基于創新應用型人才培養的土力學教學改革

李麗民+張賢才+唐偉

[摘 要] 高校要培養具有很強社會競爭能力和適應能力的高素質應用人才，課堂教學中應突出課程的工程應用，強調學生實踐能力的培養。本文提出在土力學課堂教學中，教師應研透教材，注重教學的交互性，以日常生活和工程問題為背景，以工程應用為主線，以學生為主體，給學生創造寬松的學習環境，創設提問，激發學生學習興趣和創新精神，培養學生自學和解決工程實際問題的能力，實現人才培養由“知識傳授”向“能力培養”的轉變，對創新應用型人才培養的課堂教學改革具有普遍的應用價值。

[關鍵詞] 土力學;創新精神;應用能力;學生主體;工程應用;教學的交互性;創設提問

[中圖分類號] G642.40 [文獻標志碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）05-0102-04

0 引言

目前我國正在實施“卓越工程師教育培養計劃”，旨在以強化學生的創新能力和工程實踐應用能力為目標，構建人才培養模式，改革課程教學方法和教學內容，提高人才培養質量。創新教育和應用型人才培養是新時期高等教育的核心。教學質量是高校的生命，課堂教學是高等教育中最基本也是最重要的一個環節，創新高校課堂教學模式，推進有效教學、構建高效課堂是提高課堂教學效率和人才培養質量的有效途徑。本文結合土力學課程的教學改革實踐，對創新應用型人才培養的課堂教學改革進行探討。

1 土力學教學改革的必要性

土力學是土木工程專業的核心主干課程，對培養學生的實踐和創新能力，夯實學生的專業基礎具有舉足輕重的作用，也是學生工作后從事土木工作和科學研究的重要基礎。土力學學得好的學生，擅長自學，在工作中能做到觸類旁通，較快適應不同的工作，并能處在學科前沿進行科學研究。土力學的教學效果對構建以能力為導向的應用型本科人才培養目標的實現起著舉足輕重的作用。土力學具有多學科交叉性，知識點分散，理論性強，內容多，概念多，公式多，內容跳躍性大，連貫性差，還具有明顯的不完善性，學生學習起來頭緒繁多，學習難度大，學習興趣低，課程教學壓力大[1]，如果采用傳統“一本教材、一個講義、一套方法”的教學模式，就會造成學生的求知欲望和學習興趣得不到激發，厭學情緒嚴重，探索、創新精神與思維能力得不到培養，難以實現創新應用型人才培養目標。因此，針對土力學課程特點進行教學改革勢在必行。

2 基于創新應用型人才培養的土力學教學 改革

1）以工程應用為主線，講好緒論第一課，激發學生學習土力學的興趣。“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”，學習興趣是學生自覺學習的源動力[2]。只有激發學生的學習興趣，學生才會主動去學，才會認真聽課，教學質量才能得到真正提高。現在的學生更注重知識在將來工作中的實用性，因此，緒論第一課應著重講清楚為什么要學習土力學這個核心問題，突出課程的重要性，課程的工程應用價值，通過工程案例，激發學生的學習興趣。充分利用多媒體圖文聲并茂的優越性，對世界著名工程案例進行講解，例如加拿大特朗斯康谷倉地基滑坡、香港寶城滑坡問題、意大利比薩斜塔和我國虎丘塔的嚴重傾斜問題，Teton壩和九江大堤決口問題。每一個問題都強調造成的損失，同時提出問題供學生思考。特朗斯康谷倉、香港寶城為什么會出現滑坡？比薩斜塔和虎丘塔為什么會傾斜？是否可以采取措施進行糾偏？ Teton壩和九江大堤決口的原因是什么？留給學生一定的思考討論時間，引導給出這些問題的正確答案并延伸出這些問題的預防與處理措施。然后列舉我國有名的趙州石拱橋、開封寶寺木塔等成功案例，提出為什么它們沒有出現問題讓學生思考討論。通過這些案例和提問顯示出土力學的工程應用價值，即土力學是處理巖土工程問題的理論基礎，土力學可以解決很多工程實踐問題，對今后從事土木工作及相關工作具有十分重要的作用，例如建造師、檢測師、巖土工程師等注冊工程師考試就有很多土力學方面的知識，這些都是激發學生的學習興趣和學好土力學的動力。

2）加強與學生的溝通，研透土力學教材，以工程應用為主線，重新調整土力學教學內容。重視在教師教學過程中與學生建立起互相信任、互相尊重、感情融洽的和諧師生關系，利用網絡建立起師生平等、真誠的交流平臺，主動與學生多交流，增進師生感情，密切師生關系。弄清楚土力學與已學課程的重復內容，教學中學生難掌握的內容， 存在誤區的內容，及時準確地得到學生的教學效果反饋，有的放矢，提高教學效果。刪減與工程應用聯系不緊密、陳舊的內容，與已學課程重復的內容，增加學生沒有掌握的實用知識以及與工程應用關系密切的學科發展前沿，注重基本理論和原理的整合，實現土力學教學內容的系統化。教學中應始終抓住土的有效應力原理和強度等主要理論，著重解決好土的變形、土中應力、土壓力和邊坡穩定性分析及地基承載力等幾方面的工程應用問題。通過有效應力原理，把土中的應力和變形問題結合起來，通過抗剪強度理論把土壓力、邊坡穩定性分析及地基承載力問題結合起來。例如講解莫爾-庫侖強度理論時，結合圖1對極限平衡原理進行詳細講解，創設提問：土體發生剪切破壞的平面是不是剪應力最大的平面？破裂面與大主應力作用面成什么角度？最大剪應力出現在哪個面上，與大主應力作用面成什么角度？最大剪應力出現在哪個面上，與大主應力作用面成什么角度？已知最大主應力和最小主應力時，如何計算土體處于極限平衡狀態時的最小主應力和最大主應力？并提醒學生這些是學習土壓力和地基承載力的基礎。講解土壓力時結合基坑工程開挖創設提問：為防止一個正在開挖的基坑外移，你用背部頂住基坑壁，當你感覺背部側壓力太大頂不住時，你后退一小點力小，還是向前移一點力小些？部分學生會回答“向前移一點力小些”，教師馬上進行肯定，并告訴學生向后退一點只會使你受到的側壓力更大。然后提出三種土壓力的概念，這樣學生就很容易明白土壓力定義和三者的大小關系。講解朗金土壓力時，取單元土體，根據三個假設（擋土墻背面豎直、墻背光滑、墻后填土面水平）和三個土壓力的定義，結合莫爾-庫倫強度理論知識引導學生討論思考就很容易得到圖2的莫爾圓和主動及被動土壓力強度。在這個基礎上再引入主動土壓力系數和被動土力系數，并根據學生教學反饋，補充組合圖形形心計算公式方面的知識，這樣對土壓力的內容學生就很容易掌握了。然后播放基坑失穩案例視頻，教師創設提問：該基坑為什么會跨塌？垮塌后應采取那些處理措施？土壓力計算關鍵是計算什么？引導學生思考討論，回顧土中自重應力知識，擴展基坑發展前沿內容。同樣，在進行地基破壞講解主動朗金I區和被動朗金II區時，提示學生土體也是處于極限平衡狀態，有了前面的基礎，稍做提示學生就很快明白了。這樣，學生聽起來有興趣，既解決了工程問題，鞏固了已有知識，又學到了新的知識。

3）把土力學中基本概念、理論與工程問題及普通常識緊密聯系起來，把握教學的重點和難點，創新教學方法，使抽象的概念具體化，枯操的知識趣味化，深奧的道理淺顯化。充分利用多媒體圖文聲并茂的優點，教學中合理穿插工程案例、實物、施工現場等方面的圖片、照片、動畫等。通過制作和播放土工試驗視頻，給學生鮮明的視覺和聽覺沖擊，激發學生的學習興趣。重新設計課程實驗，土力學理論融進實驗教學中，開設綜合設計試驗，讓學生自己設計試驗過程，培養學生創新能力。采用問題式教學，留給學生更多的時間去思考和討論，充分調動學習的積極性，加深學生對基本概念和原理的理解和記憶。采用啟發式教學，強化基本概念和原理的理解，注重概念和理論的工程應用，突出解決工程問題分析思想和分析方法，以培養學生創新思維的習慣。例如講解土的壓實問題時，創設提問：作為路基填料，土顆粒越大越好，還是越小越好？是不是所有土都可以作為路基填料？應該怎么樣來選擇路基填料呢？在學生思考討論后提出級配和評價級配的好壞的不均勻系數、曲率系數的概念，然后播放現場路基施工視頻，引入路基填土壓實案例。再創設提問：為什么填土壓實后會變薄？為什么干土壓實時要灑水？在學生思考討論后提出干密度、壓實度、最佳含水量、最大干密度等基本概念，再播放用Flash 制作土的滲透壓縮動畫，模擬土體的排水壓縮過程，使學生更易理解土的壓實原理，通過解決工程實際問題，讓學生覺得學習這些概念和理論有用，充分調動學生的學習興趣[3]。在講解土的抗剪強度理論和概念時， 通過圖3所示物體與粗糙平面之間摩擦這個普通物理知識引入，豎向力P作用下，物體受到的水平推力T達到接觸面的最大摩擦力時，物體處于極限平衡狀態即將開始滑動，此時，摩擦力，式中，N為法向壓力，為摩擦系數，為摩擦角。再根據剪應力定義可得到：，式中，為正應力，為接觸面的摩擦抗剪強度。此時教師創設提問：摩擦抗剪強度物體處于什么狀態？摩擦抗剪強度大小取決于哪兩個因素？學生就很容易回答出是極限平衡狀態取決于接觸面上的摩擦角和正應力。接著教師指出土的剪切是土體內土顆的相對滑動，砂土抗剪強度就是砂土內部土顆粒之間的摩擦力抵抗外力的能力。那么砂土的抗剪強度大小是多少呢？學生很容易就能得到：式中，為正應力，因為是在土的內部，所以是土的內摩擦角。隨后學生自學討論，引出庫侖定律，得到土的抗剪強度理論和概念。動畫模擬土體滑坡過程，播放滑坡工程實例視頻，結合國內滑坡事故具體數字講解滑坡的危害，并創設提問：滑坡一般發生在什么時候？滑坡發生前有那些征兆？該滑坡發生的原因是什么？該滑坡可采取那些措施來防治？引導學生討論，解決工程實際問題，激發學生學習興趣，使學生覺得學好土力學確實能處理好實際工程問題。土力學實驗教學除開設顆粒分析試驗、土的三相比例指標測定試驗、土的液、塑限測定試驗等常規實驗外，還采用動畫動演示開設采用開設固結、直剪、三軸等綜合性設計性開放實驗，綜合設計實驗由學生自己設計實驗過程，通過實驗，培養了學生創新能力、思維能力、動手能力，同時鞏固和加深土的性質、抗剪強度、固結理論等土力學理論知識，讓學生在知識的運用中獲取新知識。

4）課堂教學中始終應貫徹如下理念：為什么要學生學這些知識，這些知識能應用到哪些領域，應該如何應用這些知識。從常見問題和工程背景引出理論問題，將復雜理論簡單化，以疑導學，充分發揮學生學習的主體作用，培養學生分析解決實際工程問題能力。教學中先提出一個需要解決的工程問題，激發學生的求知欲和學習興趣，使學生的思維處于興奮狀態，再引導學生朝正確的思維方向探索，由淺入深地逐步啟發，最終達到解決問題的目的[4，5]。例如講解土力學中有效應力原理這一重點和難點內容時，先提出如下工程問題：兩個剛抽干水的底部為軟土的完全相同的池塘（見圖4、圖5），對甲池塘進行充水，對乙池塘進行填土，填土和充水的重量相同。問經過較長時間后，甲乙兩個池塘底部軟土會發生什么變化？學生依據生活經驗和常識，會回答甲池塘軟土不會變化，乙池塘軟土會變硬。然后教師進一步提問，兩個池塘池底軟土受到的壓力相同，為什么乙池塘軟土會變硬，甲池塘依然為軟土呢？激發學生學習興趣，引出教學內容并進行講解得到土的有效應力原理：，式中，為有效應力，為總應力，為孔隙水壓力。創設提問：這一土的有效原理適用于飽和土、非飽和土還是二者都適用呢？引導學生得到只適用于飽和土這一正確答案，并進行延伸、擴展，增加土力學發展最新前沿非飽和土有關內容。再插播抽地下水引發的工程案例視頻，創設問題：城市內大面積抽取地下水為什么會引起建筑物開裂？讓學生帶著這一問題，自學教材有效應力其他內容，教師巡視課堂，解決學生自學過程中的疑問，引導學生積極思考。自學完后組織學生討論，引導學生自己得出：抽水會引起地下水位下降，使土中有效應力增加導致地基發生新的不均勻沉降，造成房屋開裂。教師再創設提問：土中任一點的總應力由哪兩部分組成？對土的強度和變形有影響的是哪一部分？學生就很容易回答出：土中任一點的總應力由孔隙水壓力和有效應力組成，土的強度和變形取決于土的有效應力。再回到池塘問題，由學生討論給出答案：對甲池塘池底軟土層，剛抽干水時：，，，剛充水完后： ，，，充水前后塘底軟土有效應力大小沒變，故軟土沒有發生固結，仍很軟;對乙池塘池底軟土層，剛抽干水時：，，，剛填完土后：填土重，， ，，填土后塘底軟土有效應力增大了，故軟土會發生固結，經過一段時間后會變硬;式中，、分別為池底軟土的飽和重度和有效重度，為水的重度，為池底軟土層厚度，H為充水深度。最后，結合某基坑工程案例讓學生思考，怎樣確定該基坑開挖的最大深度？這樣，通過逐步深入，引導學生自己解決教師提出的問題，鍛煉了學生的思維，提高了學生解決工程問題的水平和能力，不僅使學生得到了新東西，還在心理上有了成就感。

3 結束語

新的形式下，培養創新性應用人才是高校教學改革追求的目標。為實現這一目標，在土力學教學中，教師應融會知識，以日常生活和工程問題為背景，以工程應用為主線，以學生為主體，建立和諧融洽的師生關系，注重教學的交互性，創新教學方法，加強工程實踐，開設設計性實驗，留給學生更多的獨立思考時間和創意空間，激發學生興趣和創新思維能力，拓展學生思維的廣度和深度，培養學生自學能力和探索創新的精神。教學改革需要教師、院系、學校和政府共同努力，教師應通過多種途徑走出校門提高自身能力，了解學科發展前沿，實時更新教學案例，積極努力地從基礎做起，想學生所想，從教學過程和學生的需要做起，逐步將教學改革引向深入。

參考文獻

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