胡敏云等
摘要:
土力學(xué)是解決土工問題的基礎(chǔ)理論,但是其理論大多來自試驗(yàn)和對(duì)工程問題的高度抽象,因此其應(yīng)用條件的限制較為嚴(yán)格,在解決實(shí)際工程問題時(shí),土力學(xué)理論往往存在缺陷,這就是土力學(xué)理論的開口性。對(duì)開口型的土力學(xué)理論,除了課堂教學(xué)以外,一定要注重試驗(yàn)教學(xué)和工程案例教學(xué)。通過課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),結(jié)合當(dāng)前人才培養(yǎng)的需求,對(duì)實(shí)驗(yàn)室改革、探索性試驗(yàn)組織的方法和工程案例教學(xué)的有效途徑進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞:土力學(xué);開口理論;實(shí)驗(yàn)教學(xué);案例教學(xué)
中圖分類號(hào):TU3-4;G642;423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):
10052909(2014)05007604
近年來,城市建設(shè)中發(fā)生了一些重大工程事故,造成了國家財(cái)產(chǎn)損失甚至人員傷亡,形成了惡劣的社會(huì)影響。例如,某軟土地區(qū)地鐵隧道凍結(jié)法施工因凍結(jié)失效而發(fā)生的坍塌事故;某軟土地基地鐵車站基坑因土體擾動(dòng)、支護(hù)不及時(shí)等而發(fā)生坍塌;某新建高層住宅因臨近地下車庫開挖區(qū)(未支護(hù))和堆土的雙重影響而驟然倒塌等。這些事故都涉及典型的土力學(xué)問題。如果事故相關(guān)工程人員能夠?qū)こ讨猩婕暗降年P(guān)鍵土力學(xué)問題事先作出合理準(zhǔn)確的判斷,這些事故發(fā)生的可能性將大大降低。
土力學(xué)是土木工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程之一,土力學(xué)的原理和概念應(yīng)該像科普知識(shí)一樣貯存在工程師的記憶中,成為土木工程師知識(shí)庫中的一個(gè)重要內(nèi)容,這樣才能在關(guān)鍵問題上發(fā)揮作用,更好地為工程實(shí)踐服務(wù)。因此,土力學(xué)的教學(xué)既要注重土力學(xué)問題的計(jì)算分析方法,又要注重對(duì)土力學(xué)概念的深刻認(rèn)識(shí)和對(duì)土工問題的合理分析,以便能夠在宏觀上對(duì)工程問題作出準(zhǔn)確判斷。學(xué)習(xí)土力學(xué),不單純是為了會(huì)計(jì)算,也不是為了強(qiáng)化結(jié)論,它是提升工程人員對(duì)地基問題分析和宏觀判斷能力的重要訓(xùn)練。
土力學(xué)的理論是開口型的理論。所謂開口型,指的是支撐土力學(xué)的三大理論[1-4]:滲透理論、壓縮固結(jié)理論和強(qiáng)度理論,都帶有很強(qiáng)的局限性、存在原始誤差。用這些理論方法計(jì)算再精確也無法彌補(bǔ)原始誤差帶來的不準(zhǔn)確,有些時(shí)候甚至是很不準(zhǔn)確。而原始誤差來源于這些理論建立時(shí)所依據(jù)的基本假設(shè)或使用條件。因此,土力學(xué)的教學(xué)不應(yīng)該是單純教會(huì)學(xué)生計(jì)算,而應(yīng)該是教會(huì)學(xué)生去思考,教給學(xué)生分析土工問題的思路和現(xiàn)有的較合理、可行的解決方法。
土力學(xué)的三大理論都來源于試驗(yàn),因此,試驗(yàn)對(duì)于土力學(xué)的教學(xué)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的土力學(xué)試驗(yàn)屬驗(yàn)證型,即已知試驗(yàn)結(jié)果的發(fā)展規(guī)律,再做實(shí)驗(yàn)尋找固定公式的參數(shù)。但是,從認(rèn)識(shí)土力學(xué)的角度講,土力學(xué)試驗(yàn)應(yīng)該是探索性的,即在未知土的力學(xué)特性的情況下,通過試驗(yàn)尋求土力學(xué)特性的規(guī)律和影響因素。
通過對(duì)比國內(nèi)外一些知名高校土力學(xué)教學(xué)情況發(fā)現(xiàn):雖然土力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容各地區(qū)差別并不大,但是土力學(xué)的教學(xué)安排和教學(xué)方法有所不同,直接影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,從而影響學(xué)生從業(yè)后對(duì)土力學(xué)理論的理解和應(yīng)用[5-9]。為此,我們?cè)趶氖峦亮W(xué)教學(xué)和科研工作的基礎(chǔ)上,通過對(duì)土力學(xué)的思考和對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)狀況的調(diào)查了解,以及從土木工程師對(duì)土力學(xué)知識(shí)的需求的角度出發(fā),對(duì)土力學(xué)中的理論教學(xué)和試驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了再認(rèn)識(shí),以期為土力學(xué)相關(guān)內(nèi)容教學(xué)方法的改進(jìn)提供有益參考。
一、土力學(xué)的理論特點(diǎn)——開口性
土力學(xué)的理論是開口型的,指的是傳統(tǒng)的土力學(xué)理論都是有缺陷的。比如,滲流理論的基礎(chǔ)是達(dá)西定律,但是達(dá)西定律是根據(jù)常水頭砂土實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論,它適用于描述水的流速較小、符合層流條件(雷諾數(shù)較?。┑目紫恫牧系臐B透規(guī)律,并假定土在滲流的過程中孔隙特征不發(fā)生變化(滲透系數(shù)為常量),這與很多涉及到滲流問題的地基狀況并不完全符合。再比如,太沙基的一維滲流固結(jié)方程,求解后可以得出結(jié)論,初始附加應(yīng)力的大小對(duì)土層的壓縮量有影響,但對(duì)土的固結(jié)過程沒有影響。這個(gè)結(jié)論是在大面積加載的條件下得出的,對(duì)于工程中更普遍的三維和二維加載的地基而言,這個(gè)結(jié)論是不真實(shí)的。還有,土的抗剪強(qiáng)度理論——庫侖定律,它從砂性土的直剪試驗(yàn)歸納而來,盡管被推廣應(yīng)用于各類土的抗剪強(qiáng)度規(guī)律,并對(duì)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值和影響因素也有很多研究成果,但是庫倫定律的應(yīng)用還是有誤差的。由此可見,當(dāng)前土力學(xué)理論還帶有很多附加的使用條件,還有很大的發(fā)展空間,是開口性的。
然而,土力學(xué)的理論是開口的并不意味著土力學(xué)的理論不可以應(yīng)用于解決實(shí)際工程問題,只要在合理的條件下,在工程誤差允許的范圍內(nèi),傳統(tǒng)的土力學(xué)理論,因?yàn)槠渚?、容易理解,在土工?shí)踐中仍然發(fā)揮著巨大的理論指導(dǎo)作用??墒牵瑥膶W(xué)習(xí)的角度講,對(duì)于習(xí)慣于理性思維和采用數(shù)學(xué)公式解決工程問題的學(xué)生而言,土力學(xué)“真真假假”的開口理論使他們難以把握,甚至由于土力學(xué)計(jì)算的誤差使有些學(xué)生對(duì)土力學(xué)的理論失去了信任。在學(xué)習(xí)中,他們對(duì)土力學(xué)的理論一方面表現(xiàn)得過于嚴(yán)謹(jǐn),不敢“越雷池一步”,甚至有的由于難于理解,為了考核的需要而死記硬背;另一方面,在進(jìn)入工程單位實(shí)習(xí)和工作時(shí),又很容易陷入經(jīng)驗(yàn)主義,在需要作出判斷和選擇的問題上,有時(shí)反而背離了土力學(xué)的基本原理,以至于在工程實(shí)踐中留下安全隱患或造成不必要的浪費(fèi)。
總之,由于土力學(xué)理論的開口性特點(diǎn),在土力學(xué)教學(xué)中,應(yīng)該區(qū)別于較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼n程理論(如彈性理論、材料力學(xué))的授課方法,在關(guān)注理論計(jì)算和注重結(jié)論的同時(shí),還必須加強(qiáng)理論建立方法和結(jié)論適用條件的分析,增加值得討論的內(nèi)容。
二、從當(dāng)代高校環(huán)境和學(xué)生特點(diǎn)對(duì)土力學(xué)教學(xué)方法再認(rèn)識(shí)
隨著高校建設(shè)經(jīng)費(fèi)的逐年積累、校園信息化的推進(jìn)以及學(xué)生基礎(chǔ)教育程度的提高,現(xiàn)代土力學(xué)的教學(xué)環(huán)境得到了很大改善,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
一是,試驗(yàn)設(shè)備充足。經(jīng)過多年教學(xué)和科研的積累,很多高校土木工程學(xué)科的土工試驗(yàn)設(shè)備有了改進(jìn)和補(bǔ)充,不僅在數(shù)量上有所增加,更是在儀器種類、性能和精度等方面有了很大改進(jìn),可以很好地支撐土力學(xué)的教學(xué)任務(wù),并為學(xué)生提供自主試驗(yàn)的良好條件。
二是,學(xué)校信息化程度大大提高。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及,為高校學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了更廣闊的途徑,也為學(xué)生了解和跟蹤典型工程實(shí)例提供了更多的信息平臺(tái)。這為開展互動(dòng)式、全天候的土力學(xué)教學(xué)提供了便利。
三是,教師專業(yè)素質(zhì)不斷提高。中老年教師的經(jīng)驗(yàn)積累和青年教師的補(bǔ)充,大大提高了高校土力學(xué)教師隊(duì)伍的整體專業(yè)素質(zhì)。一方面表現(xiàn)在土力學(xué)教師與學(xué)生的比例不斷提高,教師可以更自主地開展多種形式的教學(xué)活動(dòng);另一方面,由于高校教師大多具有從事科研工作的豐富經(jīng)驗(yàn),而且越來越多的教師具有海外從事科學(xué)研究的經(jīng)歷,加之中國土木工程行業(yè)蓬勃發(fā)展的現(xiàn)狀,很多教師有機(jī)會(huì)參與到一些典型、重大的工程實(shí)踐中,與工程聯(lián)系緊密,因此,土力學(xué)教師團(tuán)隊(duì)不僅有扎實(shí)的土力學(xué)知識(shí)、良好的試驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算能力,而且還可以獲得很好的巖土工程案例,為豐富教學(xué)內(nèi)容、拓展教學(xué)方法奠定了良好的基礎(chǔ)。
四是,學(xué)生的綜合能力提高。在計(jì)算機(jī)時(shí)代和信息化時(shí)代的大環(huán)境下,當(dāng)代高校學(xué)生具有較為開闊的專業(yè)視野,有跟蹤熱點(diǎn)工程的意愿,甚至有些學(xué)生有濃厚的科研興趣。現(xiàn)代土力學(xué)教學(xué)中應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生的探索能力,結(jié)合學(xué)生的求知意識(shí),將學(xué)生的被動(dòng)學(xué)習(xí)(課堂知識(shí)的灌輸)和主動(dòng)學(xué)習(xí)(課外試驗(yàn)及案例分析)有機(jī)結(jié)合起來。
但是,現(xiàn)有高校的土力學(xué)教學(xué)仍然延續(xù)以課堂授課為主、驗(yàn)證性試驗(yàn)為輔、課后進(jìn)行計(jì)算練習(xí)的傳統(tǒng)教學(xué)模式。這樣做雖然方便高校教學(xué)管理,便于規(guī)范化教學(xué)和評(píng)估,但是對(duì)于像土力學(xué)這類開口型理論,其教學(xué)方法還有待改進(jìn)。
總之,高校的土力學(xué)教學(xué)環(huán)境已經(jīng)大大改善,教師和學(xué)生都對(duì)土力學(xué)的開口理論的教學(xué)方法的革新有所準(zhǔn)備。開設(shè)開放性、自主探索性試驗(yàn)和工程案例討論式教學(xué)是完全可能的,而且應(yīng)該是更有效的。為此,在滿足現(xiàn)有教學(xué)規(guī)范的基礎(chǔ)上,可以對(duì)現(xiàn)有土力學(xué)的教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)和補(bǔ)充,主要包括開放性試驗(yàn)與自主探索性試驗(yàn),工程案例討論式教學(xué)兩個(gè)方面。
(一)開放性試驗(yàn)與自主探索性試驗(yàn)相結(jié)合的試驗(yàn)教學(xué)
土力學(xué)的理論大多是從試驗(yàn)中來,因此,試驗(yàn)教學(xué)是土力學(xué)課程學(xué)習(xí)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。目前,土力學(xué)試驗(yàn)往往由教師安排,在相關(guān)知識(shí)點(diǎn)授課結(jié)束后,集中安排學(xué)生實(shí)驗(yàn),即將參加實(shí)驗(yàn)的同學(xué)按3~4人分成組,由教師指導(dǎo)操作幾種典型實(shí)驗(yàn),課后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種試驗(yàn)教學(xué)雖然讓學(xué)生接觸到了土工試驗(yàn),但局限性明顯,主要包括以下幾個(gè)方面。
一是,試驗(yàn)內(nèi)容單一。目前土工教學(xué)試驗(yàn)主要是土的物理特性試驗(yàn)、土的壓縮試驗(yàn)、土的直接剪切試驗(yàn)和三軸壓縮演示試驗(yàn)。可是,近十幾年,由于辦學(xué)條件的改善,大多數(shù)高校的土工儀器和土工試驗(yàn)的種類都有增加,除了傳統(tǒng)的教學(xué)試驗(yàn)儀器外,各高校土工實(shí)驗(yàn)室大多配備有與土的滲流和土的變形與強(qiáng)度相關(guān)的特色試驗(yàn)儀器。相比之下,土力學(xué)的教學(xué)試驗(yàn)內(nèi)容過于單一,不能滿足學(xué)生土力學(xué)綜合知識(shí)和能力提升的需要。
二是,試驗(yàn)是驗(yàn)證性的。現(xiàn)有的土力學(xué)試驗(yàn)在講授完相關(guān)土力學(xué)知識(shí)后進(jìn)行,是一種已知結(jié)果的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。但是,土力學(xué)的理論是開口性的,土工程特性都是受到多種因素的影響,要想更好地把握土的力學(xué)特性,試驗(yàn)應(yīng)該是探索性的,這樣更有利于發(fā)揮學(xué)生的求知能動(dòng)性,以便通過分析和比較,讓學(xué)生在認(rèn)識(shí)現(xiàn)有土力學(xué)理論合理性的同時(shí),認(rèn)識(shí)它們的局限性和可發(fā)展性。
三是,實(shí)驗(yàn)室封閉式,既浪費(fèi)又擁擠。由于土力學(xué)試驗(yàn)安排相對(duì)集中,需要多組同類型的試驗(yàn)儀器才能完成土力學(xué)的教學(xué)任務(wù),因此,土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室往往需要批量購置試驗(yàn)儀器,故需占用較大的試驗(yàn)空間;而試驗(yàn)結(jié)束后,大部分的試驗(yàn)儀器閑置,試驗(yàn)室封閉等待下一年度的試驗(yàn)教學(xué)任務(wù),這無疑造成空間和儀器閑置。另一方面,有些高校的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室中研究生試驗(yàn)和本科教學(xué)試驗(yàn)常共用儀器和實(shí)驗(yàn)室,在時(shí)間安排上會(huì)產(chǎn)生沖突,造成一方的試驗(yàn)必須停止“讓行”的局面。
鑒于此,提出開放實(shí)驗(yàn)室,增加探索性試驗(yàn)的可行性構(gòu)想,主要建設(shè)內(nèi)容如下。
一是,開放實(shí)驗(yàn)室。所謂開放實(shí)驗(yàn)室,指的是不集中安排學(xué)生試驗(yàn),由學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)室登記情況提前預(yù)約試驗(yàn)時(shí)間,按預(yù)約時(shí)間完成計(jì)劃試驗(yàn)項(xiàng)目,為此實(shí)驗(yàn)室要保持對(duì)學(xué)生開放(包括周末和晚上),以保證試驗(yàn)需要。開放性實(shí)驗(yàn)室的好處在于不需要購置很多同類試驗(yàn)儀器,同種試驗(yàn)儀器可以錯(cuò)時(shí)使用,而不同的試驗(yàn)儀器可以同時(shí)使用,提高試驗(yàn)場(chǎng)地和儀器的使用效率。只要提前預(yù)約,合理安排,研究生試驗(yàn)和本科生教學(xué)試驗(yàn)可以穿插進(jìn)行,互不影響,且可以在試驗(yàn)時(shí)互相學(xué)習(xí)、討論。
二是,選擇性地開展探索性試驗(yàn)。所謂探索性試驗(yàn),是指由教師設(shè)定試驗(yàn)題目,由學(xué)生選擇完成非常規(guī)型的試驗(yàn)項(xiàng)目。針對(duì)不同層次的學(xué)生,教師可以根據(jù)學(xué)校土工試驗(yàn)儀器配置情況,適當(dāng)布置一些非常規(guī)項(xiàng)目的試驗(yàn)供學(xué)生選擇。例如,學(xué)習(xí)土的抗剪強(qiáng)度,可以讓學(xué)生分別完成直剪試驗(yàn)(可分組完成快剪、固結(jié)快剪和慢剪)、無側(cè)限壓縮試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)(可分組完成不固結(jié)不排水、固結(jié)不排水和固結(jié)排水試驗(yàn)),讓學(xué)生共享不同的試驗(yàn)結(jié)果,共同分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),以加強(qiáng)對(duì)土的力學(xué)特性的思考和認(rèn)識(shí)。
三是,設(shè)計(jì)課程演示試驗(yàn)。對(duì)有條件的實(shí)驗(yàn)室,教師可以設(shè)計(jì)一些典型的土工試驗(yàn)供課程學(xué)習(xí)時(shí)演示,可以加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解。例如,筆者曾在某國外高校旁聽土的滲透性課程,教師設(shè)計(jì)了均質(zhì)砂土堤壩滲透試驗(yàn)槽和臨界水力梯度裝置,在課程中給學(xué)生進(jìn)行滲流演示,試驗(yàn)雖然簡短,但給學(xué)生留下深刻的印象。
總之,對(duì)于以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的開口性的土力學(xué)理論,其教學(xué)設(shè)計(jì)中一定要重視試驗(yàn)課程的安排和設(shè)計(jì),這不但可以增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果,而且對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的求實(shí)意識(shí)、探索精神和實(shí)際工作能力大有裨益。
(二)工程案例分析的方法
在我國當(dāng)前土木工程建設(shè)的大環(huán)境下,與土力學(xué)教學(xué)相關(guān)的工程案例非常多,既有影響力較大的重大工程案例,也有地區(qū)性特色鮮明的土工案例;有成功的案例也有失敗的教訓(xùn)。例如,在土的滲流與破壞方面,有土石壩、堰塞湖、基坑管涌等成功與失敗的工程案例;在地基沉降與變形方面,可以將軟土地基上高速公路的橋頭跳車問題作為案例;在邊坡穩(wěn)定性方面,可以將基坑邊坡設(shè)計(jì)與施工作為工程案例,等等。
對(duì)開口型的土力學(xué)理論教學(xué)而言,案例教學(xué)具有特別的意義[10-15]。通過案例分析,一方面可以幫助學(xué)生梳理出關(guān)鍵的巖土工程問題涉及的土力學(xué)知識(shí),既認(rèn)識(shí)土力學(xué)理論的適用性,也了解其局限性;另一方面,可以將土力學(xué)知識(shí)與諸多工程的設(shè)計(jì)和施工聯(lián)系起來,強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際,將知識(shí)和能力融為一體。
實(shí)施案例教學(xué)要重點(diǎn)把握以下幾點(diǎn)。(1)精心選擇案例。一個(gè)工程往往是很多不同門類知識(shí)和技術(shù)的綜合體,教師首先要選擇適合某一類土力學(xué)問題的典型工程案例,它可以是一個(gè)完整的工程,也可以是工程中的某一部分內(nèi)容。(2)抽象出土力學(xué)分析模型。教師在設(shè)計(jì)教學(xué)案例時(shí),應(yīng)該初步抽象出土力學(xué)問題的基本模型,以便在課堂上更好地組織和引導(dǎo)學(xué)生討論。(3)問題設(shè)計(jì)。針對(duì)提出的土力學(xué)分析模型,提出一、兩個(gè)與工程建設(shè)相關(guān)的關(guān)鍵問題供學(xué)生討論并引導(dǎo)學(xué)生用土力學(xué)的方法去解決。(4)問題總結(jié)。對(duì)成功的案例,土力學(xué)解決的問題也不是精確的;對(duì)失敗的巖土工程案例,其中一定發(fā)生了違背了土力學(xué)的基本原理的錯(cuò)誤。所以,問題總結(jié)對(duì)學(xué)生認(rèn)識(shí)土力學(xué)的基本理論及其開口的特性非常重要。
總之,案例教學(xué)要強(qiáng)化問題設(shè)計(jì),要注重討論,要能夠總結(jié)出土力學(xué)原理的應(yīng)用方法和實(shí)用價(jià)值。規(guī)劃好的案例分析并不需要花很多時(shí)間,卻能收到畫龍點(diǎn)睛的作用,加深學(xué)生對(duì)土力學(xué)原理和概念的理解。
三、結(jié) 語
土力學(xué)理論具有開口性的特點(diǎn),因此土力學(xué)的教學(xué)應(yīng)該區(qū)別于以灌輸課堂知識(shí)為主的傳統(tǒng)教學(xué)方法,應(yīng)該增加探索性的學(xué)習(xí)和討論式的學(xué)習(xí)內(nèi)容。
在試驗(yàn)教學(xué)中,除了傳統(tǒng)的驗(yàn)證性試驗(yàn)內(nèi)容以外,我們還提出了開放實(shí)驗(yàn)室和增加探索試驗(yàn)的可行性構(gòu)想;在課堂教學(xué)中,針對(duì)典型的土力學(xué)問題,可以適當(dāng)增加工程案例的教學(xué)討論內(nèi)容。
需要指出的是,盡管開放試驗(yàn)室和增加探索性試驗(yàn)是可行的,這對(duì)高校的實(shí)驗(yàn)室管理提出了一定的挑戰(zhàn);而且,工程案例教學(xué)因?yàn)闆]有定式可循,也需要任課教師用心設(shè)計(jì)。所以,土力學(xué)開口型理論的教學(xué)方法還值得不斷地實(shí)踐、認(rèn)識(shí)和完善。 參考文獻(xiàn):
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Recognition of the teaching method of openended theory of soil mechanics
HU Minyun, XU Sifa, CHEN Yu
(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, P. R. China)
Abstract:
Theory of soil mechanics is a sound base of geotechnical engineering, but most of the theories in soil mechanics are limited and open ended because they are based on simplified tests and are highly abstracted from practical models, leading to errors when being used to solve ground problems. According to its character of being open ended, the teaching and learning process of soil mechanics should stress on laboratory test and case study, as well as formal lecture. Based on writers experience in soil mechanics teaching, the reorganization of laboratory, establishment of exploring test and suggestion on typical case selection and preparation were discussed here.
Keywords: soil mechanics; openended theory; test study; case study
(編輯 梁遠(yuǎn)華)