巖土工程課程群建設(shè)中土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

楊子泉 唐 輝 朱洪濤 張?zhí)旖?jīng)

(1.信陽學(xué)院 土木工程學(xué)院 河南信陽 464000；2.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院 湖北武漢 430070）

地上、地下和水中的各類工程統(tǒng)稱為土木工程，土木工程中涉及巖石、土、地下水的部分稱為巖土工程。其專業(yè)課程是運(yùn)用工程地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)、巖石力學(xué)解決各類工程中關(guān)于巖、土體的工程技術(shù)問題的科學(xué)[1]。巖土工程課程群主要是土木工程本科專業(yè)（巖土工程方向）的主干專業(yè)課程，主要包括：工程地質(zhì)、工程地質(zhì)實(shí)習(xí)、土力學(xué)、土力學(xué)實(shí)驗(yàn)、巖石力學(xué)、基礎(chǔ)工程、基坑工程等[2，3]。土力學(xué)實(shí)驗(yàn)是巖土工程課程群中重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)之一。提高土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不僅僅有助于學(xué)生對專業(yè)相關(guān)課程理論知識的理解，還又有助于培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)出發(fā)分析工程問題的能力。對于適應(yīng)巖土工程人才培養(yǎng)要求如何提高土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，文獻(xiàn)[4-7]對此作了相應(yīng)的研究，其取得了較好的成效。本文以信陽學(xué)院土木工程學(xué)院為例，在巖土工程課程群建設(shè)的基礎(chǔ)上，分析土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與不足，結(jié)合巖土工程方向培養(yǎng)目標(biāo)和對土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，有針對性地提出了改革措施，經(jīng)過近3年的教學(xué)實(shí)踐表明其改革措施是合理、有效的。

一、土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)狀況調(diào)查

信陽學(xué)院土木工程學(xué)院根據(jù)專業(yè)發(fā)展及應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)要求，社會對土木專業(yè)人才需求關(guān)系，巖土工程發(fā)展趨勢，自2016年開始在原來土木工程本科專業(yè)基礎(chǔ)上增設(shè)了巖土工程方向課程。學(xué)生可根據(jù)自身專業(yè)發(fā)展選擇專業(yè)方向（巖土工程、建筑工程）。由于相應(yīng)的專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)有所不同，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容及深度也有所差別。2016年以前，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要包括兩個方面：一是土的物理性質(zhì)指標(biāo)測定實(shí)驗(yàn)；二是土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)測定實(shí)驗(yàn)。

因此，本文在2017年對土木工程（巖土工程）專業(yè)的學(xué)生開展了土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)狀況問卷調(diào)查。本調(diào)查所涉及的內(nèi)容主要包括學(xué)生對土力學(xué)實(shí)驗(yàn)重要程度等5個方面，發(fā)放問卷調(diào)查102份，收回81份，問卷調(diào)查結(jié)果如下。

（一）學(xué)生對土力學(xué)實(shí)驗(yàn)重視程度

1.學(xué)生實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)情況

土力學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅要求學(xué)生全面掌握實(shí)驗(yàn)原理，還需掌握實(shí)驗(yàn)儀器的操作步驟、注意事項(xiàng)以及對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄、處理和分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)度安排，教師都會提前以作業(yè)的形式要求學(xué)生閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書來預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、儀器、操作過程等。通過問卷調(diào)查結(jié)果顯示，只有約7.5%的學(xué)生每次都能完成預(yù)習(xí)，12.6%的學(xué)生偶爾能做到預(yù)習(xí)，多達(dá)79.9%的學(xué)生從來都沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。

2.學(xué)生實(shí)驗(yàn)動手操作情況

土力學(xué)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生親自動手操作，學(xué)生只有掌握實(shí)驗(yàn)儀器的操作過程及注意事項(xiàng)，才能提高實(shí)驗(yàn)動手能力。據(jù)調(diào)查結(jié)果可知，5.2%的學(xué)生在土力學(xué)實(shí)驗(yàn)中從未自己動手操作儀器，22.6%的學(xué)生親自操作完成了全部實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有53.4%的學(xué)生動手操作的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不到全部項(xiàng)目的60%。

3.實(shí)驗(yàn)后學(xué)生復(fù)習(xí)情況

學(xué)生只要充分掌握土力學(xué)實(shí)驗(yàn)原理、儀器使用方法、數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容，才能操作實(shí)驗(yàn)。由于一些學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程中的一些知識還沒有理解，這就需要他們在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后及時復(fù)習(xí)、重新認(rèn)識、總結(jié)，達(dá)到消化、吸收實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的。問卷調(diào)查結(jié)果表明，只有約35.3%的學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后及時復(fù)習(xí)總結(jié)當(dāng)天的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；約26.5%的學(xué)生復(fù)習(xí)總結(jié)不及時，只有當(dāng)填寫提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告時才復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；還有38.2%的學(xué)生很少或者根本就不對土力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)習(xí)和總結(jié)。

（二）現(xiàn)有土工實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備情況

本文對現(xiàn)有土工實(shí)驗(yàn)室面積、實(shí)驗(yàn)儀器能否滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求、實(shí)驗(yàn)人均實(shí)驗(yàn)儀器臺套數(shù)三個方面發(fā)放了問卷調(diào)查。

1.實(shí)驗(yàn)室面積滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求情況

問卷調(diào)查結(jié)果表明，有38.6%的學(xué)生認(rèn)為現(xiàn)有土工實(shí)驗(yàn)室面積大小能夠滿足教學(xué)的基本要求；約60.3%的學(xué)生認(rèn)為現(xiàn)有土工實(shí)驗(yàn)室面積偏小或者太小，對于開展土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得捉襟見肘。

2.實(shí)驗(yàn)儀器滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求情況

據(jù)調(diào)查結(jié)果可知，約7.5%的學(xué)生認(rèn)為現(xiàn)有土工實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備與其他同類高?；蚩蒲袉挝幌啾仁禽^先進(jìn)的；約55.6%的學(xué)生認(rèn)為現(xiàn)有土工實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備比較陳舊，不能較好地滿足一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展；多達(dá)36.9%的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備先進(jìn)性不足，對于巖土工程要求的某些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難以開展。

3.實(shí)驗(yàn)時人均使用儀器臺套數(shù)情況

在土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備數(shù)量、學(xué)生人數(shù)、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師人數(shù)的限制，其往往采用分組的方式分批、分組組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。針對學(xué)生同時使用一臺儀器的人數(shù)，據(jù)調(diào)查結(jié)果可知，7.5%的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中是小于或等于3個人一組，32.6%的學(xué)生選擇4～5人一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，56.8%的學(xué)生選擇6～7人一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中還有3.1%的學(xué)生是8人及以上一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣就使得一部分學(xué)生根本沒有參與到實(shí)驗(yàn)中。

（三）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的支撐程度

根據(jù)土工實(shí)驗(yàn)室面積、設(shè)備條件以及結(jié)合巖土工程專業(yè)人才培養(yǎng)要求，學(xué)院開設(shè)了12個土力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中11個綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，1個演示性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，共計(jì)18學(xué)時。

本文對開設(shè)的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的支撐程度也開展了問卷調(diào)查，有35.6%的學(xué)生認(rèn)為開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完全支撐巖土工程專業(yè)方向培養(yǎng)目標(biāo)；55.7%學(xué)生認(rèn)為目前開設(shè)的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基本能夠支撐巖土工程專業(yè)方向培養(yǎng)目標(biāo)；還有8.7%的學(xué)生認(rèn)為開設(shè)的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與巖土工程專業(yè)方向培養(yǎng)目標(biāo)不對應(yīng)。

（四）學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的認(rèn)可程度

土力學(xué)實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生加深理解巖土工程課程群中工程地質(zhì)、土力學(xué)、基礎(chǔ)工程、邊坡工程等主干專業(yè)課程。其通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，僅有35.4%的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)有助于專業(yè)課程的理解；約有65.8%的學(xué)生認(rèn)為土力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚺囵B(yǎng)從實(shí)驗(yàn)出發(fā)思考和分析工程問題的素養(yǎng)，從而形成工程實(shí)驗(yàn)研究的嚴(yán)謹(jǐn)品格。

（五）學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)書的評價

土力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書主要包括兩個方面的內(nèi)容：第一部分，介紹土力學(xué)實(shí)驗(yàn)每一個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的、原理、儀器、操作、數(shù)據(jù)記錄及處理方法、結(jié)果分析；第二部分，附有相應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、處理、分析的表格。學(xué)生要根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)度安排，合理地使用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行預(yù)習(xí)、查閱、復(fù)習(xí)、總結(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生上交指導(dǎo)書，由實(shí)驗(yàn)教師對第二部分進(jìn)行評分。據(jù)調(diào)查結(jié)果可知，33.4%的學(xué)生對使用的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書滿意，55.7%的學(xué)生對使用的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書基本滿意，還有10.9%的學(xué)生對實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書不太滿意。

二、巖土工程對土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求

土木工程（巖土工程方向）本科專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)要求畢業(yè)生能夠熟練掌握工程地質(zhì)學(xué)與土力學(xué)基本原理及有關(guān)實(shí)驗(yàn)與測試技能，能從事房屋建筑工程的巖土工程勘察、地基基礎(chǔ)及地基處理設(shè)計(jì)與施工、基坑工程的降水、支護(hù)、開挖、監(jiān)測設(shè)計(jì)與施工以及（斜坡）邊坡工程的巖土工程勘察、穩(wěn)定性分析、評價和防治設(shè)計(jì)與施工等實(shí)際工作內(nèi)容。其要求學(xué)生熟練地掌握土體物理力學(xué)參數(shù)的測定方法，并理解土體各個參數(shù)之間的關(guān)系，以及熟知如何選用土體物理力學(xué)參數(shù)用于工程實(shí)踐的方法。在土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)校開設(shè)的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要符合專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)以及學(xué)生巖土工程素養(yǎng)培育，引導(dǎo)學(xué)生將理論和工程實(shí)踐結(jié)合起來，運(yùn)用土力學(xué)基本理論及土力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法分析巖土工程實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

三、土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

學(xué)院根據(jù)在問卷調(diào)查中反映出的問題，結(jié)合土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件和土木工程（巖土工程）本科專業(yè)人才培養(yǎng)方案，主要在以下幾個方面進(jìn)行了土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐。

（一）改革成績評定方式

土力學(xué)實(shí)驗(yàn)原來的成績評定為：實(shí)驗(yàn)報(bào)告（70%）+實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)（30%）。然而，實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)評分主觀性比較大，沒有達(dá)到土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)。因此，學(xué)院將土力學(xué)實(shí)驗(yàn)成績評定方式改為：實(shí)驗(yàn)報(bào)告（50%）+實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)（15%）+實(shí)驗(yàn)操作（20%）+實(shí)驗(yàn)總結(jié)（15%）。

（二）修訂土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱

為了適應(yīng)土木工程（巖土工程）專業(yè)人才培養(yǎng)的需要，學(xué)院對土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱進(jìn)行了修訂。首先，學(xué)院對原來開設(shè)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了調(diào)整：將土的含水量、密度測定與土的液限、塑限、土的擊實(shí)實(shí)驗(yàn)、側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行融合[8]，并增開了土比重測試實(shí)驗(yàn)。這樣將不同實(shí)驗(yàn)但需要測定的同一個實(shí)驗(yàn)參數(shù)聯(lián)系起來，便于學(xué)生理解土的性質(zhì)指標(biāo)、實(shí)驗(yàn)之間的內(nèi)在聯(lián)系。其次，學(xué)院開設(shè)了十字板剪切、靜力初探、抽水實(shí)驗(yàn)3個室外實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。一方面，其擴(kuò)展了學(xué)生的知識視野。另一方面，通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，學(xué)生接觸到了工程實(shí)踐，了解在實(shí)際工程中現(xiàn)場測試土體相應(yīng)參數(shù)的方式方法。

（三）更新實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境

從2016年學(xué)校轉(zhuǎn)型后，學(xué)院以培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才為目標(biāo)，加大了室內(nèi)室外實(shí)驗(yàn)室及（野外）實(shí)習(xí)現(xiàn)場的建設(shè)力度。土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)教學(xué)需要、儀器設(shè)備老化情況、結(jié)合學(xué)生對實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的反饋情況，利用資金更新了一批設(shè)備，另外結(jié)合新增加的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目購置了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，保證了實(shí)驗(yàn)時單臺設(shè)備的使用人數(shù)符合要求。新建立了巖土樣本實(shí)驗(yàn)室，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教師收集了各種具有信陽地方特征的不同成因土樣，并按粒度成份進(jìn)行了分類。其主要有漂石、砂土、粉土等幾類，讓學(xué)生對土的成因、粒度分類、工程特性等有感性及理性的全面認(rèn)識。實(shí)驗(yàn)室將主要儀器設(shè)備的使用操作步驟按照統(tǒng)一要求制成規(guī)格一樣的牌子，放置在相應(yīng)設(shè)備的墻壁上，讓學(xué)生可以按照步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器操作。

（四）編寫符合我校土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的指導(dǎo)書

前期的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)只有一個用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、分析的表格，沒有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)用書。后來，部分教學(xué)選用了不同出版社出版的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教材。其實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目介紹與數(shù)據(jù)處理分析兩部分內(nèi)容編排在一起，不便于學(xué)生實(shí)驗(yàn)使用。并且，指導(dǎo)書沒有給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中需要查閱的系數(shù)，而學(xué)生手中又沒有其它資料可以查閱。因此，實(shí)驗(yàn)教師在2016年采用國家及行業(yè)關(guān)于土工實(shí)驗(yàn)的最新規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，編寫了適用于巖土工程方向的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的《土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教程》，全書分為十四章；同時還編寫了《土力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告書》，用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理分析。為了鞏固實(shí)驗(yàn)效果以及保障學(xué)生思考、預(yù)習(xí)，其對應(yīng)章節(jié)附有相應(yīng)的思考題。

（五）與普通地質(zhì)及工程地質(zhì)野外教學(xué)融合

普通地質(zhì)及工程地質(zhì)野外教學(xué)為河南省2019年度本科一流社會實(shí)踐類課程，土力學(xué)及土力學(xué)實(shí)驗(yàn)部分內(nèi)容在野外教學(xué)時有所體現(xiàn)。在工程地質(zhì)野外教學(xué)中，教師可對學(xué)生講解信陽粉質(zhì)粘土的形成過程，土的物理力學(xué)性質(zhì)對巖土工程將產(chǎn)生怎樣的影響。同時，這門課程還會接觸到失穩(wěn)的土質(zhì)邊坡，引導(dǎo)學(xué)生分析影響土質(zhì)邊坡滑動的因素，讓學(xué)生采集土樣到土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室自主完成相關(guān)參數(shù)的測定，再結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行分析。這樣極大地提高了學(xué)生參與土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的積極性，同時還培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識來分析、解決工程問題的能力。

四、土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成效

經(jīng)過近3年來土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐，其教學(xué)初步取得了一定成效。土力學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境得到較大改善，學(xué)生參與土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性有了極大提高。學(xué)院增設(shè)的室外綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力。

1.學(xué)院形成了實(shí)驗(yàn)報(bào)告（50%）+實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)（15%）+實(shí)驗(yàn)操作（20%）+實(shí)驗(yàn)總結(jié)（15%）土力學(xué)實(shí)驗(yàn)成績評定模式，提高了學(xué)生重視土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的程度。

2.根據(jù)巖土工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)院修訂了土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，對室內(nèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了整合，新開了綜合性室外實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目與升級一流本科課程普通地質(zhì)及工程地質(zhì)野外教學(xué)融合，讓學(xué)生學(xué)以致用。

3.學(xué)院更新了土力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，新建立了巖土樣本實(shí)驗(yàn)室。

4.實(shí)驗(yàn)教師編寫了適用于巖土工程土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的《土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教程》《土力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告書》。該教程使用以來贏得了學(xué)生的一致好評。