尹平保+柳厚祥+張軍+賀煒

【摘 要】目前土力學(xué)教學(xué)過程中尚存在重理論輕實(shí)踐的問題。針對(duì)該問題結(jié)合土力學(xué)課程教學(xué)的特點(diǎn)，提出了基于工程實(shí)例的土力學(xué)課程教學(xué)方法，即結(jié)合實(shí)際工程中的典型案例來講授理論知識(shí)和專業(yè)，通過教師和學(xué)生的親情式合作和互動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)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(shí)解決工程實(shí)際問題的能力。

【關(guān)鍵詞】土力學(xué)；工程實(shí)例；教學(xué)方法

0 引言

土力學(xué)（Soil mechanics）是一門研究土的物理力學(xué)性質(zhì)、基本原理與方法的學(xué)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(duì)象是地球淺表可供人類改造的天然土體[1-3]。土力學(xué)最早是由美籍奧地利土力學(xué)家太沙基在上世紀(jì)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(xué)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(xué)專著——《Erdbaumechanik》其被公認(rèn)為是土力學(xué)做為一門獨(dú)立學(xué)科形成的標(biāo)志?，F(xiàn)代土力學(xué)主要是在大量理論推導(dǎo)、試驗(yàn)探索以及工程實(shí)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(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科?，F(xiàn)代土力學(xué)的主要特點(diǎn)是以基礎(chǔ)理論知識(shí)為主，從而為土木、水利、交通等工科專業(yè)本、專科生后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)奠定理論基礎(chǔ)。然而，在土力學(xué)教學(xué)過程中，很多教師往往是按部就班傳授理論知識(shí)，很少講授與工程實(shí)例有關(guān)的專業(yè)知識(shí)，也就很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，造成教學(xué)效果很不樂觀。因此，很有必要根據(jù)土力學(xué)教學(xué)過程中面臨的一些問題，針對(duì)性地改變教學(xué)方式，如：適當(dāng)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(shí)際問題，以期提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情以及解決實(shí)際問題的能力。

1 土力學(xué)教學(xué)面臨的問題

實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)是土木工程人才培養(yǎng)中一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，也是最能反映學(xué)生綜合素質(zhì)和動(dòng)手能力的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。然而，自20世紀(jì)末到21世紀(jì)初以來，我國高等院校持續(xù)擴(kuò)招，在校學(xué)生數(shù)量大幅增長，實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量出現(xiàn)嚴(yán)重滑坡，原有的教學(xué)模式已經(jīng)很難適應(yīng)新型的教學(xué)環(huán)境。尤其是重理論輕實(shí)踐的教學(xué)模式，給教風(fēng)和學(xué)風(fēng)造成了非常嚴(yán)重的惡性循環(huán)。其原因在于實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)流于形式，教師監(jiān)管缺位，學(xué)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(jì)，國內(nèi)開設(shè)土力學(xué)課程的高校，大多數(shù)學(xué)時(shí)安排為：總學(xué)時(shí)約40～48個(gè)，其中理論學(xué)時(shí)32～40個(gè)，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐學(xué)時(shí)8個(gè)，理論與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課時(shí)比為4：1～5：1。近年來，筆者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)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(xué)與土力學(xué)》[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(gè)學(xué)時(shí)的安排勉強(qiáng)可以將理論知識(shí)點(diǎn)全部講完，但是從學(xué)生們的課堂反應(yīng)來看，實(shí)際上很多知識(shí)點(diǎn)還是掌握得不夠牢固。

眾所周知土力學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性非常強(qiáng)的課程。但實(shí)驗(yàn)實(shí)踐只安排8個(gè)學(xué)時(shí)，顯然不夠。目前土力學(xué)教學(xué)大綱要求的基本實(shí)驗(yàn)有：篩分及顆粒分析實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）、黏性土的塑液限實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）、壓縮實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）、直剪實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）。尚有土的滲透實(shí)驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)，往往因?yàn)殚_設(shè)條件不夠等原因，僅提供演示實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)實(shí)踐課，效果也很不理想[2]。其主要原因是：同組人數(shù)多、實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、試驗(yàn)儀器問題多等。

綜上所述，目前土力學(xué)教學(xué)過程中，仍然存在重理論教學(xué)輕實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的普遍問題。另外，由于辦學(xué)模式及專業(yè)特色各異，每個(gè)學(xué)校在專業(yè)設(shè)置、人才培養(yǎng)及教學(xué)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(xué)生帶入“學(xué)無所用”的一個(gè)誤區(qū)，從而進(jìn)一步降低了學(xué)習(xí)熱情和興趣、甚至是厭學(xué)。

2 基于工程實(shí)例的土力學(xué)教學(xué)方法

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

2.1 典型工程實(shí)例選擇

通常情況下，工程案例應(yīng)該來源于實(shí)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(xué)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(yán)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(duì)虎丘塔現(xiàn)場進(jìn)行勘察，發(fā)現(xiàn)全塔向東北方向嚴(yán)重傾斜，塔頂離中心線達(dá)2.31m，底層塔身發(fā)生裂縫（塔身東北方向?yàn)榇怪绷芽p，塔身西南方向?yàn)樗搅芽p）。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(shí)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(shí)例教學(xué)的目的是通過對(duì)案例的分析、對(duì)比、質(zhì)疑和思考，引導(dǎo)學(xué)生將理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合。因此，在選擇工程實(shí)例時(shí)，還應(yīng)該注意案例真實(shí)性、典型性、時(shí)效性以及完整性。一個(gè)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(shí)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(shí)與工程實(shí)踐之間的橋梁。才能使學(xué)生更有效地掌握講授的知識(shí)點(diǎn)，也才能提高學(xué)生解決實(shí)際工程問題能力。

2.2 工程實(shí)例講述與分析

工程實(shí)例講述時(shí)，要結(jié)合工程背景，明確提出工程實(shí)際問題，再通過師生互動(dòng)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(shí)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(dǎo)致的問題展現(xiàn)給學(xué)生。工程實(shí)例分析時(shí)，首先教師提問讓學(xué)生結(jié)合土的三相比例指標(biāo)、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(shí)，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(qǐng)各組代表發(fā)言。教師根據(jù)發(fā)言情況，適當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)充和評(píng)價(jià)，并將形成地基沉降問題的主要知識(shí)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(jì)算虎丘塔或比薩斜塔地基的工后沉降。還可以讓學(xué)生課后思考如果不對(duì)其進(jìn)行處治，預(yù)測(cè)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(shí)，還要注意相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)的遷移和實(shí)際工程的移植，并圍繞課程教學(xué)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)和專業(yè)知識(shí)的有效結(jié)合。從而促使學(xué)生在工程案例講述與分析過程中發(fā)掘理論知識(shí)和工程應(yīng)用之間的切合點(diǎn)，并積累經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)遷移。

2.3 問題解決方法與措施

如何引導(dǎo)學(xué)生利用理論知識(shí)和專業(yè)知識(shí)來解決實(shí)際工程問題，對(duì)教師來說，首先需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)良好的課堂氣氛，鼓勵(lì)學(xué)生敢于利用現(xiàn)有的知識(shí)去解決實(shí)際工程問題，并不斷培養(yǎng)這種意識(shí)和知識(shí)創(chuàng)新能力，從而營造一個(gè)教學(xué)相長的課堂環(huán)境。其次，主講教師還要精心設(shè)計(jì)工程實(shí)例教學(xué)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(jì)算過程，進(jìn)而創(chuàng)造一個(gè)開放式的討論環(huán)節(jié)，讓學(xué)生可以暢所欲言發(fā)表自己的見解及解決辦法。以此引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。最后，展示實(shí)際工程中是如何解決該問題的，可以結(jié)合實(shí)際工程當(dāng)時(shí)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(jìn)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(xué)生課后思考采用所學(xué)知識(shí)解決上述問題。

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

3 結(jié)語

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

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