思維導圖在土力學教學中的應用

孫茜 陸益軍 許文宇 王曉妮

摘要：土力學課程是土木工程等工程類專業重要的專業基礎課，具有基本概念多、知識點瑣碎、內容龐雜、公式多等特點，學習難度較大。本文將思維導圖引入土力學理論和試驗教學中，有助于引導學生構建知識網絡，實現自主學習。

關鍵詞：思維導圖；土力學；理論教學；試驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）17-0191-02

一、引言

思維導圖（Mind Maps）是英國學者Tony Buzan于20世紀70年代所創的一種有效的思維工具[1]。思維導圖是一個從中心散發出來的自然結構，它利用色彩、線條、標記、詞匯和圖像，把一長串枯燥的信息變成彩色的、容易記憶的、有高度組織的圖，是一種與我們大腦處理事務的自然方式相互吻合的思維工具。思維導圖能夠依據全腦的概念，按照大腦自身的規律進行思考，全面調動左腦的邏輯、順序、語言、數字以及右腦的圖像、顏色、空間和想象，使大腦潛能得到充分的開發，不但能促進思維的發散，而且能記錄這一思維發散過程。[2]

土力學課程是土木工程、交通工程、給排水工程、地質工程等專業必修的專業基礎課之一，也是后續基礎工程、地基處理、基坑工程等專業課程的重要基礎。本科階段所涉及的經典土力學部分（1925—1963年）大多基于經驗、試驗結果而建立，各知識點之間缺乏統一的理論基礎，使得土力學課程具有基本概念多、知識點瑣碎、內容龐雜、公式多等特點。而土力學跟一些先導力學課程，如理論力學、材料力學、結構力學等的課程體系、學習方法差別很大，使得學生很難適應，從而造成了一定的學習困難。

將思維導圖引入土力學理論和試驗教學中，其優點在于：（1）思維導圖以豐富的圖像組織教學內容，實現了左右腦的配合，使大腦潛能得到充分開發，圖文結合的形式相對于文字更容易吸引學生的注意力。（2）思維導圖從中心一級分支出發，發散到二級分支，進而逐步發散到下級分支，有利于厘清知識網絡，將離散的知識點進行系統的組織、歸納，從整體上把握知識，不會迷失在局部，從而克服了由于土力學知識點瑣碎導致的學習障礙。（3）學生通過繪制思維導圖，從一個中心關鍵詞出發，主動建構知識網絡，激發了發散性思維，實現了自主學習，而且提高了學習興趣。

二、思維導圖在土力學理論教學中的應用

（一）教師利用思維導圖引導學生構建知識網絡

學習土力學緒論時，教師可以將土力學課程的所有知識點融入一張整體思維導圖中，通過這張思維導圖介紹課程的知識網絡和主要內容。課后小結部分，教師可以通過思維導圖將一節課的內容串聯到一起，形成小的知識網絡，并展示其在整體思維導圖中的位置。

土力學的主要內容圍繞土的三大力學特性展開，即滲透特性、變形特性和強度特性。土的三大力學特性構成了土力學課程的主要內容，也是土力學在擋土結構物、邊坡穩定性分析和地基承載力等方面應用的重要基礎。土的三大力學特性涉及的概念多、公式多、方法多，學習難度較大。圖1是土的三大力學特性思維導圖，展示了土的力學特性包括的主要內容以及知識點之間的聯系，學生可以快速了解知識體系。其中星號表示是重點內容。以滲透特性為例，滲透特性包括了達西滲透定律、滲透系數的測定、拉普拉斯方程、滲透穩定性、靜水和有滲流情況下的孔隙水應力和有效應力五個主要部分。滲透系數是衡量土的透水性大小的重要參數，滲透系數的測定分為室內試驗和現場試驗兩類，室內測定滲透系數的方法分為常水頭法和變水頭法兩種，透水性強的無粘性土適用于常水頭法，透水性弱的粘性土適用變水頭法。室內滲透試驗數據的處理基于達西定律，達西定律是描述水在土中滲透的基本定律。拉普拉斯方程是描述穩定滲流的基本方程式，滿足拉普拉斯方程的將是兩組彼此正交的曲線，即等勢線和流線，而等勢線和流線交織在一起形成的網格叫做流網，因此滿足邊界條件的流網即為拉普拉斯方程的解答。滲透穩定性包括了滲流力的計算和滲透變形的形式（流土、管涌）。在靜水和有滲流情況下的孔隙水應力和有效應力部分包括的重要知識點如下：太沙基首先提出的有效應力原理，根據有效應力原理，可以計算靜水及有滲流（向上滲流、向下滲流）的情況下，孔隙水應力和有效應力的值，流網是確定孔隙水應力和有效應力的重要工具。

（二）學生利用思維導圖實現自主學習

學生繪制思維導圖可以采用手繪，也可以使用思維導圖軟件，如Mind Manager、Mind Master、X mind、Free Mind等。多彩的顏色、直觀的圖像可以刺激大腦皮層，激發右腦的功能。學生可以應用顏色的變化表示不同的類別，用醒目的顏色表示主要分支，增加圖片、標志使圖像更豐富，從而增強知識的記憶。

課堂學習開始前，學生可以通過繪制思維導圖的方式自主預習章節的內容。每章內容結束后，可以讓學生獨立畫出整章的思維導圖。思維導圖的每一個分支上有一個關鍵詞，而不是短語或句子，這就需要學生提取知識點的關鍵信息，這是一個將書本“從厚到薄”的過程，然后從某個知識點出發，層層深入，串聯起整個知識網絡，這是“從薄到厚”的過程。在這個過程中，學生需要考慮到知識點的相互聯系，而不是“只見樹木，不見森林”。學生對知識的主動探索、主動發現和主動建構，改變了傳統的單向傳輸式教學，在學習知識的同時，培養學生獨立思考的能力和發散性思維。

三、思維導圖在土力學實踐教學中的應用

土力學是一門注重試驗的課程，很多重要公式、理論都是通過大量試驗而建立的。因此，土力學試驗是土力學教學必不可少的環節。在多年教學過程中發現，不少學生對試驗采取應付的態度，課前不預習，課后對試驗的理解僅停留在試驗的某個操作環節上，不能把試驗的原理弄明白。有些學生盡管進行了課前預習，但是對復雜的步驟和操作很難理清思路，只是按照試驗指導書的步驟做了一遍，學生不明白為什么這樣做，更不能把握該試驗在土力學課程體系中的地位和作用。試驗做完后，留在大部分學生腦中的印象只是部分操作，不能達到教師預期的教學目標。

針對以上問題，教師可以要求學生課前繪制一幅思維導圖，圖2是直剪試驗的思維導圖示例。圖2所示為試驗原理、試驗步驟以及數據處理等基本信息。除此之外，學生也可以把自己聯想到的相關信息加入思維導圖中，教師應鼓勵學生發散思維，加入的信息越多越好。通過這個過程，學生可以從土的直剪試驗這個關鍵詞出發，構建相關的知識體系，將習得的零散的知識點連成一張網，從而加深對直剪試驗的理解。針對課外拓展環節，可以設計土力學綜合性試驗題目，將學生分成若干研究小組，指導學生利用思維導圖查找文獻資料、整理思路、設計試驗。

四、結語

利用思維導圖進行土力學課程的理論和試驗教學，可以幫助學生厘清知識點之間的聯系，建構清晰的知識網絡。引導學生繪制思維導圖，幫助學生激發發散性思維，實現自主學習。

參考文獻：

[1]閆守軒.思維導圖：優化課堂教學的新路徑[J].教育科學，2016，32（3）：24-28.

[2]劉鋼，張英，李婭，等.淺談土力學教學的幾點體會[J].教育教學論壇，2015，（22）：195-196.