通過基礎(chǔ)考試，并滿足巖土工程工作崗位規(guī)定年限要求的基礎(chǔ)上，考查考生進(jìn)行巖土工程勘察、設(shè)計(jì)、施工的能力?；A(chǔ)考試為期一天，分上午和下午兩段，各4小時(shí)。專業(yè)考試為期兩天，分別是專業(yè)知識(shí)考試和專業(yè)案例考試，分上午和下午兩個(gè)時(shí)段，各3小時(shí)。

（二）注冊(cè)巖土工程師考試內(nèi)容

基礎(chǔ)考試為閉卷考試，上午主要測(cè)試考生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度，設(shè)120道單選題，每題1分，涉及高等數(shù)學(xué)、普通物理、普通化學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)、電工電子技術(shù)、信號(hào)與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)、工程經(jīng)濟(jì)、法律法規(guī)共11個(gè)科目，下午主要測(cè)試考生對(duì)巖土工程直接相關(guān)專業(yè)理論知識(shí)的掌握程度，設(shè)60道題，每題2分，涉及土木工程材料、工程測(cè)量、土木工程施工與管理、工程地質(zhì)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、土力學(xué)與基礎(chǔ)工程、巖體力學(xué)與巖體工程共8個(gè)科目[3]。

專業(yè)考試的范圍包括：巖土工程勘察、淺基礎(chǔ)、深基礎(chǔ)、地基處理、邊坡和基坑、特殊土和不良地質(zhì)、建筑工程抗震、地基檢測(cè)。專業(yè)知識(shí)考試上午、下午各100分;專業(yè)案例考試上午和下午各30道題，從中選擇25道進(jìn)行考試，上午、下午各50分，共計(jì)100分[3-4]。

二、注冊(cè)巖土工程師考試引導(dǎo)土力學(xué)教學(xué)的意義

從目前土力學(xué)教學(xué)模式看主要存在如下問題：（1）教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)模式相對(duì)單一、教材選擇隨意，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果不夠理想;（2）教學(xué)模式陳舊單一、師生互動(dòng)少、質(zhì)量不高。如今教師上課一般使用多媒體教室，采用PPT授課，但有的教師過分依賴PPT，缺乏必要的板書或者其他教學(xué)方式，難以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;（3）教學(xué)內(nèi)容選擇不夠恰當(dāng)。土力學(xué)課程知識(shí)點(diǎn)多、公式多、復(fù)雜例題多、圖形圖表多，內(nèi)容較為抽象，學(xué)生接觸實(shí)際工程和土性材料的機(jī)會(huì)少，難以理解土的各種物理性質(zhì)和工程性質(zhì)[5-8]。

注冊(cè)巖土工程師考試內(nèi)容既涵蓋了土力學(xué)的所有基礎(chǔ)知識(shí)，又與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，還可以起到舉一反三的效果。針對(duì)教學(xué)中存在的問題，結(jié)合注冊(cè)巖土工程師考試要求，在土力學(xué)教學(xué)中引入注冊(cè)巖土師考試的相關(guān)案例，一方面可以改善目前較為枯燥的教學(xué)現(xiàn)狀，提高互動(dòng);另一方面根據(jù)注冊(cè)巖土工程師考試要求，可以修訂培養(yǎng)方案，在教學(xué)過程中注重學(xué)生工程意識(shí)和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，使得學(xué)生可以在學(xué)習(xí)中靈活將理論知識(shí)與工程實(shí)際相結(jié)合。

三、土力學(xué)案例教學(xué)模式

土力學(xué)是運(yùn)用工程力學(xué)方法研究土的力學(xué)性質(zhì)的一門學(xué)科。土力學(xué)的研究對(duì)象是與人類活動(dòng)密切相關(guān)的土和土體，包括人工土體和自然土體，以及與土的力學(xué)性能密切相關(guān)的地下水。奧地利工程師卡爾·太沙基（1883-1963）首先采用科學(xué)的方法研究土力學(xué)，被譽(yù)為“現(xiàn)代土力學(xué)之父”。土力學(xué)被廣泛應(yīng)用在地基、擋土墻、土工建筑物、堤壩等設(shè)計(jì)中，是土木工程、巖土工程、工程地質(zhì)等工程學(xué)科的重要分枝，所以土力學(xué)是土木工程專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，為后續(xù)基礎(chǔ)工程、地基處理、邊坡工程、基坑工程及地下工程等課程的學(xué)習(xí)奠定了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)[9-10]。在土力學(xué)教學(xué)中引入注冊(cè)巖土工程師考試案例素材進(jìn)行課堂教學(xué)，一方面可以更加貼近實(shí)際工程，形象展示土力學(xué)在實(shí)際工程中的應(yīng)用;另一方面也可以引起學(xué)生對(duì)土力學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

（一）引入基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)

在注冊(cè)巖土工程師考試中，有一些案例考試題是關(guān)于土力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的靈活運(yùn)用，這一類題可直接作為教學(xué)素材引入課堂教學(xué)中。如：（2016年考題）取黏土試驗(yàn)測(cè)得質(zhì)量密度ρ=1.8 g/cm3 ，土粒比重Gs=2.70，含水量ω=30%，擬使用該黏土制作比重為1.2的泥漿，問制作1 m3泥漿所需黏土質(zhì)量為多少噸？這種類型的題在講述完相關(guān)理論之后可直接作為例題進(jìn)行分析，并對(duì)應(yīng)用范圍進(jìn)行拓展，使學(xué)生可以貼近現(xiàn)實(shí)地學(xué)習(xí)土力學(xué)知識(shí)，寓教于應(yīng)用，潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)。

（二）綜合案例題的應(yīng)用

在注冊(cè)巖土工程師考試中，還有一些題是幾門課內(nèi)容的綜合運(yùn)用。在土力學(xué)教學(xué)中，也可以借用此類案例素材將以往學(xué)科和土力學(xué)的聯(lián)系串起來，一方面體現(xiàn)學(xué)科體系的連貫性，另一方面培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。

如：（2016年案例題）某高度60 m的結(jié)構(gòu)物，采用方形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)邊長(zhǎng)15 m，埋深3 m，作用在基礎(chǔ)底面中心豎向力為24 000 kN，結(jié)構(gòu)物上作用的水平力為梯形分布（如圖3所示），頂部荷載分布值為50 kN/m，底部荷載分布值為20 kN/m，求基礎(chǔ)底面邊緣最大壓力值為多少（不考慮土壓力的作用）？

（三）引入注冊(cè)巖土工程師考試試題開展討論式教學(xué)

注冊(cè)巖土工程師考試已經(jīng)歷了14年，在行業(yè)界引起了廣泛的關(guān)注，相關(guān)的培訓(xùn)及輔導(dǎo)資料層出不窮，但在海量的復(fù)習(xí)輔導(dǎo)資料中，有些問題的解答并不完全一致，因此，在教學(xué)中引入有爭(zhēng)議的問題供學(xué)生討論，從而幫助學(xué)生在討論過程中理解土力學(xué)的深刻內(nèi)涵，防止因概念不清造成工作疏漏，引發(fā)安全事故。比如：室內(nèi)外地坪存在高差時(shí)，基底壓力的計(jì)算。在進(jìn)行地基承載力修正時(shí)，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，基礎(chǔ)埋深一般自室外地面標(biāo)高算起，在填方整平地區(qū)可從自填土地面標(biāo)高算起，但填土在上部結(jié)構(gòu)施工完成后應(yīng)從天然地面標(biāo)高算起。對(duì)于地下室，如采用箱型基礎(chǔ)或筏型基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)自室外地面標(biāo)高算起;如采用獨(dú)立基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)從室內(nèi)地面標(biāo)高算起。在計(jì)算基底壓力時(shí)，豎向荷載值是相應(yīng)于荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合還是準(zhǔn)永久組合值？是作用于基礎(chǔ)頂面還是作用于基礎(chǔ)底面[11-13]？類似這些問題都可以集中在課堂討論，以加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的深刻理解，強(qiáng)化對(duì)知識(shí)點(diǎn)的記憶。

（四）引入注冊(cè)巖土工程師考試案例素材進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)

注冊(cè)巖土工程師考試中大量試題都是以真實(shí)工程刪減條件改編而成，為課堂教學(xué)提供了大量素材。巖土工程涉及到的土性質(zhì)復(fù)雜，與上部結(jié)構(gòu)材料相比，很多性質(zhì)具有不確定性。通過引入實(shí)際案例素材進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，可以使學(xué)生形象地了解各種土樣的性質(zhì)，更加清楚各種參數(shù)的選用原則，對(duì)鞏固教學(xué)效果，提高學(xué)生能力有著重要的作用。土木工程專業(yè)屬于應(yīng)用型學(xué)科，應(yīng)注重學(xué)生實(shí)際工程意識(shí)和能力的培養(yǎng)。在教學(xué)內(nèi)容的選取上應(yīng)多結(jié)合土建中的工程實(shí)例，注重課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，以培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和解決特定工程問題的能力。近年來，注冊(cè)巖土工程師考試越來越注重基本概念、基本理論和基本方法的理解和應(yīng)用，難題怪題不多，因此在土力學(xué)教學(xué)中應(yīng)注重加強(qiáng)基本概念、基本理論和基本方法的講解，減少對(duì)復(fù)雜公式的推導(dǎo)。

四、結(jié)語

新工科背景下應(yīng)用型本科教學(xué)必須突出對(duì)學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)。土力學(xué)是土木工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，本身也是一門經(jīng)驗(yàn)性、實(shí)用性很強(qiáng)的學(xué)科，所以在土力學(xué)理論教學(xué)過程中，改變?cè)瓉黻惻f的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，引入巖土工程師考試相關(guān)內(nèi)容作為例題、課堂討論素材或者實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)盡早接觸工程實(shí)際，加強(qiáng)對(duì)工程實(shí)際問題的認(rèn)知，強(qiáng)化應(yīng)用能力的培養(yǎng)，同時(shí)為學(xué)生畢業(yè)后參加注冊(cè)工程師考試奠定良好的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

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