基于工程應用的土力學實驗開放式教學改革探索

胡順洋

摘要：土力學實驗是土力學課程的重點教學內容之一，其工程實踐性強，各個實驗參數之間具有聯系緊密和創新性的特點，傳統實驗教學內容和模式等也不適應創新型人才培養的需要。文章在分析土力學實驗教學存在問題的基礎上，提出基于工程的土力學實驗教學改革措施。經過近2年的實驗教學改革研究和實踐，成效顯著，表明所提出的實驗教學改革措施是合理有效的。

關鍵詞：土力學；實驗教學；工程應用；開放式

中圖分類號：G6420；TU4文獻標志碼：A文章編號：10052909（2018）03012204當代大量的土木工程建設，如建筑工程、交通工程、市政工程、水利工程以及國防建設等，這些工程建設項目都與土力學有著密切的關系，因為工程都是建在地基上的，正所謂“萬丈高樓平地起”。在工程建設前，都要對巖土的工程性質進行研究，而土力學實驗是其中重要而必不可少的手段之一。土力學實驗作為土力學課程的重點教學內容之一，是土木工程學科所有專業方向必修的專業基礎實驗課程。通過土力學實驗課程的學習，可以加深學生對土力學基本概念、基本理論的理解，引導學生深入了解土體的物理力學性質，理論聯系實踐，調動學生學習的主動性和學習興趣，幫助學生熟悉土力學實驗各種儀器設備，提高學生的科研應用能力[1]。但長期以來，土力學實驗內容與工程實際以及實驗項目之間的聯系嚴重脫節，不利于培養學生的工程實踐能力和創新能力。

一、土力學實驗教學現狀

（一） 土力學實驗教學的特點

土力學實驗是土木工程等專業必修的基礎課程，具有三個特點：一是工程實踐性強，土力學實驗與具體的工程緊密聯系，實驗結果直接影響工程的可行性、安全性和經濟性。二是各個實驗參數都是相互聯系、相互影響的，如土的含水率直接影響土的軟硬狀態判定，并與土的壓縮性、土的強度指標聯系緊密，在工程應用中，如在路基壓實施工過程中，它又影響著土的壓實效率。土力學實驗內容設置見圖1。因此，單一的一個指標不能獨立應用于工程，常需要眾多實驗項目組合在一起，形成實驗成果應用于工程。三是創新性，隨著時代的發展，出現許多新材料、新工藝和新儀器，土體的客觀規律還有很多亟待探索和研究， 土力學學科也應該與時俱進，不斷創新實驗方法，去發現認識這些規律，以促進學科發展[2]。

（二） 土力學實驗教學存在的主要問題

在土木工程類專業本科教學改革中，實驗課程學時被大幅減少，部分實驗項目在時間上達不到要求，不能獨立完成實驗的全過程。這樣的實驗教學顯然是不完整的，學生對整個實驗感到抽象，印象不深刻，也不利于培養學生的綜合分析能力[3]。

1.實驗教學地位不突出，學生缺乏主動性

過去，土力學實驗屬于課程實驗，在實際教學過程中，僅作為土力學理論課程教學環節的一個部分，一般安排8 學時，在講解理論知識之后，由授課教師安排學生進行實驗。實驗教學不進行單獨考核，而是由教師視學生實驗情況評定成績，該成績與課程平時成績一起僅占總評成績的20%。同時，由于實驗課程學時減少，部分實驗項目在時間上達不到要求，為了在規定時間內完成獨立的全過程的實驗項目，實驗教師只能在課前先完成幾個實驗環節的操作，實驗課上學生只操作其中的幾個實驗環節。也就是說學生只完成了實驗的一部分，未能獨立完成實驗的全過程。這樣的實驗教學無法調動學生的主動性，以致許多學生對實驗課不重視，產生輕實驗重理論的思想，從而嚴重影響土力學實驗教學質量。

2.實驗教學內容固定，不利于培養創新人才

由于受實驗課程學時限制，土力學實驗內容一般固定4～5個實驗項目，每個專業、每個班級都一樣，年年如此，學生實驗基本上按照實驗指導書進行按部就班的操作。這些實驗又以驗證性實驗為主，內容陳舊。各個實驗項目又分別采用不同的樣品，即：界限含水率實驗用黏性土樣品，密度、含水率和固結實驗用粉土，直接剪切用粉細砂，三軸采用黏性土，每學期（教學周期一般為10周）分4次完成。由于試驗項目分散開設，每次實驗的數據都是在間隔較長時間內完成的，以致各實驗項目之間的聯系脫節，嚴重削弱了土力學系列實驗之間的相互聯系。學生很難把一個土樣經幾次實驗測出的多個指標建立必要的聯系，并綜合起來對實驗結果進行全面分析，以致學生對土力學實驗了解得片面化、靜止化[4]，實驗教學的作用與效果不理想，不利于培養和提高學生綜合分析實驗數據的能力。而在實際工程中，實驗人員用目力鑒別，初步確定土的分類，制定土的實驗計劃，安排實驗項目，各個實驗采用的土樣都在同一含水率狀態。可見實驗教學與工程實際嚴重脫節，學生缺乏自行設計實驗的能力，更無法探討所做實驗與實際工程的關系。

此外，傳統實驗教學內容不能適應不同專業的培養要求，學生完全處于被動狀態，沒有發揮學生的主觀能動性，難以激發學生的學習興趣，嚴重影響了學生學習的積極性，傳統實驗教學內容不適應當今時代的創新要求，也不利于培養學生分析問題、解決問題的能力。

3.實驗教學手段單一

一般的實驗教學過程是：教師先集中講授實驗內容、方法及要求，在講授操作重點難點時，給予必要的實驗操作示范；然后學生3～4人一組分工協作按照實驗指導書的要求，進行實驗操作、數據記錄和試樣制備；最后學生按要求完成實驗報告，在實驗過程中教師給予輔導。這樣的實驗教學安排，使部分學生即使不預習實驗內容也可以參與實驗。在實驗過程中，往往也只有一部分學生能真正進行實驗操作，另外一部分學生則成為旁觀者，基本不操作，直接使用其他同學測的數據來寫實驗報告，甚至直接照搬同學的報告。因此，這種教學方式導致土力學實驗教學效果不理想，學生的動手能力得不到鍛煉，更無法培養學生良好的實踐能力和創新能力。

二、 基于工程的土力學實驗教學改革

針對以上土力學實驗教學存在的問題，筆者所在的揚州大學建筑科學與工程學院對土木工程專業本科實驗教學進行改革，努力提高土力學實驗教學質量和效果。

（一）以工程問題為導向構建土力學實驗教學體系

針對實驗教學與工程實際嚴重脫節的問題，學院安排1天的實驗時間，直接采用實際工程中的土樣來完成土力學實驗。土樣可以是黏性土、粉土，也可以是砂土。學生2人一組，領取2個土樣，要求每組學生先通過目力初步確定土的名稱，然后制定實驗方案，由實驗教師確認各組實驗方案后，每組再分別進行土的密度和含水率實驗、工程分類實驗、直接剪切實驗、固結實驗和三軸剪切實驗，最后形成某工程的土力學實驗報告。這樣就避免了各組實驗內容的雷同，如：土的工程分類實驗，對不同的土樣，采用不同的實驗方法，黏性土做界限含水率實驗、砂土做顆粒分析實驗、粉土做顆粒分析實驗和界限含水率實驗。學生動手機會大大增加，有利于提高學生的實踐能力，也避免了最后實驗成果報告內容的千篇一律。每組學生也能將土的各個實驗參數緊密聯系起來，對土的工程特性有了初步認識，試驗報告成果更加貼近工程實際，有利于培養學生的工程觀和綜合分析能力。

（二） 基于能力培養科學設置實驗教學內容

在一些國家的高校，土力學實驗與土力學理論講授課程是分開的，單獨計算學分[5]。揚州大學建筑科學與工程學院對土木工程專業基礎實驗課程進行整合，把土木工程材料、材料力學和土力學實驗課程合并成土木工程基礎實驗課程，并將土木工程基礎實驗作為一門獨立的實驗課程，總計1.5學分，其中土力學實驗課程0.5學分，屬于必修課程。此外，對實驗內容也進行了改革，把界限含水率實驗改為土的工程分類實驗，增設擊實實驗、滲透實驗和創新實驗，將界限含水率實驗、直接剪切實驗、固結實驗、三軸實驗作為必做項目，擊實實驗和滲透實驗作為選作項目，創新實驗作為探索項目。

實驗考核內容包括實驗操作、實驗成果評價、 出勤考核，按照實驗操作和實驗成果評價成績占總成績的70%、 出勤考核成績占30%進行考核。最終成績采用等級記分，分為優、良、中、及格、不及格五級。

通過改革土力學實驗課程教學，極大地調動了學生學習的主動性，學生開始重視實驗課程，一改過去教師要我做試驗的“被試驗”現象，學生實際動手能力也有較大提高。

（三）開展開放式實驗教學，激發學生的探索熱情

為了合理調配實驗室儀器設備，充分利用網絡教學資源，全面實行開放式實驗教學，以提高實驗教學質量。學院實驗室采取定時開放制度、預約開放制度，學生可在學院實驗教學系統預約實驗課程和實驗時間，既提高了實驗教學效率，又切實有助于提高學生的實驗技能和動手能力。

此外，學院通過建設虛擬仿真實驗中心，對實驗過程比較復雜、占用時間長，或者沒有條件分組開設的實驗項目（如土的三軸實驗），利用軟件虛擬實驗系統來模擬實驗過程，并開發設計了一些創新型實驗內容，供學生自主選擇學習。創新型實驗能充分發揮學生個人潛能，有效地激發、引導學生的工程意識和創新意識，拓展學生的創新能力和研究能力。同時，學院結合大學生創新要求，實施本科生導師制和創新學分制度。要求部分本科生進行創新實驗，不固定實驗內容，不固定實驗時間，由教師提出實驗目標，學生制定實驗方案，教師參與其中，在實驗過程中對學生給予必要的指導和啟發，最后由學生獨立撰寫創新實驗報告。通過增加創新型實驗項目，幫助學生懂得科學實驗的嚴謹性、復雜性和嚴密性，培養學生嚴肅、認真的科學態度，鍛煉學生的科學思維能力，要求學生初步掌握科研的方法和步驟，學會在工作中發現問題和解決問題。此外，引導學生了解本學科前沿動態，學習新方法、新技術，開闊學生的思路和視野。

（四）改革效果評價

通過推進土力學實驗教學改革，極大地調動了學生學習的主動性，學生的學習態度也由原來的“輕實驗重理論”轉變為“理論與實驗并重”，學生工程意識得到大大增強，實驗教學質量大幅提高，學生的科研探索熱情也被激發起來，現在每學期都有6～8名學生參與土力學創新型實驗，學生的綜合運用能力和創新能力有了顯著提高，為培養創新型人才打下了良好基礎。

三、結語

通過構建以工程問題為導向的土力學實驗教學體系，科學設置實驗教學內容，實行開放式實驗教學，提升學生的工程實踐能力、獨立思考能力和創新能力。揚州大學建筑科學與工程學院經過近2年的實驗教學改革研究和實踐，成效顯著。

參考文獻：

[1]宗士增，閻燕.工程教育創新實踐的方法與措施[J].中國大學教學，2012（4）：61-63.

[2]歐益寶.PLC實驗系統構建模式研究[J].實驗室研究與探索，2010，29（9）：73-75.

[3]許雪瑩，金文，嚴明.適應高層次本科生培養的實驗教學改革[J].高校實驗室工作研究，2012（1）：12-14.

[4]周莉，韓雪，楊海濤.應用型人才培養的土力學實驗教學模式改革與實踐[J].黑龍江高教研究，2014（3）：168-170.

[5]李廣信，呂禾，張建紅.土力學課程中的實踐教學[J].實驗技術與管理，2006（12）：13-14.