土力學課程教學中學生創新能力的培養

黎春林 陳 靜

一、引言

創新意識和創新能力的培養是大學生素質教育的核心，是實現社會經濟發展和人類進步的源泉。創新意識指善于聯想，觸類旁通，不墨守成規；創新能力指提出問題，解決問題的能力。當今社會，知識呈爆炸性增長，知識更新換代很快，為適應這一形式的轉變，對大學生的要求不僅僅是學會已有的知識，更重要的是培養學生對所學知識進行選擇、整合、創新的能力。在這一培養目標指引下，大學生才有能力在踏入社會后，根據工作實際和社會要求，不斷完善調整自身的知識結構，更好地適應用人單位和社會的需要。而這種能力并非老師言語所能傳授的，它需要激發學生的創新潛能，也需要大學生的積極參與。

《土力學》是應用型本科院校土木工程相關專業的重要專業基礎課程，對培養合格的應用型人才起著非常重要的作用[1]。土力學理論的發展一般是通過試驗、觀測、計算發現規律，隨后總結和表述這些規律，并上升到理論。從其發展過程可以看出土力學的發展離不開創新，培養學生的創新能力已成為《土力學》教學的重要目標。基于學科特點，在《土力學》教學過程中，我們從理論教學、實驗和實踐等方面進行了改革，加強對學生創新能力的培養，在傳授基礎知識、培養基本能力的同時，更注重啟迪學生的創新思維，引導學生去思考，去探索，去創新。

二、教學改革內容與實施

1.以數學和經典力學引導學生思維創新

土力學理論的發展離不開數學和經典力學。土力學理論中除了有效應力原理和固結理論，其他理論都可以用經典力學進行推導[2]。但由于土的性質和實際土工問題條件的復雜性，數學和經典力學用于土時，常常附加很多假設，所以土力學的計算極少與實際精確地符合。正因為土力學中充滿了經驗和假定，所以我們不能用數學和經典力學的“精準”來要求它。但另一方面，盡管土力學是充滿經驗的學科，但是土性的復雜性和土工問題的近似性并不表示其中應用的數學和力學方法可以不遵守基本的規則；反而，在教學中，應強化運用數學和力學的思想方法，為學生發現、分析和解決問題提供思維起點、終點和路徑。例如太沙基固結理論做了多方面的假定，概括起來包括：（1）土完全飽和；（2）土粒和水不可壓縮；（3）壓縮和滲流是豎向的；（4）變形是線性的；（5）滲流符合達西定律；（6）荷載一次突然施加；（7）土均質；（8）各向同性。在此假定基礎上，根據飽和土體固結的力學機理，利用高數微分方程進行了嚴密的求解。雖然作了如此多的假定，但并沒有影響太沙基固結理論在工程中的廣泛應用。又如，布辛奈斯克假定土體為連續的、各向同性彈性體、半無限體，在此基礎上應用彈性力學理論推導了在地表集中荷載作用下地基中任意一點的附加應力；在布辛奈斯克公式基礎上又進一步利用高等數學面積積分推導了均布荷載作用下、基礎角點下土體中任意一點的附加應力。這一方法同樣在工程中被廣泛應用。通過這些實例，告訴學生數學和經典力學方法在土力學課程中的重要性。因土體性質復雜，為簡化分析，在理論推導過程中往往作了較多的假定，但只要我們抓住了事物的主要矛盾照樣能推導出較精確的結果。

由此可見，數學和經典力學是推動土力學理論發展的有力工具，學習借鑒其思維方法，無疑有助于培養學生創新意識和創新思維能力。同時，老師在教授土力學相關理論時，必須強調其適用條件和局限，否則將會帶來嚴重的后果。例如：膨脹土邊坡，如用條分法設計，會發生滑坡現象。典型案例有：安徽省淠史杭灌區膨脹土上渠道，50年代建成，到80年代發生滑坡195處。同樣的事故還有：南水北調中線渠首2公里渠段上，完工1年后出現13處滑坡。事故原因是條分法沒有考慮膨脹土特點。又如，經典土力學理論假定土體處于完全壓剪應力狀態，而邊坡工程土體內部一般是存在拉張應力分量，基于壓剪這一假定建立的現代邊坡穩定分析理論，因沒有合理考慮斜坡土體所受到的拉應力分量，導致部分達到安全設計標準的工程斜坡，在營運過程中因降雨、場地和環境變化較大等原因發生滑垮，產生災難性后果[3]。

2.重視試驗，培養學生創新能力

土力學許多理論的提出基于試驗和工程實踐，通過對試驗和現場觀測數據的計算分析、類比別人成果，得出規律。沒有大量的實踐資料和堅實的理論基礎，是很難取得成就的[4]。因此，要學好土力學，必須重視實驗和現場測試。

為激發學生的創新精神，我們對傳統的實驗教學進行了改革，具體改革內容包括：開放實驗室，增加綜合性和設計性實驗比例，改革實驗成績的評定方式等。通過開放實驗室，使學生在空余時間可以更主動地從事實驗和科研工作，提高學生的實踐和創新能力；通過綜合性實驗培養學生綜合素質；通過設計性實驗，提高學生應用專業知識解決工程問題的能力；在實驗過程中鼓勵學生大膽質疑，提出問題，并尋求解決問題的最佳方法。在實驗成績評定上既考查學生的專業知識，又評價學生的實踐能力和設計創新能力，重視學生實驗過程表現。

實驗后要求學生對實驗或現場檢測數據進行合理的、客觀的分析，尋找內在的規律。尋找規律應從分析試驗、觀測、計算等方面著手，分析有哪些影響因素，如何影響，是正相關還是負相關？并且應分析哪些現象是誤差或偶然因素引起的，要知道去偽存真。并積極引導學生對同一試驗結果從不同角度分析，得出不同的規律。例如滲透試驗，通過試驗觀測得出以下規律：滲透速度與水頭差成正比，與滲透路徑長度成反比。這就是著名的達西定律。又如直剪試驗，由試驗結果可知土的抗剪強度不是一定值，而是與法向應力成線性關系。

規律是必然的，而理論則是客觀規律的總結和表述。規律的揭示要與機理分析結合，根據實驗結果總結規律，并從機理上分析原因，弄清了規律的實質，再上升到理論就是創新。

3.改進教學方法，創設土力學應用情景

培養創新能力的目的，是培養學生應用土力學知識、方法解決實際問題的能力。《土力學》課程的許多章節都是與工程實際緊密聯系的，其理論也是為解決工程實際問題而提出的，如“土的應力與變形、土壓力、土坡穩定、地基承載力”等內容。因此，在這些內容的教學中，應注重創設土力學的應用情景，營造學生積極參與氛圍，讓學生感受到“工程就在我身邊”，從而激發學生的學習興趣，培養學生的創新意識和創新能力。如：介紹附加應力后，提示學生附加應力不一定都是荷載引起的，引導學生去思考在日常土木工程中還有哪些因素會產生附加應力，將附加應力與基坑開挖、人工降水、滲透變形、地震等現象結合起來，啟發學生的創新思維。又如：介紹土壓力理論計算公式時，結合實際工程中擋土墻的設置方法和種類，分析在實際工程中減少擋土墻土壓力的常用措施，從而加深學生對土壓力理論公式的理解。隨后引導學生自己去思考當前這些工程措施的優缺點，有沒有更合適的改進方法。這樣利用工程實際組織教學，無疑對培養學生的實踐能力和創新意識起到了積極的作用。

4.與時俱進，關注土力學的發展前沿

隨著經濟與科學技術的飛速發展，土木工程規模越來越大，對地基的承載力和變形、擋土墻背土壓力等課題提出了更高的要求，人們在工程建設中也面臨越來越多的問題需要去解決。而土力學重大的工程中問題的解決往往涉及學術上的創新，是非常好的教學素材和資源。在教學中應結合實際工程結構型式、新工藝、新處理方法、新施工方法、新儀器等，與課程理論相聯系，針對具體問題分析得出的規律，避免紙上談兵。如：在介紹真空預壓法加固軟土地基這一工藝時，告訴學生其涉及固結、沉降理論，引導學生去思考其工藝原理。又如：對于地基的變形，在教材中介紹的分層總和法和規范法都只考慮了土體的豎向變形（即沉降），忽略了土體的側向變形。在建筑物規模較小、建筑物高度不高的情況下，這種簡化帶來的誤差很小。但如今隨著建筑技術的飛速發展，建筑物呈多樣化、大型化發展的態勢，涉及的地基問題也越來越復雜，在這種情況下如果設計計算時不考慮土體的側向變形，將會帶來較大的誤差，從而影響到建筑物的安全。因此，在介紹土體變形相關知識時，可結合當前高層建筑和深基坑工程中涉及的土力學問題及具體工程措施進行講解，從而提高學生的學習興趣，加深對理論知識的認識和理解。

5.重視土力學的研究規律，強化創新能力培養

為了培養學生的創新能力，土力學教學不但要傳授土力學知識，還要培養學生的創新思維能力，將重點放在土力學思維方法的傳授和培養上，具體做法如下：

(1)啟發學生運用歸納和類比思維方法

在教學過程中，啟發學生運用歸納和類比的思維方法，比較新知識與已有知識的差異與聯系，既有助于接受、理解和掌握新知識，又有利于培養學生的創新能力。對比分析包括理論方法對比，實驗條件對比，理論適用情況對比對比等等。如：在介紹庫侖土壓力理論和朗肯土壓力理論、直剪儀和三軸剪切儀等這些相近的知識點時引導學生進行類比，通過類比發現問題，從而進一步探尋內在的規律。

(2)發展學生的直覺思維能力和猜想能力

直覺思維是科學發現的一種重要思維方式，一些直覺推斷和猜想常常是某些理論和實踐創新的萌芽，因此，在土力學教學中，可以通過案例教學，引導學生猜想，培養學生的直覺思維能力和猜想能力。例如：e－logp曲線后半段是直線，前半段為什么不是？在這里作一設問，籍此引導學生思考取土所產生的應力擾動，以及應力擾動對土樣e－logp曲線的影響。當然猜測必須合理，提出新理論必須有根有據。也即要求學生在試驗結果或計算結果的基礎上，利用已有的成熟理論，進行合乎邏輯的推理。

(3)突破思維定勢，嘗試運用逆向思維

在實際生活中，人們往往習慣于沿著事物發展的方向思考問題并尋求解決辦法，但是，對于某些問題尤其是一些特殊問題，根據結論思考其成立的條件，往往能使問題簡化。在教學過程中，可以根據教材內容，設計一些逆向思維的例子，既有助于學生掌握知識，又有助于培養學生的探索精神和逆向思維能力。比如，自重應力可分為總自重應力與有效自重應力，在介紹此知識點時讓同學們思考為什么現在很多城市因過度抽取地下水出現了地面沉降這一現象，利用土力學知識，在現實生活中怎么解決這一問題。

三、結語

創新是民族進步的靈魂，是社會發展的動力。在土力學的教學中，要以數學和力學知識為工具，以培養學生創新思維能力為導向，把創新意識和創新能力的培養融入土力學課程教學的全過程，同時，要轉變觀念，在教學中從多方面培養學生的思維能力，激勵學生創新，充分挖掘學生學習潛能，培養符合時代要求的、具創新精神和創新能力的高素質人才。

[1]黎春林.應用型本科院校土力學實驗教學方法探索[J].銅陵學院學報，2014，13（1）：115-117.

[2]畢慶濤，胡金虎，黃志全.土力學教學中幾組關系的辨析[J].華北水利水電學院學報（社科版），2011，27（4）：1213-1214.

[3]岳中琦，徐前.現今斜坡工程安全設計理論的根本缺陷與災難后果[J].巖土工程學報，2014，36(9)：1601-1606.

[4]李廣信.關于土力學理論發展的一些看法——兼與楊光華同志商榷[J].巖土工程學報，1991，13(5)：92-98.