案例教學在土力學與地基基礎課程中的應用探討

張玉　李寶平　劉瑾　梁昕宇　丁瀟

摘? 要：《土力學與地基基礎》是土木工程專業的一門專業基礎課，理論性和實踐性較強。針對西安工業大學人才培養要求和課程特點，在《土力學與地基基礎》課程中開展案例式教學改革與研究。通過教學大綱修訂、典型工程案例庫建設、案例教學在課程中實施與教學效果評價，完整地構建了案例教學體系。教學實踐表明，引入案例教學方法后，學生對理論的掌握和實踐能力均得到了大幅提升，效果顯著。

關鍵詞：案例教學;土力學與地基基礎;教學研究;西安工業大學

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）01-0116-03

Abstract： Soil Mechanics and Foundations of Foundation is a professional basic course of civil engineering and it is strong theory and practice. According to the requirement fortalent training and curriculum characteristics of XI'AN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY， case-based teaching reform and research are carried out in the course of Soil Mechanics and Foundations of Foundation. Through the revision of teaching syllabus， the construction of the typical engineering case base， the implementation of case teaching in the curriculum and the evaluation of teaching effect， a complete case teaching system is constructed. The teaching practice shows that students' mastery of theory and practice ability have been greatly improved， and the effect is remarkableafter the introduction of case teaching method.

Keywords： case teaching; "Soil Mechanics and Foundations of Foundation"; teaching research; XI'AN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY

引言

為了不斷提升人才培養質量，滿足社會發展的需求，在寬口徑專業課程改革過程培養計劃過程中，不斷加大和調整課程結構，使得各門課程的課時量不斷被壓縮，教學內容與課時之間的矛盾更加突出。《土力學與地基基礎》這門課程來源于工程實踐，所學理論是為了揭示產生工程問題的原因，解決實際的工程問題，與實際工程的聯系十分密切。這門課程一般開設于大二的第二學期，學生尚未接觸到相關的專業課程和實際工程，學生的工程經驗基本為零，再加上課程課時量偏少，造成學生在學習過程中理解困難，對具體工程的實際情況模糊，更不能將所學理論與工程實際聯系起來，從而導致對基本理論的掌握度較差，解決和分析實際工程問題的能力也就不能夠提高。

案例教學法是為一種獲得理論與實踐有效結合的教學模式，案例式教學法要求教學中所用的案例需具有真實可信、客觀生動、多樣性及典型性等特點。借助于案例教學模式組織課堂教學，可以在一個案例中既展現工程場景，又實現多角度啟發，引導學生將所學理論有效解決工程問題，實現對專業基礎知識的理解和掌握。基于以上考慮，在廣泛收集工程案例的基礎上，開展案例式教學改革與研究，將學生置身于真實具體的工程現場，改變以教師和教材為中心的傳統教學方式，注重學生的主體性和學習的啟發性。通過引導學生分析和討論工程案例，運用專業知識和創造性思維，解決實際工程問題，使學生的思維不斷深化，讓學生追本溯源，逐步積累，大大提高學生的學習積極性和學習效果，進而切實提高教學效果。首先，通過調研學習，并結合我校培養方案和教學大綱要求改進現有授課模式。根據《土力學與地基基礎》課程章節之間的遞進關系和土木工程實踐的發展現狀對課程內容進行相應的整合。其次，確定各案例所涉及的教學內容并規劃教學環節。基于案例所要展示的核心知識點，匹配相應的工程現場錄像、針對案例核心知識的工程現狀、提出針對案例核心知識的工程問題、講解案例核心知識的基本原理與典型工藝過程原理的演示、討論并解決上述問題。再次，實現案例教學的實踐。將案例教學理念與方法帶入教學課堂，通過課堂案例的展示，進行案例深度剖析，帶動學生參與互動探討，提出解決工程問題的各種方案，并與實際采用方案進行比較判斷，從而加深對理論知識的理解。最終，聽取多方反饋意見，提高案例教學的實施效果，實現各知識點的案例教材及案例庫建設。

一、土力學與地基基礎課程特點剖析

《土力學與地基基礎》是高等院校土木建筑有關專業的一門重要課程，屬于專業基礎必修課，以理論力學、材料力學、工程地質學、鋼筋混凝土設計原理等相關課程知識為支撐，又為土木工程施工技術、巖土工程勘察、深基坑工程、地下結構設計等專業課的學習奠定了基礎。該課程以巖石經風化后的顆粒堆積物土為研究對象，利用力學原理和土工試驗技術來研究土的應力、應變、強度、穩定性和滲透等特性及其隨時間變化規律的學科。源于社會生產力的發展，與工程實踐密切相關。土的形成過程及其組成決定了土具有碎散性、三相性（固體顆粒、水、氣）和天然性，導致其變形、強度和滲透特性的復雜性。因此，需應用連續介質力學的基本知識、描述碎散體特性的理論結合試驗規律及工程實踐經驗來研究土的力學特性及于此有關的工程問題。課程以土的物理性質、土中應力計算為基礎和先導;以土的滲透、變形和強度特性為核心理論;以擋墻上的土壓力、土坡穩定、地基承載力和基礎設計為工程應用，整個課程以理論推導和基本假定為前提，以摩爾-庫倫強度準則和土體的極限平衡理論為主線，所涉及知識點多以基本理論、工程應用和實驗技能相結合，學生理解和掌握難度較大。對于《土力學與地基基礎》課程而言，針對其研究對象土體的復雜性而言，就要求在案例搜集中，要做到在內容上完整、典型、生動，在形式上多樣、直觀、易于展現與共享。將課程中的知識點與工程案例對應、結合，達到通過案例分析學習背景知識，掌握理論知識的能力。基于以上要求，進而開展《土力學與地基基礎》課程教學過程中系統、全面的案例庫建設及案例法教學研究。

二、基于“工程案例”教學的《土力學與地基基礎》教學大綱改進

通過對已開展案例教學的土木工程專業院校進行廣泛的調研與交流，在總結其案例教學實施流程及具體教學開展模式基礎上，結合我校培養方案和教學大綱要求，針對我校本科生學習的特點和接受能力，將課題組以往的教學經驗、工程實踐經驗與工程案例想結合，以多媒體為載體，改進現有授課模式，根據《土力學與地基基礎》課程章節之間的遞進關系和土木工程實踐的發展現狀，重新對課程內容進行梳理和整合。在實踐環節保持學校學分要求的基礎上，將擋土墻上的土壓力、土坡穩定分析、地基承載力、天然地基上的淺基礎、樁基礎等章節的典型工程案例融入教學內容和教學環節，課程內容上強化實踐教學環節，對教案、PPT等教學資源進行重新梳理、組織，在各個章節PPT中大量增加具體工程圖片，使學生對工程實例有具體認知，并結合搜集和重新設計的典型工程案例將所學基礎理論融入，以達到理論解決實際問題的效果，使學生在學習過程中不再覺得理論是枯燥的，與應用的距離很遠。課外積極主動吸納學生進入巖土類課程大創項目、互聯網+項目及專業教師科研課題組參與實踐課題研究，組織學生參加校內外各類工程實踐活動及競賽，提升學生的實踐能力。使土木工程專業學生在有限的課堂教學中，能夠直觀的認識工程實踐具體環節，提升教學效果。依據各個章節的特點，在培養計劃和大綱修訂上增加典型案例教學部分內容和要求，提升學生理論聯系實際和解決實際工程問題的能力。

三、土力學與地基基礎中典型工程案例庫建設

工程案例教學不僅可以很好的實現《土力學與地基基礎》課程的教學目標，而且能夠大大提高學生學習積極性和學習效果，具有很強的實用價值。對課程章節中適合開展案例教學的知識點進行梳理，確定在土的三相比例指標、土的壓縮性與沉降計算、土的抗剪強度、邊坡穩定性問題、擋土墻上的土壓力、天然地基上的淺基礎和樁基礎各個章節引入與之相適應的案例庫。在工程案例構建過程中一定要注重工程案例的完備性，案例來源于工程實際問題，具有某一知識點的典型代表性，工程時效性顯著，工前到工后信息資料齊全。

工程案例編寫組成員選取應是擔任土木工程專業教學任務的一線教師，并且具有從事巖土工程領域研究與實踐工作的基礎，多次參與相關案例的現場施工及項目研究，有豐富的工程實踐經驗，盡可能將設計、勘察和施工單位的一線人員納入編寫團隊。通過工程圖片、工程現場視頻影像、虛擬仿真動畫等資料，將實際工程中的施工場景搬上課堂，通過案例分析討論、歸納總結，加強師生互動，通過工程案例的學習掌握理論知識，將理論方法與工程實踐緊密結合起來，增強學生學習的積極性和創造性，提高學生分析問題和解決問題的能力。目前，已通過各種渠道搜集各類圖片、視頻、地質勘查報告和基礎工程設計資料等典型案例材料多套，并將部分工程案例應用于面向“卓越工程師計劃”的本科《土力學與地基基礎》課堂教學中，取得了良好的教學效果。

四、案例教學在《土力學與地基基礎》課程實踐中實施過程

針對培養計劃中的《土力學與地基基礎》課程，充分對比分析案例教學與其他教學方法的差異。通過對該課程的特點和案例教學需求的探究，論證其使用案例教學法的必要性和適用性。基于教學大綱，理清教學內容和教學要求，給出合理而具體的案例教學實施步驟。組織各知識點案例內容，包括：工程現場狀況、實際工程問題、施工過程展示、相關理論的講解等，在此基礎上播放已經整理好的工程現場情況，以實際工程為載體，提出所播放案例要解決的問題，再以課堂理論教學方式結合視頻或圖片講述該案例涉及的知識點，最后再回到案例要解決的工程問題，引導和啟發學生進行討論，鞏固對知識點的理解和掌握。例如，在學習擋墻上的土壓力理論介紹三種土壓力時，可引入三種土壓力形成的動畫，并結合土體主、被動破壞的工程事故，結合實際工程講解三種土壓力的性質及其產生的原因及后果。基于主動土壓力理論形成基礎之上，從我國西北地區實際工程中大量存在的天然陡坡（圖1所示）這種自然現象著手，以問題為導向，引導學生思考，粘性土地區存在大量這種現象的原因及粘性土地區進行基坑開挖時在一定深度內可以自穩的原因，如何以土壓力理論對其兩種現象進行解釋;然后，再將實際工程簡化為土壓力計算模型，如圖2所示。

結合圖2計算模型、模擬基坑開挖動畫和主動土壓力理論，揭示工程中天然土坡保持穩定的原因、土壓力形成過程及最終破壞形態。對于粘性土朗肯主動土壓力為零的點所代表的工程意義進行解釋時，可引入粘性土在無支護條件下進行開挖而不破壞的工程實例（可結合圖2及基坑開挖案例動畫），從而引導學生理解朗肯主動土壓力為零的臨界點即為粘性土基坑不支護可直立開挖的最大深度。

從產生圖1現象的原因、理論基礎到圖2中粘性土基坑可無支護開挖的臨界深度計算再回到三種土壓力的基本理論，結合基坑開挖及支護的施工案例，從圖3的基坑開挖支護圖片抽象到支護結構上的土壓力大小及分布，總結土壓力理論的形成原理、計算方法及其在工程中的應用，實現從理論學習到工程應用的結合。

五、結束語

對于土木工程專業的學生培養而言，更應偏向實踐和應用，把案例教學作為一種以實踐教學為基礎的教學方式，與實際工程案例相結合，與社會資源結合，突出案例教學及其體系的應用性和實用性，有助于提升學生靈活掌握和運用專業知識的能力、激發學生參與工程實踐的興趣、引導學生進行獨立思考和應用創新。通過在土力學與地基基礎課程大綱及課程教學中引入案例教學，將傳統的教學方法與實踐教學過程相互融合，能提升學生對理論知識的掌握及在工程實踐當中的應用。自2017年在土力學與地基基礎課程中初步融入案例教學及在2018年以來全面展開案例教學以來，依據學生的反饋統計數據可以看出，對課程評價非常滿意和滿意的人數占到了65%左右，學生的學習效果和自主學習的能力均得到了大幅提升，實現了由教師“教”到學生主動“學”的轉變。

參考文獻：

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