巖土原位測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式初探

李玲玲， 蔣建群， 黃 博， 王奎華

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 杭州 310058)

巖土原位測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式初探

李玲玲， 蔣建群， 黃 博， 王奎華

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 杭州 310058)

針對(duì)巖土原位測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程特點(diǎn)和改革難點(diǎn)，提出了地基和基礎(chǔ)原位試驗(yàn)的階段遞進(jìn)式教學(xué)模式。從巖土原位測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀出發(fā)，提出了新型教學(xué)模式以及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)題目，并進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐和探索。這種新型教學(xué)模式和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)題目的實(shí)施，能充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性與好奇性，使教學(xué)效果得到大幅提升，為巖土工程原位測(cè)試技術(shù)教學(xué)體系形式和模式的探索提供良好的基礎(chǔ)。

巖土； 原位測(cè)試； 探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 教學(xué)模式

0 引 言

巖土工程測(cè)試技術(shù)不僅在巖土工程建設(shè)實(shí)踐中十分重要，而且在巖土工程的理論形成和發(fā)展過(guò)程中也起著決定性的作用。巖土工程測(cè)試技術(shù)一般可以分為室內(nèi)試驗(yàn)、原位測(cè)試和原型監(jiān)測(cè)三大類，還有各種模型試驗(yàn)，極其多樣，各有各的特點(diǎn)和用途。

巖土工程勘測(cè)及原位測(cè)試技術(shù)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程[1-4]，對(duì)學(xué)生實(shí)際的參與度要求較高，同時(shí)其不確定性對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)一定的難度。課程的特點(diǎn)使得該課程的建設(shè)面臨著以下問(wèn)題：① 巖土工程勘測(cè)及測(cè)試技術(shù)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。目前，該課程的實(shí)驗(yàn)部分多為現(xiàn)場(chǎng)參觀，學(xué)生實(shí)際的參與度并不高。② 技術(shù)發(fā)展迅速，先進(jìn)的巖土工程勘察及測(cè)試技術(shù)都在發(fā)展變化，在教學(xué)中必須隨時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容。③ 課程實(shí)驗(yàn)性強(qiáng)，但學(xué)生缺乏實(shí)踐的積累，很難把握課程的精銳。

本課程與其他課程關(guān)系密切(如與土力學(xué)、基礎(chǔ)工程、工程地質(zhì)等課程有密切關(guān)聯(lián))，如何與這些課程一體化建設(shè)，一體化教學(xué)，提高教學(xué)效果也是需要繼續(xù)探索的。因此，如何從教學(xué)模式上改革構(gòu)建新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，如何從學(xué)生學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)提高學(xué)生的興趣和參與度，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手和分析問(wèn)題的能力，如何從實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的環(huán)節(jié)進(jìn)一步深入理解相關(guān)的理論知識(shí)點(diǎn)，更好地掌握測(cè)試技術(shù)，是開(kāi)展巖土工程測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的主要內(nèi)容和目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)課程是從理論到實(shí)踐的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生可以從中學(xué)習(xí)到很多知識(shí)，得到多方面的鍛煉和提高，它不同于一般的課堂教學(xué)，有可能涉及到新儀器，實(shí)驗(yàn)的隨機(jī)性、不確定性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的嚴(yán)謹(jǐn)性，數(shù)據(jù)分析的綜合性等，這些特點(diǎn)都會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)改革主要核心問(wèn)題之一，就是在實(shí)驗(yàn)課里怎樣培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[5-10]。而探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以學(xué)生為主體，通過(guò)一系列研究性教學(xué)方法與手段、以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本文通過(guò)探究性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的開(kāi)展，提高學(xué)生的興趣和參與度，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手和分析問(wèn)題的能力，還可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步深入理解相關(guān)的理論知識(shí)點(diǎn)，更好地掌握測(cè)試技術(shù)。

1 巖土工程測(cè)試技術(shù)的階段遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)踐與探索

通過(guò)探究性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的開(kāi)展，提高學(xué)生的興趣和參與度，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手和分析問(wèn)題的能力，還可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步深入理解相關(guān)的理論知識(shí)點(diǎn)，更好的掌握測(cè)試技術(shù)。階段遞進(jìn)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要內(nèi)容有：① 提高性的綜合類試驗(yàn)，設(shè)計(jì)一些綜合類的試驗(yàn)題目，鞏固常規(guī)的試驗(yàn)和測(cè)試方法的同時(shí)，有助于學(xué)生更深刻的理解土力學(xué)與基礎(chǔ)工程的理論。② 自主性的模型類試驗(yàn)。設(shè)計(jì)自主性的模型類試驗(yàn)題目，比如制作不同模型箱，模擬不同的地基(黏土或砂土)，測(cè)定其沉降、側(cè)向變形以及強(qiáng)度等。

第一階段提高性綜合類測(cè)試小組的試驗(yàn)項(xiàng)目是在室外(野外)選一塊場(chǎng)地(見(jiàn)圖1)，讓學(xué)生自主完成密度、滲透性、強(qiáng)度測(cè)試等地基基本特性，進(jìn)而作出一個(gè)綜合性評(píng)價(jià)。創(chuàng)新是多方面的，可以試驗(yàn)本身是創(chuàng)新的，或者試驗(yàn)手段是創(chuàng)新的，或者兩者皆是創(chuàng)新的。該項(xiàng)目的特色主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地的選擇

(1) 從內(nèi)容上講，綜合類測(cè)試試驗(yàn)小組要完成兩個(gè)主項(xiàng)目和兩個(gè)拓展項(xiàng)目。通過(guò)主項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的深度掌握；通過(guò)拓展項(xiàng)目的開(kāi)展和參與，提高學(xué)生對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)的廣度理解。

(2) 具體實(shí)施形式。自主設(shè)計(jì)主試驗(yàn)項(xiàng)目的方案和詳細(xì)的實(shí)施步驟，全面培養(yǎng)綜合試驗(yàn)?zāi)芰Γ〗M成員合作性完成試驗(yàn)項(xiàng)目。表1所示為創(chuàng)新項(xiàng)目及內(nèi)容更多的學(xué)生和后兩類試驗(yàn)項(xiàng)目將在后續(xù)的土力學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)展。

表1 已開(kāi)展創(chuàng)新試驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容

(3) 從教學(xué)模式上講，以學(xué)生為主、指導(dǎo)老師為輔。全面調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與感和積極性。即使試驗(yàn)結(jié)果可能沒(méi)有到達(dá)預(yù)期的要求，也不影響創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。比如在進(jìn)行拓展性試驗(yàn)時(shí)，原試驗(yàn)場(chǎng)地由于強(qiáng)度過(guò)高，微型十字板試驗(yàn)量程偏低，試驗(yàn)很難進(jìn)行，學(xué)生就換到啟真湖畔強(qiáng)度較低的淤泥土中進(jìn)行(見(jiàn)圖2)；通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題的解決，創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)施得以實(shí)現(xiàn)。

從試驗(yàn)前期準(zhǔn)備、試驗(yàn)實(shí)施以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析來(lái)看，前兩個(gè)內(nèi)容完成達(dá)到要求，而基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)這個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地的性能評(píng)定缺少系統(tǒng)性。這需要學(xué)生進(jìn)一步深入分析試驗(yàn)結(jié)果并開(kāi)展討論。

從整個(gè)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路來(lái)看，原位試驗(yàn)具有非常大的隨機(jī)性，包括原位試驗(yàn)場(chǎng)地的不確定性、土體和地基本身的不均勻性、實(shí)驗(yàn)操作等會(huì)造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差。

2 第2階段實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的難點(diǎn)

無(wú)論是在土力學(xué)教學(xué)還是在巖土工程科研中，土體的強(qiáng)度都是很重要的科學(xué)問(wèn)題。在土力學(xué)及試驗(yàn)課程教學(xué)中，介紹了3種土體強(qiáng)度的室內(nèi)測(cè)試方法：直剪試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限試驗(yàn)以及三軸剪切試驗(yàn)。該項(xiàng)目?jī)?nèi)容屬于土體原位強(qiáng)度測(cè)試手段的室內(nèi)試驗(yàn)研究，對(duì)學(xué)生掌握這一關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)是良好的拓展和有益的補(bǔ)充。

另一方面隨著海洋工程建設(shè)的發(fā)展，海洋巖土工程逐漸成為學(xué)術(shù)研究和工程實(shí)踐的熱點(diǎn)[11-12]。其中，對(duì)海床性質(zhì)的認(rèn)識(shí)和測(cè)試則是海洋巖土工程中平臺(tái)基礎(chǔ)或管道設(shè)計(jì)的前提。T-bar是西澳大利亞大學(xué)Steward等[13]發(fā)明的一種新型土工測(cè)試設(shè)備，隨著其不斷發(fā)展和完善，目前已經(jīng)成熟應(yīng)用于室內(nèi)土體強(qiáng)度測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，成為海洋巖土工程原位試驗(yàn)中的主要手段之一。T-bar測(cè)試過(guò)程中，土體會(huì)完全流過(guò)T型觸探頭，這種“滿流”的特點(diǎn)可以最大限度消除地應(yīng)力對(duì)土體強(qiáng)度測(cè)試造成的影響[13-15]。

這一階段試驗(yàn)的對(duì)象是模型槽(長(zhǎng)寬高：15 m×1.2 m×1.5 m)內(nèi)約50 cm海床，利用T-bar測(cè)試海床土體的強(qiáng)度(見(jiàn)圖3)，考察應(yīng)變率、含水量、循環(huán)次數(shù)對(duì)海床強(qiáng)度的耦合影響，為海洋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和動(dòng)力分析提供科學(xué)依據(jù)。分4組學(xué)生，每周2個(gè)課外學(xué)時(shí)，測(cè)試不同固結(jié)時(shí)間的土體強(qiáng)度，以期得到含水量、擾動(dòng)和應(yīng)變率對(duì)土體不排水強(qiáng)度的影響。

(a) 制備土樣

(b) 取土示意圖

(c) Tbar示意圖

3 探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)踐的分析和總結(jié)

常規(guī)的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)大多關(guān)注于室內(nèi)的土工試驗(yàn)，原位測(cè)試技術(shù)甚少涉及，本科生課程《巖土工程勘察和原位測(cè)試技術(shù)》這門(mén)課之前也以參觀和觀摩為主，缺少學(xué)生動(dòng)手環(huán)節(jié)。而對(duì)于探究性實(shí)驗(yàn)“巖土工程地基與基礎(chǔ)測(cè)試技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”則是一次全新的嘗試，經(jīng)過(guò)本次探究性實(shí)驗(yàn)，教學(xué)組獲得了一些常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無(wú)法得到的經(jīng)驗(yàn)，主要包括以下幾個(gè)方面：

(1) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選取。探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選取是成功開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的前提條件，探究性實(shí)驗(yàn)是課堂實(shí)驗(yàn)的升級(jí)版，必須具備以下基本特征：① 應(yīng)與本課程的前沿科技相銜接，只有這樣才能激發(fā)學(xué)生的參與積極性；隨著工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，巖土工程的復(fù)雜性日益增加，在這種情況下，原位測(cè)試技術(shù)越來(lái)越受到重視，當(dāng)學(xué)生了解其發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)展這樣一項(xiàng)探究性試驗(yàn)是很有吸引力的。② 應(yīng)契合傳統(tǒng)土力學(xué)與巖土工程中的理論要點(diǎn)；選取土體強(qiáng)度的原位測(cè)試技術(shù)為重點(diǎn)，對(duì)學(xué)生掌握這一關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)是良好的拓展和有益的補(bǔ)充。③ 應(yīng)具有一定的設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性，需要學(xué)生自己發(fā)揮主觀能動(dòng)性，探究性實(shí)驗(yàn)也具備了這樣的特征。本次探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不同階段不同重點(diǎn)的選題，為項(xiàng)目的順利開(kāi)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

(2) 學(xué)生的選擇激勵(lì)與考核。除了探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇至關(guān)重要外，學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)的主體也是很關(guān)鍵的因素，在探究性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過(guò)程，為了保證足夠的生源，實(shí)際上采取的方法是將探究性實(shí)驗(yàn)列為有相應(yīng)獎(jiǎng)勵(lì)措施的選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一，成績(jī)作為課程總成績(jī)的一部分，并給予一定的加分獎(jiǎng)勵(lì)。事實(shí)證明，這樣的做法是可行的，能充分激發(fā)學(xué)生的積極性。

探究性實(shí)驗(yàn)采取的是全過(guò)程考核方式，從學(xué)生查閱資料開(kāi)始，到完善試驗(yàn)方案，小組各成員間的分工，各實(shí)驗(yàn)工況的操作，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生的每個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的表現(xiàn)均會(huì)體現(xiàn)在最終的成績(jī)中，雖然探究性實(shí)驗(yàn)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程中的比重并不是很大，但這對(duì)于學(xué)生在整個(gè)過(guò)程中認(rèn)真對(duì)待，真正融入到實(shí)驗(yàn)中是有好處的。

(3) 不足與展望。由于初次嘗試，在探究性試驗(yàn)的開(kāi)展中存在些不足：① 第1階段中原位場(chǎng)地的不確定性和復(fù)雜性影響了試驗(yàn)結(jié)果和綜合分析，第2階段創(chuàng)新試驗(yàn)的主體更改為模型槽內(nèi)均勻的海床土體，情況得到很大改善。② 在后續(xù)課程的創(chuàng)新試驗(yàn)開(kāi)展中，如何協(xié)調(diào)大綱原有試驗(yàn)與創(chuàng)新試驗(yàn)的關(guān)系，尤其是時(shí)間上的分配至關(guān)重要。試驗(yàn)中，由于創(chuàng)新試驗(yàn)內(nèi)容多，工況多，數(shù)據(jù)多，但分配的時(shí)間相對(duì)偏少，嚴(yán)重影響了學(xué)生后期的實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量。③ 學(xué)生的參與積極性得到保障后，如何公平、公正和公開(kāi)的確定參與學(xué)生是下次探究性試驗(yàn)開(kāi)展中將面臨的問(wèn)題。④ 考核如何更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和客觀化，也是待提高的問(wèn)題之一。⑤ 從學(xué)生上交的心得來(lái)看，建議增加題目的趣味性以及提高參與的比例。歸納的以上幾點(diǎn)，在下次的創(chuàng)新試驗(yàn)教學(xué)中將給予重視和完善。總體來(lái)說(shuō)，本次探究性實(shí)驗(yàn)取得了相當(dāng)大的突破，在今后的探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，爭(zhēng)取讓本科生參與基礎(chǔ)性的科研課題，真正讓科研反哺教學(xué)。

4 結(jié) 語(yǔ)

從巖土工程原位測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀出發(fā)，針對(duì)課程特點(diǎn)，提出了巖土工程原位測(cè)試技術(shù)的階段遞進(jìn)式教學(xué)模式和自主式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)題目設(shè)置并進(jìn)行了實(shí)踐。這種新型教學(xué)模式和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)題目的實(shí)施，能充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性以及好奇性，使教學(xué)的效果得到大幅提升。同時(shí)也為巖土工程原位測(cè)試技術(shù)成熟的教學(xué)體系形式和模式探尋提供良好的基礎(chǔ)。

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Research and Practice of the Teaching Mode for Geotechnical in-situ Testing

LILingling,JIANGJianqun,HUANGBo,WANGKuihua

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

According to the course characteristics and difficulties of the experimental teaching of the geotechnical in-situ testing technology, the progressive teaching mode of different stage was put forward in the investigating experiment teaching. Starting from the present situation, a new teaching mode was proposed and the implementation of this new teaching mode and innovative experimental subject were carried on. Thus, the initiative and curiosity of students have been mobilized and teaching effect has been significantly improved. These provide a good foundation for exploring new mature teaching system and mode for geotechnical in- situ testing technology.

geotechnics; in-situ testing; investigating experiment teaching; teaching modes

2016-03-24

浙江省自然科學(xué)基金(E091005)；國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)(2015DFE72830)；浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院重點(diǎn)資助教改項(xiàng)目

李玲玲(1978-)，女，河南鹿邑人，博士，助理研究員，主要從事土力學(xué)實(shí)驗(yàn)、巖土工程測(cè)試和檢測(cè)技術(shù)教學(xué)與研究。

Tel.: 0571-88206229; E-mail: lingli@zju.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)03-0189-04