面向不同力學(xué)基礎(chǔ)學(xué)生的土力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐

摘要：改變傳統(tǒng)土力學(xué)教學(xué)統(tǒng)一大綱、統(tǒng)一教學(xué)內(nèi)容、統(tǒng)一教學(xué)模式的現(xiàn)狀，將課程內(nèi)容分為三大模塊。對(duì)不同工程力學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)生，制定不同模塊的教學(xué)大綱，按照“因人施教、分類培養(yǎng)”的原則，有選擇地講授不同模塊的內(nèi)容，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)土力學(xué)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，切實(shí)掌握土力學(xué)的核心內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力與工程實(shí)踐能力。實(shí)施結(jié)果表明，所提出的教學(xué)改革措施合理有效。

關(guān)鍵詞：土力學(xué)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G6420；TU4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10052909（2015）01005405土力學(xué)是一門研究土的物理、力學(xué)性質(zhì)及其與工程問(wèn)題有關(guān)的學(xué)科，根據(jù)土的應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度關(guān)系提出力學(xué)計(jì)算模型，用數(shù)學(xué)、力學(xué)方法求解土的應(yīng)力分布、變形、滲透性、土壓力、地基承載力以及邊坡穩(wěn)定等課題，是土木工程、水利工程、市政工程等多學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是從事工業(yè)與民用建筑工程、道路與橋梁工程、地下空間工程、水利水電樞紐工程以及巖土環(huán)境治理等必備的基礎(chǔ)理論知識(shí)。作為土木工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，土力學(xué)具有極其重要的學(xué)科地位。

工程力學(xué)課程在高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等課程的基礎(chǔ)上開設(shè)，其主要內(nèi)容包括理論力學(xué)和材料力學(xué)兩部分。理論力學(xué)主要研究物體的受力分析、力系簡(jiǎn)化和物體及物體系統(tǒng)的平衡，點(diǎn)和剛體的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)力學(xué)分析等。材料力學(xué)的主要任務(wù)是在滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的要求下，為工程設(shè)計(jì)提供必要的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法。

土力學(xué)是用數(shù)學(xué)、力學(xué)方法求解土在各種條件下的應(yīng)力分布、變形、滲透性、土壓力、地基承載力以及土坡穩(wěn)定等課題。由此可見，土力學(xué)課程學(xué)習(xí)的效果在很大程度上取決于學(xué)生對(duì)工程力學(xué)相關(guān)知識(shí)掌握與運(yùn)用的熟練程度。即學(xué)生的工程力學(xué)知識(shí)水平對(duì)土力學(xué)課程的學(xué)習(xí)有較大影響。

一、 教學(xué)中面臨的問(wèn)題

為滿足建筑行業(yè)對(duì)安全技術(shù)與管理類人才的需求，徐州工程學(xué)院自2013年起開始招收土木工程（安全技術(shù)與管理）專升本學(xué)生，當(dāng)年招收的70余名學(xué)生分別來(lái)自江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院、揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院以及常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院等省內(nèi)20余所高校，涵蓋了工程造價(jià)、建筑技術(shù)以及工程監(jiān)理等10余個(gè)不同專業(yè)。因此，學(xué)生的物理、數(shù)學(xué)以及工程力學(xué)基礎(chǔ)差異較大。甚至有少部分學(xué)生來(lái)自于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、礦山機(jī)電等與土建類關(guān)聯(lián)度較低的專業(yè)，數(shù)學(xué)及力學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)相對(duì)較差。即使原來(lái)在高職院校所學(xué)的專業(yè)為土建類或與土建類相關(guān)，但由于不同學(xué)校的師資水平以及對(duì)力學(xué)和數(shù)學(xué)的重視程度不同，學(xué)生的工程力學(xué)知識(shí)水平也存在著較大差別。由此可見，在學(xué)生工程力學(xué)知識(shí)水平差異較大的情況下，應(yīng)合理地組織土力學(xué)的理論與實(shí)踐教學(xué)，將土力學(xué)這門集物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)以及力學(xué)等多學(xué)科于一體的專業(yè)基礎(chǔ)課講得通俗易懂，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生切實(shí)掌握土力學(xué)的基本概念、基本理論與基本技能，并具有一定的解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

對(duì)于如何提高土力學(xué)課程的教學(xué)效果，國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，并發(fā)表文章百余篇，概括起來(lái)基本可分為以下幾個(gè)方面。

（1）在理論教學(xué)方面，主要是對(duì)課程中的一些基本概念及公式推導(dǎo)等進(jìn)行討論。如，李棟偉、汪仁和[1]對(duì)一維固結(jié)滲流理論公式、土粒顆粒級(jí)配以及最優(yōu)含水量與塑限關(guān)系等進(jìn)行了探討，王仕傳[2]、楊雪強(qiáng)等[3]對(duì)有效應(yīng)力原理的理解進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述，朱建群、高文華[4]對(duì)土的三相比例指標(biāo)之間的換算、有效應(yīng)力原理以及擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力和水壓力等問(wèn)題分別進(jìn)行了較為詳盡的分析。

（2）在實(shí)踐教學(xué)方面，主要是對(duì)目前土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出了不同的改進(jìn)措施與建議。如，王俊杰[5]在大量調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，分析了土力學(xué)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，并有針對(duì)性地提出了改進(jìn)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的措施；李廣信[6]認(rèn)為在課堂上向本科生引入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)非常重要，重點(diǎn)介紹了清華大學(xué)土力學(xué)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中富有特色的方面；鄭運(yùn)桃[7]從青海大學(xué)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)出發(fā)，通過(guò)對(duì)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀分析，對(duì)土力學(xué)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核方法以及拓寬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等改革提出了一些思考及建議；趙志峰、王海波等[8]對(duì)當(dāng)前土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在制度和管理等方面存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了實(shí)驗(yàn)課單獨(dú)開設(shè)、單獨(dú)考核以及建立開放型實(shí)驗(yàn)室等措施。

高等建筑教育2015年第24卷第1期

夏紅春面向不同力學(xué)基礎(chǔ)學(xué)生的土力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐

（3）在創(chuàng)新性能力培養(yǎng)方面，張緒濤[9]從土力學(xué)教師的基本素質(zhì)、課堂教學(xué)的質(zhì)量、教學(xué)的手段與方法等幾方面闡述了培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)造性思維能力的問(wèn)題；費(fèi)康、許朝陽(yáng)[9]對(duì)研究性學(xué)習(xí)模式在土力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并介紹了教學(xué)設(shè)計(jì)思路、教學(xué)內(nèi)容和課堂討論問(wèn)題設(shè)計(jì)等。

（4）在教學(xué)方法方面，璩繼立、李陳財(cái)?shù)萚10]在土力學(xué)的教學(xué)中引入了PBL（即“以問(wèn)題為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)”）教學(xué)法，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力；王偉、陶菲菲等[11]介紹了啟發(fā)式教學(xué)在土力學(xué)中的應(yīng)用，并論述了應(yīng)用啟發(fā)式教學(xué)應(yīng)注意的問(wèn)題；馬時(shí)強(qiáng)[12]則提出，在土力學(xué)的教學(xué)中，對(duì)一些屬于重難點(diǎn)的概念和原理（如砂土液化、土的抗剪強(qiáng)度、有效應(yīng)力原理、變形模量等）進(jìn)行恰當(dāng)有趣的比喻，將有助于學(xué)生深刻理解，同時(shí)對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、活躍課堂氛圍、和諧師生關(guān)系大有裨益；丁樹云[13]在土力學(xué)教學(xué)過(guò)程中，以數(shù)學(xué)知識(shí)作為切入點(diǎn)，結(jié)合土力學(xué)基本問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生的思維。

由此可見，盡管對(duì)土力學(xué)教學(xué)方面進(jìn)行了大量研究，取得了比較豐碩的研究成果，但上述研究均基于一個(gè)前提，即學(xué)生在學(xué)習(xí)土力學(xué)課程之前，都學(xué)習(xí)過(guò)高等數(shù)學(xué)、工程力學(xué)等課程，具有一定的工程力學(xué)基礎(chǔ)。對(duì)于專升本的學(xué)生，在同一班級(jí)中，工程力學(xué)基礎(chǔ)存在明顯差異，如何針對(duì)不同力學(xué)基礎(chǔ)學(xué)生的接受能力和學(xué)習(xí)特點(diǎn)，在有限的課時(shí)內(nèi)，使學(xué)生切實(shí)掌握這門基本概念、計(jì)算理論及計(jì)算公式均較多的專業(yè)基礎(chǔ)課，高質(zhì)量地完成教學(xué)任務(wù)，是一個(gè)值得研究的課題。

二、 教學(xué)改革

（一） 分模塊制定教學(xué)大綱

土力學(xué)主要講授有關(guān)土的基本概念、土的強(qiáng)度問(wèn)題、變形問(wèn)題、滲流問(wèn)題以及土的動(dòng)力特性等。按照其內(nèi)容將土力學(xué)分為三個(gè)模塊，如圖1所示。

模塊一為土的基本概念，主要講述土的形成及分類和物理性質(zhì)兩大部分內(nèi)容，該部分為土力學(xué)的基礎(chǔ)，包括土的形成、組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造、土的三相比例指標(biāo)、土的水理性質(zhì)、土的擊實(shí)性以及土的工程分類和特殊土的工程地質(zhì)特征。該部分繁雜的計(jì)算公式較少，大部分為敘述性內(nèi)容或基本概念，學(xué)生理解基本沒(méi)有困難。

模塊二為土的強(qiáng)度特性及變形特性，主要講述土的強(qiáng)度和變形的理論計(jì)算和試驗(yàn)。包括土的自重應(yīng)力及附加應(yīng)力計(jì)算、基底壓力及基底附加壓力計(jì)算、有效應(yīng)力原理、地基最終沉降量計(jì)算、土的抗剪強(qiáng)度理論及抗剪強(qiáng)度測(cè)定方法、地基的破壞模式和極限承載力以及土壓力理論和土坡穩(wěn)定分析等內(nèi)容。該部分內(nèi)容是土力學(xué)的核心內(nèi)容。

圖1土力學(xué)課程核心內(nèi)容模塊劃分模塊三主要是土的滲流特性與動(dòng)力特性。主要包括達(dá)西定律、土中的二維滲流及流網(wǎng)、滲透破壞、飽和土的單向固結(jié)理論、地基沉降與時(shí)間關(guān)系計(jì)算以及動(dòng)荷載作用下土的力學(xué)特性等內(nèi)容。該部分內(nèi)容為整個(gè)土力學(xué)的難點(diǎn)，尤其是二維滲流、飽和土的單向固結(jié)理論以及土的動(dòng)力特性等內(nèi)容，其理論性均較強(qiáng)。

（二） 因人施教、分類培養(yǎng)

對(duì)于不同工程力學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)生，模塊一的內(nèi)容較容易理解與掌握。模塊二中的實(shí)驗(yàn)部分，其實(shí)驗(yàn)方法與相關(guān)參數(shù)的獲取均比較容易，而理論計(jì)算中，由于涉及組合變形時(shí)的應(yīng)力計(jì)算（如基底壓力的計(jì)算）、應(yīng)力狀態(tài)理論（如土的抗剪強(qiáng)度計(jì)算）以及彈性力學(xué)中的相關(guān)知識(shí)（如地基的自重應(yīng)力及附加應(yīng)力計(jì)算），故該部分內(nèi)容對(duì)于大多數(shù)學(xué)生來(lái)說(shuō)，理解與掌握均有一定的難度。在講解該部分內(nèi)容時(shí)，應(yīng)根據(jù)學(xué)生的具體情況合理取舍，而不應(yīng)拘泥于對(duì)所有公式的繁瑣推導(dǎo)，如豎向集中力作用下地基中某點(diǎn)附加應(yīng)力的計(jì)算（即布辛奈斯克解答），由于學(xué)生沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)彈性力學(xué)，故只需將計(jì)算結(jié)果告訴學(xué)生即可，而沒(méi)必要講述公式的推導(dǎo)過(guò)程。對(duì)于偏心荷載作用下基底壓力的計(jì)算，則應(yīng)讓學(xué)生理解其實(shí)質(zhì)類似于桿件在壓彎組合變形下橫截面上任意一點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算。對(duì)于土的抗剪強(qiáng)度理論公式的推導(dǎo)，實(shí)質(zhì)是平面應(yīng)力狀態(tài)下，任意截面上的正應(yīng)力和切應(yīng)力的求解問(wèn)題。這樣，有利于一定工程力學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)生，對(duì)問(wèn)題的理解和掌握。而對(duì)沒(méi)有工程力學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)生，在講解上述問(wèn)題之前，則應(yīng)簡(jiǎn)單介紹應(yīng)力和應(yīng)力狀態(tài)的概念，以及桿件在壓彎組合變形條件下，橫截面上任一點(diǎn)的正應(yīng)力計(jì)算方法，以利于他們對(duì)相關(guān)問(wèn)題的理解。模塊三的內(nèi)容由于涉及流體力學(xué)、土的動(dòng)力學(xué)等內(nèi)容，而這兩部分內(nèi)容，大部分學(xué)生幾乎沒(méi)有接觸過(guò)，所以相對(duì)較難，故只需對(duì)達(dá)西定律、飽和土的單向固結(jié)理論等內(nèi)容簡(jiǎn)單講解即可。主要是讓學(xué)生會(huì)利用固結(jié)度與時(shí)間因數(shù)的關(guān)系曲線，對(duì)地基沉降與時(shí)間關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。

由此可見，對(duì)不同工程力學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)生，講課的內(nèi)容及側(cè)重點(diǎn)應(yīng)有所區(qū)別。

對(duì)于力學(xué)基礎(chǔ)好而且以后有考研意向的學(xué)生，在理解并掌握土力學(xué)基本內(nèi)容的同時(shí)，開設(shè)第二課堂，主要包括以下三個(gè)方面內(nèi)容。

第一，補(bǔ)充講解與土力學(xué)課程內(nèi)容有關(guān)的部分彈性力學(xué)以及流體力學(xué)知識(shí)、土動(dòng)力學(xué)等，從而提高學(xué)生的理論水平，即在講授模塊一和模塊二的基礎(chǔ)上，同時(shí)講授模塊三的內(nèi)容。

第二，設(shè)立土力學(xué)課程學(xué)習(xí)興趣小組，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加教師的科研項(xiàng)目，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生科研能力的訓(xùn)練。

第三，對(duì)于計(jì)算機(jī)水平較高的學(xué)生，鼓勵(lì)其利用Matlab、Abaqus以及Ansys等軟件編寫程序，通過(guò)對(duì)軟件的二次開發(fā)，對(duì)土的一維固結(jié)過(guò)程、三軸試驗(yàn)過(guò)程、荷載作用下地基中的應(yīng)力分布等進(jìn)行模擬與分析，從而加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生對(duì)數(shù)值計(jì)算軟件知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。

對(duì)于力學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)較弱且以后準(zhǔn)備就業(yè)的學(xué)生，主要講授模塊一和模塊二的內(nèi)容，對(duì)模塊三的內(nèi)容只做簡(jiǎn)單介紹。對(duì)該部分學(xué)生，除了要求其掌握土力學(xué)的基本概念、基本理論外，應(yīng)重點(diǎn)培養(yǎng)其實(shí)踐動(dòng)手能力，在完成學(xué)校規(guī)定的必修實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增設(shè)土的分類及定名、土的壓縮固結(jié)以及土的承載力等工程實(shí)踐性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，提高學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

（三）采用合理的成績(jī)考核辦法

為改變過(guò)去土力學(xué)課程考試“重理論輕實(shí)踐”的弊端，土力學(xué)課程的總成績(jī)由試卷成績(jī)和實(shí)驗(yàn)課（或第二課堂）成績(jī)兩部分組成，試卷成績(jī)（占總成績(jī)的70%）主要考核模塊一和模塊二中的部分內(nèi)容，主要評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)土力學(xué)基本概念以及基本理論的掌握和運(yùn)用能力，為全體學(xué)生的必考內(nèi)容。將土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課（或第二課堂）成績(jī)?cè)谕亮W(xué)總成績(jī)中的比例由原來(lái)的10%調(diào)整為30%，使學(xué)生的成績(jī)考核更加合理，同時(shí)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課（或第二課堂）的重視程度顯著提高。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課成績(jī)主要由實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、出勤、紀(jì)律、操作、記錄以及結(jié)果分析與討論等綜合評(píng)定。而第二課堂成績(jī)則由創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α④浖?yīng)用及二次開發(fā)能力以及科研小論文撰寫等幾方面綜合評(píng)定。

三、實(shí)施效果

（1）改革后，學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變，曠課、遲到及早退現(xiàn)象很少出現(xiàn)。之前，大部分學(xué)生認(rèn)為土力學(xué)晦澀難懂，且所學(xué)的知識(shí)在工程中應(yīng)用性不強(qiáng)。改革后，學(xué)生改變了此種錯(cuò)誤觀點(diǎn)，消除了學(xué)習(xí)中的畏難情緒。

（2）無(wú)論是基本理論考核，還是實(shí)驗(yàn)操作或創(chuàng)新能力考核，學(xué)生的成績(jī)均有較大的提高。

圖2為土木工程（安全技術(shù)與管理）專業(yè)學(xué)生成績(jī)分布圖。從圖中可以看出，全班77名學(xué)生中僅有2名學(xué)生的綜合考核成績(jī)?cè)?0分以下，成績(jī)?cè)?0分以上的有8名學(xué)生，說(shuō)明絕大部分學(xué)生對(duì)土力學(xué)課程的相關(guān)知識(shí)掌握較好。

（3）學(xué)生對(duì)授課教師的教學(xué)滿意度明顯提高，教師的教學(xué)綜合評(píng)價(jià)均為優(yōu)秀。通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查，90%以上的學(xué)生對(duì)改革后的教學(xué)方法比較滿意。

（4）改變了過(guò)去理論課教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課教學(xué)分別由不同教師擔(dān)任的做法，采用基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)由實(shí)驗(yàn)室教師指導(dǎo)，而設(shè)計(jì)性及創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目則由理論教學(xué)教師或有土力學(xué)相關(guān)科研項(xiàng)目的教師指導(dǎo)，基本解決了實(shí)驗(yàn)室?guī)熧Y不足的問(wèn)題。

（5）學(xué)生的綜合素質(zhì)明顯提高，其自主設(shè)計(jì)能力顯著增強(qiáng)，對(duì)教師的依賴性明顯減小，從而為后續(xù)課程（如基礎(chǔ)工程）的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。

四、結(jié)語(yǔ)

雖然土力學(xué)的研究對(duì)象復(fù)雜，實(shí)踐性強(qiáng)，內(nèi)容的連貫性相對(duì)較差，具有理論繁多、應(yīng)用公式多、推導(dǎo)公式的假設(shè)條件多等特點(diǎn)，但通過(guò)對(duì)課程內(nèi)容的合理組織，采用全新的模塊教學(xué)法，制定不同模塊的教學(xué)大綱，按照“因人施教、分類培養(yǎng)”的原則，有選擇地講授不同模塊的內(nèi)容，增設(shè)工程實(shí)踐性較強(qiáng)的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)，開展豐富多彩的第二課堂，采用相對(duì)合理的成績(jī)考核辦法，激發(fā)學(xué)生對(duì)土力學(xué)產(chǎn)生濃厚的興趣，切實(shí)理解并掌握土力學(xué)的核心內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

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