土木工程專業學生實踐與創新能力的培養——以土的滲透特性綜合性試驗教學為例

土木工程專業學生實踐與創新能力的培養——以土的滲透特性綜合性試驗教學為例

何俊，陶高梁，莊心善

（湖北工業大學土木工程與建筑學院，湖北武漢430068）

摘要：土工試驗是提高土木工程專業學生實踐與創新能力的重要教學環節。針對傳統教學模式存在的內容分散、指導教師不足和學生積極性差等特點，提出了新型教學模式的改革設想，即在土工試驗必修課中設置常規指標測試和綜合性試驗、集中開展試驗的方式。以土的滲透特性綜合性試驗教學為例，闡述了綜合性試驗的實施措施。采用綜合性試驗教學方式，可發揮學生的主動性，增強對土力學概念的整體認識，起到培養實踐與創新能力的作用。

關鍵詞：實踐與創新能力；教學模式；綜合性試驗

一、引言

2006年以來，“加強自主創新、建設創新型國家”已成為中國社會主義現代化建設的國家戰略，對培養高水平創新人才提出了更高的要求。隨著土木工程建設的發展，企事業單位對土木工程專業畢業生的要求也越來越高，不僅要求畢業生有扎實的理論知識，更要求有較強的動手能力和創新能力。同時，實踐與創新能力的培養對于學生的繼續深造也意義深遠。如何培養學生的實踐與創新能力，成為高校迫切需要解決的問題。

土力學是土木工程、水利水電工程、交通工程、港口工程、環境和礦山等工程門類中非常重要的技術基礎課。[1]土工試驗是土力學中的基本內容，是工程實踐中不可缺少的一部分。[2]在土力學教學過程中，重視土工試驗教學，是增強學生理解和掌握理論知識、提高學生實踐與創新能力的重要手段。

然而，傳統的土工試驗教學形式難以適應社會對人才培養的要求。很多學者提出“綜合性試驗”模式[3-6]的設想，但如何提高效果、真正達到預期目標卻還有待于深入研究。本文首先簡要分析傳統土工試驗教學模式的特點，在此基礎上提出土工試驗新型教學模式，并以土力學中一個綜合性試驗項目-土的滲透特性綜合性試驗為例，探討其實施措施，努力為學生營造開拓和創新的實驗氛圍，擴大學生獨立思考和探索的空間。

二、傳統教學模式的特點

傳統的土工試驗采用分散教學的方法，一般分散在理論教學過程中，內容主要包括密度、含水率、液塑限、固結、直剪試驗等，一般為8個學時。傳統教學模式主要特點有：

（一）內容有限且分散

除清華大學、同濟大學等高校開設自選實驗和演示現場測試實驗外，一般高校只開設以上必選試驗項目，內容有限且分散。傳統的教學模式屬于“灌輸式”教學，強調教會學生各個指標的測定方法，而分散的教學模式割裂了各個指標之間的聯系，不利于學生對基本概念的理解；傳統模式過于注重“是什么”和“怎么做”，忽略了“為什么”的引導，缺乏對指標的物理意義、作用等方面的分析和總結，沒有給學生發揮創造性的空間。

（二）實驗指導教師不足

由于學生人數較多，而實驗指導教師有限，一般每個指導教師同時指導30名左右的學生完成試驗。有的學校要求理論授課老師參與到實驗教學中，但指導教師仍相對不足，教學效果得不到保障。

（三）學生參與積極性差

傳統的教學模式中，土工試驗只是土力學課程的一部分，學生對土工試驗的重視程度嚴重不足，很多學生并沒有親自動手操作；試驗完成后只是按照老師教的方法完成試驗報告，沒有總結和思考。從實驗準備、實施到分析總結，學生的主動性和積極性都沒有得到發揮。因此，這樣的土工試驗僅僅只是完成任務，無法達到預期的鞏固理論知識、鍛煉動手能力的效果，更不用說實踐與創新能力的培養。

三、新型教學模式

針對以上傳統土工試驗教學模式的特點，提出以下教學模式。

（一）將土工試驗作為單獨必修課

改變傳統土工試驗為土力學課程組成部分的現狀，將土工試驗設置為單獨的必修課，以此增強學生對土工試驗的重視程度。必修課分為兩部分，即常規指標測試和綜合性試驗。

常規指標即前述必選試驗，采用視頻演示和實驗室內操作等相結合的方式，讓學生熟悉各常規指標的測試方法。實驗室內操作時，將學生分為5個一組，每組配至少1名老師或研究生指導。

土的滲透特性、強度特性、變形特性并稱為土的三大特性。將三大特性分解為若干個專題，形成綜合性試驗。土木工程相關專業的科研項目一般都以土力學為基礎，因此這些專題還可結合教師的科研項目進行設置，讓教師和所指導的研究生都參與到土工試驗教學中來，以此增強土工試驗教學師資。將研究生作為土工試驗輔助教師，還可對鍛煉研究生的綜合素質起到積極作用。還可將大的綜合性試驗分解為若干個子題，供學生選擇。

（二）集中時間開展綜合性試驗

為避免土工試驗分散的不利影響，采用集中時間開展綜合性試驗的方法。每個班以3周為一個周期錯開開課，以免造

成設備和人員緊張的現象。在一個周期內，集中在上午、下午或晚上的時間開展試驗。將一個班分為若干組，每組5人左右，每組選定一個子題。

綜合性試驗周期分為三個階段完成工作：第一段3～4天為試驗準備階段，主要任務是小組選定子題并初步確定試驗方案；第二段10天左右為試驗實施階段，包括完善試驗方案、按照試驗方案開展試驗；第三段7天左右為試驗結果分析階段，主要任務是將試驗成果總結為試驗報告，并匯報展示。

（三）注重研究成果的整理

針對每個周期結束時的各小組的匯報情況和指導老師的意見與建議，每組對試驗結果進一步分析，對試驗報告進行完善。學期結束時，將所有學習土工試驗課程的小組集中在一起再次匯報，根據研究成果和匯報情況集體評分。

將專題試驗周期內的成績作為平時成績，將學期末集中匯報的成績作為期末成績。按平時成績和期末成績給出總評成績。

（四）后期實踐活動

除了土工試驗實踐環節以外，學生大四下學期還設有畢業設計環節。另外，很多高校還設置有大學生科研項目等活動，鼓勵學生參加開展科學研究。這些活動都是土工試驗教學環節的有益補充。通過土工試驗課程中綜合性試驗的學習，學生能夠初步具備一定的科研能力，為畢業設計和其他科研活動打下了良好的基礎。同時，教師在指導綜合性試驗的過程中，還可發掘表現優秀、有潛質的學生，在畢業設計和其他科研活動中加強指導，進一步提高學生的實踐和創新能力。

以湖北工業大學為例，我校開展了大學生科研基金項目、“凌云計劃”項目等，鼓勵大學生參與課外學術科技活動。單“凌云計劃“項目，全校每年就有400多名學生參與到老師的科研項目中。在土工實驗課程中，通過綜合性試驗的完成，可增強學生和老師之間學術上的了解。在后期畢業設計和科研活動等實踐時，老師可以根據學生的特點進行針對性地指導，而學生在后期實踐活動選題時方向性也會更加明確。

四、以“土的滲透特性”綜合性試驗為例

（一）子題設定

假設一個班30人，初步指定3大組分別進行土的強度、變形和滲透三大綜合性試驗專題，每個綜合性試驗專題大約有10人參加。首先將所有學生集中，講解三大試驗專題的主要內容；然后劃分小組，針對某一專題講解子題的主要內容。

滲透特性是土體非常重要的工程性質，滲透系數的影響因素包括土粒特性（粒徑大小及級配、孔隙比、礦物成分、結構構造）和流體特性（水的動力粘滯系數，飽和度）等。結合筆者的國家自然科學基金項目“滲濾液與土相互作用機理及裂隙襯墊材料防滲性能研究”和“固結過程非飽和黏性土孔隙結構演化規律及其對水力特性影響機制”等，設置“土的滲透特性”綜合性試驗專題。根據滲透系數的影響因素，該綜合性試驗專題下設“礦物成分對黏土滲透性的影響”、“土樣含水率及干密度對黏土滲透性的影響”、“流體特性對黏土滲透性的影響”和“非飽和黏性土滲透性”等子題。將專題、子題及相應的試驗任務書告知學生，供學生選擇。

（二）試驗準備

試驗準備階段的主要任務是小組選定子課題并初步確定試驗方案。將滲透特性綜合性試驗專題的學生分為若干小組，分別完成該專題下的子題。學生完成選題后，首要的任務是讓學生弄清楚相關概念，并布置初步確定試驗方案的任務。

為弄清楚滲透特性相關的基本概念，采用提問的方法。例如：什么是土的滲透系數？為什么要研究土的滲透系數？滲透性能與變形和強度有什么關系？如何得到土的滲透系數？各種滲透系數測量方法有什么優缺點？同時，鼓勵學生自己提問，發揮學生的主觀能動性。

提出問題并布置任務后，要求學生自己尋找答案、確定試驗方案。給學生詳細講解查閱文獻及相關規范的方法，以及確定試驗方案的方法。

（三）試驗實施

完善學生給出的初步試驗方案，指導學生制定詳細的試驗方案。要求學生遵循《土工試驗規程》等規范的規定，嚴格操作，完成試驗。

以“礦物成分對黏土滲透性的影響”子題為例，要完成這個子題，學生需要開展的試驗主要有：擊實試驗、含水率和干密度測試、變水頭滲透試驗等。每一種試驗都有老師或研究生指導，隨時答疑。

（四）試驗結果分析

要求學生按照規范的方法及時整理試驗數據，分析實驗結果出現的問題。

對于“礦物成分對黏土滲透性的影響”子題，要求學生給出礦物成分與黏土滲透性的定量關系，并能初步分析滲透性變化規律的機理。還可以給出引申分析的主題，如基于試驗結果進一步分析“如何利用黏土的低滲透性進行防滲”等，進一步引導學生思考。

最后，將分析和討論得到的結果整理成完整的研究報告，并做出PPT展示。

五、教學效果

通過綜合性試驗的實施，最大的優勢是發揮學生的主動性，讓學生對土力學知識形成整體、感性的認識，起到培養實踐能力和創新能力的作用。仍以“礦物成分對黏土滲透性的影響”子題為例，采用在天然黏土中摻入膨潤土等方法改變黏土的粒度組成和礦物成分，可讓學生加深理解粒度組成、礦物成分等概念，以及顆分和液塑限等相關試驗方法；試驗土樣屬于重塑土，滲透試驗制樣時要控制土樣的含水率和干密度，可讓學生熟悉含水率和干密度的概念及測量方法，以及最優含水率、最大干密度的概念及擊實試驗方法；滲透試驗時土樣需要飽和，可讓學生熟悉土樣飽和方法，以及飽和度的概念和計算方法；黏土滲透試驗采用變水頭試驗方法，可讓學生學習變水頭試驗原理和試驗方法；滲透試驗完成后，要得到滲透系數與礦物成分的定量關系，可讓學生學習數據分析方法等等。因此，一個子題試驗的實施不是得到無聯系的獨立指標，而是一個相互關聯的指標體系；能夠讓學生分析實驗現象，發現問題、解決問題，提升學生學習興趣。

以上土工試驗教學模式只是初步的改革設想。目前，筆者基于湖北工業大學大學生科研基金項目、“凌云計劃”項目等，提出“垃圾滲濾液對黏土力學性質的影響”綜合性試驗專題，指導土木工程與建筑學院11交通1班的5名學生完成了該試驗項目。學生利用一個多月的課余時間，在老師與研究生的

（注：本文系湖北工業大學2014年校級教學研究項目“基于獨立思考能力培養的土工試驗教學改革研究”（無項目編號）的階段性成果）

參考文獻：

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