“新工科”背景下土工實驗教學(xué)探索與實踐

馬建軍 黃林沖 陳萬祥

摘? 要：在“新工科”建設(shè)的背景下，為了讓土工實驗課程教學(xué)更加符合新時代的要求，針對目前土工實驗課程教學(xué)中存在的主要問題，文章就實驗課程全過程參與、啟發(fā)性教學(xué)、學(xué)術(shù)能力、實踐能力培養(yǎng)和綜合能力評價等方面展開研究。由此提出的實驗教學(xué)方法具有較強的可操作性，對學(xué)生在工程地質(zhì)及土力學(xué)的認識程度、學(xué)術(shù)能力、實踐能力和綜合素質(zhì)等方面具有積極的影響。

關(guān)鍵詞：土工實驗;土力學(xué);實驗教學(xué);學(xué)術(shù)能力;探索與實踐

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2021）27-0060-04

工程地質(zhì)（Engineering Geology）和土力學(xué)（Soil Mechanics，部分高校也稱為力學(xué)與地基基礎(chǔ)或者土力學(xué)與基礎(chǔ)工程）是土木工程、海洋工程、水利工程、地質(zhì)工程、勘察技術(shù)工程和交通工程等本科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是此類教學(xué)中最重要的入門課程[1-3]。工程地質(zhì)、土力學(xué)和巖石力學(xué)（Rock Mechanics）也通常也被認為是巖土工程（Geotechnical Engineering）領(lǐng)域的專業(yè)核心課程。由于工程地質(zhì)與土力學(xué)不但具有理性分析特征，也有部分理論、規(guī)律和技術(shù)，需要學(xué)生具有一定的感性認識[1]才能真正領(lǐng)悟且利用好工程地質(zhì)與土力學(xué)，為工程建設(shè)服務(wù)。因此，高質(zhì)量的工程地質(zhì)及土力學(xué)實驗教學(xué)是培養(yǎng)新時代合格土木、水利、海洋、巖土等領(lǐng)域工程師的重要保證，也是新工科建設(shè)對土木工程“大類培養(yǎng)”提出的具體要求[4-5]。

土是地球表面或者一定深度的巖石經(jīng)過長期物理化學(xué)風化、搬運、沉積等作用，形成的具有各向異性特征和多孔隙結(jié)構(gòu)的顆粒堆積物[3]。由于形成土的礦物成分、堆積結(jié)構(gòu)、含水率、堆積歷史、顆粒組分等的不同，土的工程特性極其復(fù)雜[1-3]。實際工程中，由于加載方式、作用時間、排水條件、邊界條件、固結(jié)應(yīng)力、固結(jié)狀態(tài)、加/卸載速率等因素變化多樣，土體的強度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系異常復(fù)雜[2，6]。因此，土力學(xué)實驗也通常被稱為土工實驗，部分地質(zhì)工程實驗（包括靜力觸探、現(xiàn)場巖芯識別等）也歸結(jié)為土力學(xué)實驗，這些土工實驗在工程建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用。課程教學(xué)要求學(xué)生掌握和理解土的物理力學(xué)性質(zhì)，能夠基于試驗結(jié)果和現(xiàn)場觀察正確地評價土的工程特性，進一步通過深度學(xué)習(xí)和實踐鍛煉，解決大部分實際工程問題[6-8]。

一、面臨的主要問題

（一）土工實驗課程教學(xué)理念模糊

土工實驗課程一般包含十個主要內(nèi)容：土力學(xué)實驗介紹、土的工程分類、試樣制作、基本物理特性試驗、物理狀態(tài)試驗、壓縮固結(jié)試驗、三軸壓縮試驗、直接剪切試驗、擊實試驗和滲透試驗。國內(nèi)外教材在土工實驗教學(xué)內(nèi)容上的排序差不多是一樣的，其基本邏輯是從基本試驗內(nèi)容的認識開始，逐漸了解土的類別和物理特征，然后深入認識和感觸土的力學(xué)特征，這一過程是循序漸進的[6-10]。后續(xù)的章節(jié)逐漸轉(zhuǎn)向工程認識，包括強度理論、壓實和滲透等。傳統(tǒng)的教學(xué)理念是課本上的理論知識必須先記住，然后在實驗室進行現(xiàn)場觀察感受，加深理解和記憶[11-13]。久而久之，土工實驗變成了觀摩和觀賞性質(zhì)的課程，實驗課的教學(xué)理念愈發(fā)模糊，土工實驗教學(xué)的初衷并沒有得到足夠重視。此外，在工程地質(zhì)課程中，部分高校沒有重視實踐教學(xué)，學(xué)生大多到博物館看看地質(zhì)礦物的顏色、光澤、質(zhì)地和形狀，無法真實感受不同類別礦物和土的力學(xué)性質(zhì)。長期的走馬觀花式實踐教學(xué)，導(dǎo)致土工實驗部分的科學(xué)性缺失。調(diào)研還發(fā)現(xiàn)，部分高校的工程地質(zhì)認識實習(xí)課程安排較短，沒有足夠的實習(xí)場地讓學(xué)生近距離地觀察土、玩捏土、馴服土和記錄土。因此，表面化問題的根源在于土工實踐教學(xué)與理論教學(xué)脫離、實踐教學(xué)時間被壓縮和學(xué)生對土工實驗教學(xué)重視不足。

（二）土工實驗課表面化問題

土力學(xué)實驗課程也面臨著表面化的問題，學(xué)生進入實驗室，首先觀察實驗員或者教師的實驗講解及演示等，然后按照要求去做實驗，得到實驗數(shù)據(jù)后書寫實驗報告。大多數(shù)學(xué)生基本上只是按照實驗報告的格式，填滿數(shù)據(jù)，寫好結(jié)論。這種形式主義嚴重違背了實驗教學(xué)目的，學(xué)生對土的認識變成了表面上的觀賞，沒有觸及土工試驗的核心特征，即實踐和理論并重[2-3，14-15]。

（三）土工實驗報告形式單調(diào)

目前新工科建設(shè)已經(jīng)成為國內(nèi)各高校的主要教學(xué)改革動力和方向[4-5]，但如何設(shè)置合理的土工實驗報告內(nèi)容和形式，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和實踐能力，仍然是土工實驗教學(xué)亟待解決的問題。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國大部分開設(shè)土木和水利工程的院校都很重視土工實驗教學(xué)，但是，工程地質(zhì)和土力學(xué)內(nèi)容基本保持不變，土工實驗報告的格式和內(nèi)容要求十分陳舊[7-8]。近些年來，不少土工實驗教學(xué)也在不斷向垃圾土和特殊土延伸[8-14]，實現(xiàn)了內(nèi)容的創(chuàng)新。但是，傳統(tǒng)土工實驗課程還是延續(xù)單調(diào)的實驗報告格式，即書寫數(shù)據(jù)分析或者填空，學(xué)生的實驗報告區(qū)分度較小，無法驅(qū)動學(xué)生獨立思考的潛力和積極主動學(xué)習(xí)的能力[15-16]。

（四）土工實驗考核標準低

土工實驗課程是本科的必修課，課程活動能使學(xué)生對土的認識從淺入深，從理論分析到感性認識[1，6]。土力學(xué)實驗課程考核標準低表現(xiàn)在三個方面：一是實驗課程成績評價內(nèi)容以實驗報告為主，不注重實驗效果和過程;二是實驗報告評閱標準很低，實驗報告質(zhì)量等級不夠具體，對報告的深度和廣度沒有給出具體指標。此外，很多高校多年來延續(xù)相同的實驗內(nèi)容和報告格式，院系和指導(dǎo)教師也沒有進行報告查重和報告質(zhì)量分析。三是學(xué)生應(yīng)付實驗報告和實驗過程，具體表現(xiàn)為學(xué)生經(jīng)過多屆的口口相傳，已經(jīng)了解了實驗課程的考核方式，部分學(xué)生甚至不用心或者都不愿多花時間去完成實驗報告。少部分學(xué)生直接網(wǎng)上購買實驗報告或者借閱上屆學(xué)生作品，即使如此仍可寫出非常漂亮的實驗報告，降低了學(xué)生對土工實驗課程的學(xué)習(xí)熱情。

二、探索與實踐

針對土工實驗課程教學(xué)活動面臨的不足，綜合學(xué)校面向新工科和“大土木”工程專業(yè)的人才培養(yǎng)定位，主要教學(xué)改革措施如下：

（一）面向新工科的土工實驗教學(xué)理念

工程地質(zhì)與土力學(xué)是理論與實踐并重的重要基礎(chǔ)學(xué)科[14-15]，土工實驗課程的教學(xué)目的必須明確：加深學(xué)生對知識的理解和感性認識[1-3]。因此，土工實驗課程須圍繞知識體系和課程能力要求，契合“新工科”人才培養(yǎng)目標。實驗課程的教學(xué)理念必須體現(xiàn)在實驗過程中，必須帶著土的物理力學(xué)特征等相關(guān)問題去啟發(fā)學(xué)生思考，培養(yǎng)他們的問題意識和探索興趣。為了更好地體現(xiàn)教學(xué)理念，土工實驗課一般跟隨理論課程進度，即理論課和實驗課同時開展，做到理論與實踐相互促進。

（二）實驗課程的全過程參與

工程地質(zhì)和土力學(xué)課程具有特殊性，學(xué)生對土并不陌生，但是深刻理解土工原理的并不多見。其中一個重要的原因是：沒有全程參與土工實驗課程。教師教學(xué)時應(yīng)提出三個要求。第一個要求：從土工實驗的第一節(jié)課開始，要求每組派一名成員參與到實驗課地籌備中來，從學(xué)校周邊選土，取土樣，回實驗室烘干、磨碎、去雜質(zhì)、備份等前期準備工作都要參與。學(xué)生能夠從這個過程中明白實驗樣品的來源和制作過程，也會感性認識土的性質(zhì)，能夠明白土工實驗具有一定的嚴肅性和趣味性。

第二個要求：在試驗中，要求全員動手，用手去感觸土，感受土的形變、黏性、粒徑和聚集特征，特別是含水率與液限塑限等物理狀態(tài)量。試驗一般持續(xù)2個小時左右，學(xué)生們必須動手。試驗結(jié)束后，要求每組必須留一名成員，完成試驗設(shè)備的清潔和土樣的清理。

第三個要求：土工實驗課必須提煉問題、查閱資料、總結(jié)歸納、學(xué)以致用和理論聯(lián)系實際等。具體案例就是液塑限試驗，一般高校都是用液塑限聯(lián)合測定儀，按照要求做落錐試驗即可，但是學(xué)生只能觀察現(xiàn)象和試驗數(shù)據(jù)，無法形成感性認識。在試驗環(huán)節(jié)，教師可要求學(xué)生動手感觸土樣，然后估計落錐的深度，多次試驗后，學(xué)生對液塑限就有了比較直觀的感受。此外，在理論課上，教師要提前給學(xué)生講述實驗的準備工作，讓大家按部就班準備，特別是需要動手比較多的試驗。

（三）啟發(fā)性實驗教學(xué)模式

中山大學(xué)土木工程學(xué)院實行“大土木”工程專業(yè)培養(yǎng)模式，面向“新工科”，必須培養(yǎng)學(xué)生的“工程應(yīng)用技能”和“科研實踐創(chuàng)新能力”[4-5]。因此，課程組采納了啟發(fā)性教學(xué)方法，鼓勵學(xué)生舉一反三，在實驗中認真思考，課后申請開放性試驗，去驗證自己的想法。例如滲透試驗中，很多同學(xué)注意到裝樣的過程，會被引導(dǎo)去思考“可否選用不同粒徑級配的砂子去做實驗？還有同學(xué)追問城市管道泄露導(dǎo)致地層塌陷等問題，指導(dǎo)教師會帶領(lǐng)大家一起思考工程地質(zhì)、土力學(xué)和巖土工程問題，啟發(fā)大家繼續(xù)學(xué)習(xí)，讓大家?guī)е鴨栴}去寫實驗報告。

（四）面向?qū)嵺`能力和學(xué)術(shù)能力的教學(xué)過程

分析問題和解決問題的能力是土工實驗課程的主要培養(yǎng)目標。因此，土工實驗課的實踐能力培養(yǎng)體現(xiàn)在準備試樣、裝樣、設(shè)備操作、動手感觸、書寫實驗報告和分析數(shù)據(jù)等方面。例如試驗過程中，每位成員必須參與實驗，每個成員要有自己獨立書寫自己的實驗報告，完成實驗報告附錄里面的思考題。通過發(fā)散思維，驅(qū)動學(xué)生查閱資料和思考問題的能力。最直接的工程問題啟蒙和實踐能力鍛煉體現(xiàn)在城市地鐵施工：以廣州和深圳地鐵建設(shè)為例，學(xué)生就地下水、埋深、盾構(gòu)過江等問題開展討論，培養(yǎng)了實踐能力和工程素養(yǎng)。

面向?qū)W術(shù)能力培養(yǎng)的內(nèi)容落在實驗報告數(shù)據(jù)處理和土力學(xué)理論解釋上，例如，為什么會出現(xiàn)最優(yōu)含水率？為什么松散的干砂不能支撐人體重量但是飽和的沙灘可以？第二個層面的學(xué)術(shù)能力訓(xùn)練體現(xiàn)在：自主設(shè)計實驗區(qū)驗證或者探索工程問題[14-16]。學(xué)生要按照學(xué)術(shù)論文格式和語言要求去書寫實驗報告或者結(jié)題報告，并選派學(xué)生代表作匯報，鍛煉思維能力。因此，土工實驗課程培養(yǎng)了學(xué)生論文寫作能力和學(xué)術(shù)思想，為其繼續(xù)深造打好基礎(chǔ)。

（五）基于創(chuàng)新與實踐能力的綜合素質(zhì)考核機制

土工實驗教學(xué)表面化和形式主義嚴重的根本原因在于考核方式單一：實驗報告和課程考勤。課程組教師多為海外引進人才，教研組教師認真對比了國內(nèi)重點大學(xué)國外名校的土工實驗考核評價體系，綜合分析了本校土工教學(xué)問題，提出了基于創(chuàng)新與實踐能力的綜合素質(zhì)考核機制。

考核機制包含四個層次：第一層能力為參與實驗?zāi)芰?，基本要求是遵守現(xiàn)場紀律，完成實驗報告，沒有明顯格式錯誤和抄襲。主要觀察實驗紀律，實驗過程中學(xué)生是否懶散，是否存在聽音樂、注意力不集中、嬉戲打鬧、破壞設(shè)備和實驗材料、違反實驗安全操作過程等行為。該層級為學(xué)生全員參與的考核，是最基本的能力層級。

第二層能力為實驗規(guī)范操作能力，主要考查學(xué)生是否積極動手操作，是否操作規(guī)范，是否觀察和記錄仔細，是否積極參與現(xiàn)場提問和討論等。

第三層能力為實踐能力，主要通過理論學(xué)習(xí)與實驗結(jié)果對比分析，解釋實驗現(xiàn)象，能夠通過實際工程問題的正反分析，解釋問題本質(zhì)。該層次的能力要求學(xué)生對實驗課和實驗報告附錄的思考題做到理論聯(lián)系實際，做到學(xué)以致用。

第四層能力考察學(xué)生的創(chuàng)新能力，該層次是本課程的最高要求，要求學(xué)生能夠進行獨立設(shè)計試驗，完成試驗內(nèi)容，撰寫實驗報告，經(jīng)過評委考核，確保實驗項目和結(jié)果具有一定的學(xué)術(shù)價值。

三、結(jié)論

針對土工實驗課程教學(xué)存在培養(yǎng)理念模糊、表面化、內(nèi)容形式單一、考核簡單等問題，文章圍繞“新工科”的土工實驗教學(xué)理念、實驗課程全過程參與、啟發(fā)性教學(xué)、學(xué)術(shù)能力、實踐能力培養(yǎng)和綜合能力評價等方法展開分析。教學(xué)實踐表明，本研究提出的實驗教學(xué)方法具有較強的可操作性，學(xué)生對工程地質(zhì)、土力學(xué)與基礎(chǔ)工程的認識程度、創(chuàng)新能力、實踐能力和綜合素質(zhì)得到了很大的提升。

參考文獻：

[1] 李廣信，呂禾，張建紅. 土力學(xué)課程中的實踐教學(xué)[J]. 實驗技術(shù)與管理，2006，23（12）：13-14.

[2] 龔曉南. 土力學(xué)學(xué)科特點及對教學(xué)的影響[A]//第一屆全國土力學(xué)教學(xué)討論會論文集[C]. 杭州：浙江大學(xué)巖土工程研究所，2006：33-37.

[3] 殷宗澤. 土力學(xué)學(xué)科發(fā)展的現(xiàn)狀與展望[J]. 河海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1999，27（01）：1-5.

[4] 李培根，許曉東，陳國松. 我國本科工程教育實踐教學(xué)問題與原因探析[J]. 高等工程教育研究，2012（03）：1-6.

[5] 蘇原，鄭俊杰. 土木工程專業(yè)工程實踐模式的探索與實踐[J]. 高等工程教育研究，2019（04）：107-112.

[6] 李廣信. 試驗與思考[A]//第四屆全國力學(xué)教學(xué)研討會論文集[C]. 武漢：中國土木工程學(xué)會，2014.

[7] 高磊，龔云皓，宋涵韜. 土力學(xué)實驗教學(xué)中存在的問題與改革建議[J]. 實驗技術(shù)與管理，2017，34（07）：200-202+206.

[8] 李冬梅，劉峻峰，韓沐昕，等. “固體廢物處理與資源化”實驗課程建設(shè)[J]. 實驗技術(shù)與管理，2016，33（02）：189-191.

[9] 張艷美，欒雅琳，王斌. 基于能力培養(yǎng)的土力學(xué)綜合性實驗設(shè)計與實踐[J]. 實驗技術(shù)與管理，2018（03）：206-208+212.

[10] 施紹裘，王禮立. 材料在準一維應(yīng)變下被動圍壓的SHPB試驗方法[J]. 試驗力學(xué)，2000，15（04）：377-384.

[11] 齊志宏，諸謐林. 提高學(xué)生對土力學(xué)實驗教學(xué)的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力[J]. 東南大學(xué)學(xué)報（哲學(xué)社會科學(xué)版），2008（03）：189-190.

[12] 孫曉明. 土力學(xué)實驗課程教學(xué)方法的研究與改革[J]. 黑龍江教育（高教研究與評估），2006（11）：59-60.

[13] 陶輝錦，尹健，周珊，等. 創(chuàng)新人才培養(yǎng)的開放實驗室管理實踐與探索[J]. 實驗技術(shù)與管理，2017，34（03）：25-27.

[14] 趙紅昆，楊恩翠，王修光，等. X-射線單晶衍射儀應(yīng)用于本科實驗教學(xué)的探索[J]. 實驗技術(shù)與管理，2017，34（03）：187-189，193.

[15] 王述紅，范澤. 巖土力學(xué)實驗課程的教學(xué)改革與實踐[J]. 土木建筑教育改革理論與實踐，2009（11）：329-331.

[16] 趙志峰，王海波，何文龍. 土力學(xué)實驗教學(xué)改革的思考[J]. 高等建筑教育，2008，17（06）：120-122.

（責任編輯：汪旦旦）