以興趣激發為著力點的土力學課程教學改革

李為騰 吳燕開 王來

摘要：土力學課程教學內容較枯燥，易挫傷學生學習積極性，影響教學效果。為此，通過廣泛發掘土力學課程內容趣味點，以啟發引導式教學方法為基本框架，設計以興趣激發為特色的土力學課程啟發引導新型教學方案。將趣味點融入知識點進行問題設計，從學生日常見聞和切身場景中引出問題。在啟發引導過程中教師主要發揮適時引導作用，強化學生的主體地位，重視學生的參與，讓學生在充分享受求知樂趣的同時尋求問題答案，最后通過總結環節激發學生成就感，體會科學研究的嚴謹性。以實際案例介紹新型教學方案的實施過程，剖析方案的設計依據與實踐經驗，并基于教學實踐反饋進行總結分析。

關鍵詞：土力學;課程教學;興趣教學;啟發引導;教學改革

中圖分類號：G642.0;TU43 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2020）04-0087-08

土力學課程是土木工程專業的一門重要專業基礎課，對二級學科巖土工程及特設專業城市地下空間工程尤為重要，同時也是水利工程、礦業工程等專業基礎課。學習土力學課程需要公共基礎課知識作支撐，同時土力學課程又是后續專業課學習的必要鋪墊。土力學課程一般開設在大三上學期，在高等數學、理論力學、材料力學、彈性力學等公共基礎課之后，在隧道工程、地下建筑結構、基坑工程等專業課之前，土力學課程在土木工程專業整個課程體系中占據樞紐地位[1-3]。土力學課程也是學生知識結構甚至認知體系的過渡課程，在工程現象解釋、工程問題解決中將系統運用數學、基礎力學等純理論知識，是工科學生逐步建立“工程問題—科學問題—數學問題”思維的重要載體，對學生整個大學課程知識框架的形成和日后工學素養的培養具有重要價值。然而土力學課程教學和學習都較枯燥無味，學生的興趣很難被調動，而學生缺乏主動思考、主動學習的動力，學習效果必將受到較大影響[4-5]。

目前，土力學課程教學主要采用講授法。啟發引導式教學作為一種傳統的講授法，可以較好地啟發學生思維，凸顯學生的主體地位，在傳授知識的同時培養學生的思辨能力，符合當代人才培養的教育理念。謝和平院士在2018年第七屆“IET杰出大學校長獎”的獲獎感言中講到：“從教育的本質來講，教育不僅僅是注滿一桶水，更應該是點燃一把火，發掘每個人的潛質;不僅教給學生知識和技能，更應啟迪學生的創新思維……”正因如此，啟發引導式教學模式長期以來一直被廣泛運用，顯示了旺盛的生命力[6-7]。然而，由于土力學課程內容本身比較枯燥，學生往往被動接受知識，啟發引導教學模式中的啟發、引導作用難以得到充分發揮，因此，在土力學課程教學中，應充分發掘課程內容的興趣點，增強學生學習的動力，激發學生學習的熱情。筆者在近年的教學實踐中，借鑒他人經驗[8-10]，不斷嘗試、改進，探索設計以興趣激發為特色的土力學課程啟發引導教學方案，取得了理想的教學效果。以下以兩個典型教學案例進行介紹。

一、案例1：為何潮濕的砂土能夠成團，而干燥和水下的砂土不能？

案例1所在章節：第1章土的組成;1.3節土中水和土中氣;1.3.1節土中水[11]。涉及知識點：土的三相組成、毛細壓力、似黏聚力。設計教學時長：25分鐘。

（一）由現象引出問題

1.呈現現象

給學生展示兩組圖片：第一組是在沙灘上用濕砂土做成的各種雕塑，或者引導學生回憶用手握潮濕的砂土可以形成砂團的情景（圖1a）;第二組是干燥的砂土在指縫中漏下（圖1b）、代表時間的沙漏等。

2.引出問題

向學生提問：同是砂土，為何第一組可以握成團而第二組不可以？學生會很快回答：因為第一組圖中的砂土中有水，是水使砂土可以成團。進一步引導學生：既然水可以使砂土成團，那么大家請用自己的經驗告訴老師，如果在水下抓一把砂土可不可以成團呢？此時大部分學生會回答不會成團，并產生疑惑。這時教師明確告訴學生：在水下的砂土也不會成團。此時引出最終問題：為何潮濕的砂土能夠成團，而干燥和水下的砂土不能？

（二）合作探究

1.學生方探究

首先，給每個學生2分鐘的時間進行思考，并將思考結果寫在紙上;然后，開展分組討論，時間2分鐘，并將小組討論結果也寫在紙上;最后，每個小組派出代表匯報討論結果，時間2分鐘。

2.師生合作探究

教師首先對學生自主探究成果進行鼓勵，然后師生進行合作探究。目前已經達成的共識是，干燥的砂土不能成團，水下的砂土也不行，而只有潮濕的砂土可以成團。這使人很容易想到，干燥的砂土與潮濕的砂土相比，不同之處在于里面沒有水，因此水是砂土成團的必要條件，但是不是充分條件還不能確定。按照這個思路進一步分析，水下的砂土與潮濕的砂土相比，不同之處是沒有空氣，因此空氣也是砂土成團的必要條件。有些學生這時才意識到，土其實是由土粒、水和空氣組成的三相體系，剛才分析的時候竟然把空氣給忘了。既然想到了這一點，就可以從三相的角度來對比一下：干燥的砂土里面只有空氣沒有水，水下的砂土里面只有水沒有空氣，而潮濕的砂土里面既有空氣又有水，這才是潮濕砂土的本質不同。那么現在就可以得到第一個推論：潮濕的砂土能夠成團，是因為水和空氣同時存在，只有水不行，只有空氣也不行。這是問題解答的第一個層次。

水和空氣同時存在才能使砂土成團，這又是為什么呢？砂土能夠成團，砂粒能夠聚在一起而不散，肯定是有一種力的存在。這種力一定需要既有水又有空氣，那什么樣的力具有這種特征呢？表面張力。這是學生聽過但可能并不太熟悉的名詞，教師可提供幾張圖片：試管中彎液面（圖2a）、水面上停著的昆蟲（圖2b）、荷葉上扁球形露珠（圖2c），以及神州十號飛船太空授課時做過的一個實驗，在無重力作用下可以看到水球現象（圖2d），這些現象都與表面張力密切相關。表面張力是一種存在于液體表面（液-氣界面）、水分子之間沿著切向方向的拉力（張力）。可要求學生課下做一個有趣的實驗，體會表面張力的存在：用臉盆裝一些清水，牙簽一端沾一些洗潔精（或肥皂水、洗發水、沐浴露等），慢慢將牙簽平放在水面上，可以看到牙簽在盆中游動起來（牙簽一端的洗潔精消除了表面張力，使兩端產生力差，從而導致運動）。潮濕的砂土成團與表面張力有關，這是問題解答的第二個層次。

那么表面張力又是如何使砂土成團的呢？其中又有什么機理？如圖3所示，潮濕砂土的兩個土粒之間有水和空氣存在，水-氣界面形成彎液面，類似毛細管內的凹液面;由于表面張力的存在，彎液面的邊緣處表面張力Fs沿著彎液面的切向且成一種拉力，其水平向分力使兩個土粒間產生相互壓緊的力F，即毛細壓力。這種土粒之間兩兩相互擠緊的力使潮濕的砂土在宏觀上表現出一定的黏性，也使潮濕的砂土具有可塑性，稱之為似黏聚力現象。因此潮濕砂土可以被握成團，而干砂和飽和的砂土不可以成團。

（三）得出結論

現在可以總結一下：不同于干燥的砂土和水下的砂土，潮濕的砂土中含有水和空氣，存在水-氣界面;土粒之間的彎液面上的表面張力，使相鄰土粒之間產生相互擠緊的力，即毛細壓力，在宏觀上使砂土具有似黏聚力，表現出一定的可塑性，因此潮濕砂土可以握成團，而干砂和飽和的砂土不可以成團。其中，毛細壓力和似黏聚力是要求掌握的兩個知識點。

二、案例2： 為何雨后走在黏土地面上容易滑倒，而在砂土地面上卻不會？

案例2所在章節：第6章地基變形;6.4節地基變形與時間的關系;6.4.1 飽和土中的有效應力[11]。涉及知識點：土的三相組成、土的種類、滲透性、附加壓力、有效應力原理、滲透固結、抗剪強度。設計教學時長：30分鐘。

（一）由現象引出問題

大家都有這樣的經驗，雨后走在泥濘的地面上非常容易滑倒，一不小心就人仰馬翻（圖4a）;而走在同樣滿是水的沙灘上，卻可以用優雅舒適來形容，無需擔心滑倒（圖4b）。類似的條件，截然不同的現象，那么問題來了：為什么雨后泥濘的地面上非常容易滑倒，而沙灘地面上卻不會？這個問題似乎離土力學有些遠，那不妨換個說法。從土的種類上來看，沙灘上的土一般屬于砂土類，而雨后變泥濘的地面一般屬于黏土類。所以問題最終就變成了：為什么雨后的黏土地面上非常容易滑倒，而砂土地面上卻不會？

（二）合作探究

1.學生方探究

給每個學生2分鐘的時間進行思考，并將思考結果寫在紙上;開展分組討論，時間2分鐘，并將小組討論結果寫在紙上;每個小組派出代表匯報討論結果，時間2分鐘。一般來說學生較容易想到：易滑倒是因為腳底地面摩擦力小，這表明在有水的情況下黏土的摩擦力比砂土小。這是從現象反推過來較容易得到的結論。對此教師應當給予肯定和鼓勵，并繼續發問：那有水的情況下黏土的摩擦力比砂土小又是為什么呢？對此需要刨根問底。

2.師生合作探究

以學生目前的知識儲備來看似乎還很難解釋。事實上，在20世紀20年代已經有人對此進行過深入思考。這個人就是著名土力學專家、現代土力學創始人太沙基先生。這里有一個關于太沙基先生的一件趣事，可分享給學生。某個雨天太沙基先生走在泥濘的道路上，一不小心滑了一跤。

大師跟普通人就是不一樣，他并沒有立馬起身就走，反而趴在泥地上思索良久，為什么會滑倒呢？就像當年牛頓先生被蘋果砸中發現萬有引力定律一樣，太沙基先生經過一番思考和日后的研究，提出了著名的太沙基有效應力原理。

引出太沙基有效應力原理后，接著開始講解飽和土中的有效應力原理（過程略）：飽和土中的總應力總是等于有效應力加上孔隙水壓力，或者有效應力總是等于總應力減去孔隙水壓力;土體的變形和強度只取決于有效應力。進一步講解飽和土的滲透固結及彈簧-活塞模型（圖5）：在附加壓力P的作用下，水會通過活塞孔慢慢滲出，彈簧隨之變形（受力）。這個過程對應飽和土的滲透固結過程，其中彈簧受力的變化對應有效應力的變化，容器中水壓力的變化對應超孔隙水壓力的變化。且進一步分析又得到：飽和土的滲透固結就是超孔隙水壓力的消散和有效應力相應增長的過程。

在掌握了飽和土的有效應力原理和彈簧-活塞模型后，再來嘗試回答最初的問題。給學生3分鐘的時間開展小組討論，然后引導學生共同梳理答案。（1）問題中提到了兩種土，分別是黏性土和砂土，而且兩者都可以看作飽和土，可以套用飽和土中的有效應力原理;人走在上面可以理解為施加了附加荷載在上面，可以借助彈簧-活塞模型進行分析。（2）根據有效應力原理，人的重量是由土中骨架和孔隙水共同承擔的。當人踏上去的一瞬間，人體重量全部由孔隙水承擔，此后隨著孔隙水向外滲流，人體重量的一部分開始轉移到土體骨架上。分析到這里，黏性土和砂土的區別就需要指出來了，由于黏性土滲透性弱，水排出的速度更慢，人體重量更多由水來承擔，超孔隙水壓力越大;相反，砂土滲透性更強，水排出的速度更快，因此人體重量更快轉移向土的骨架，有效應力更大。（3）此時還差最后一環，已經接近最后的答案了。根據有效應力原理，土的抗剪強度由有效應力決定，也就是說：哪一種土中的有效應力越大，則抗剪強度越高。因此，同樣的條件下，雨后飽和黏性土中的有效應力更小，則抗剪強度更小，只能為腳底提供較小的摩擦力，人更容易滑倒;而相反，飽和砂土中的有效應力更大，則抗剪強度更高，可以提供更大摩擦力，有利于人體平衡。

（三）得出結論

雨后的黏性土和砂土都可看作是飽和土，人踩上去后相當于施加附加壓力，根據飽和土中的有效應力原理，附加壓力將會由土粒骨架和孔隙水共同承擔。由于砂土滲透性好，孔隙水排出快，人體重量更多由土粒骨架分擔，有效應力更大，土中抗剪強度更高，可為腳底提供更大的摩擦力，防止滑倒;而黏性土則相反，孔隙水排出慢，人體重量更多由孔隙水承擔，有效應力更小，抗剪強度更低，無法為腳底提供足夠摩擦力，人更容易滑倒。其中的關鍵詞為飽和、有效應力原理、滲透性、抗剪強度。需要掌握的知識點：飽和土中的有效應力原理、彈簧—活塞模型。

三、案例剖析

上述兩個案例采用了相同的程式，即典型的啟發引導式教學過程：“現象—問題—探究—結論”。

（一）呈現現象

呈現現象可利用多媒體直觀展示圖片、視頻，或引導學生回憶甚至構建情景。這一環節對于激發興趣來說最為重要，應盡量根據學生特點選取趣味性較強的現象載體。對學生而言越是日常的、切身的見聞越好，因為代入感更強烈，興趣激發更顯著。但也應注意，現象載體應容易被大部分學生所認同，切忌勉強生硬。若學生產生如“沒錯，我也經歷過，確實是這么回事”的想法，則說明現象呈現較為成功。

（二）引出問題

由現象到問題這一環節，應盡最大努力引發學生的疑問和思考。當問題較明顯（如案例2）時可以開門見山，而當問題相對隱蔽或由多部分構成（如案例1）時則可以采用循循善誘的方式，讓學生逐步接近最終問題。對于最終問題的設置，可盡量多涉及已學的知識點，在鞏固知識點的同時還可增加解答層次，增強吸引力。如案例2其實也可以表述為“為何站在飽和黏土地面容易滑倒而在飽和砂土地面卻不會”，將“飽和”換成“雨后”，問題解答多出一個可用已學知識點解答的簡單層次，學生解題成就感就會增強。但也應注意這樣有可能導致問題復雜化而帶來學生的挫敗感。若學生看到問題后產生如“我也想到過，這的確是個問題，是該琢磨琢磨”的想法，則說明學生興趣被很好地調動起來了。

（三）合作探究

首先，應當明確的是這一環節的實施主體始終是學生。從表面上看，案例1和案例2中這一環節的前部分主要是學生參與，后部分主要是教師;事實上在后部分，教師所有的講授都是根據學生探究問題進度而展開的。其次，應當提高每個學生在合作探究過程中的參與度。由于學生素質差異，有些學生會因跟不上節奏而放棄參與。因此在本文案例教學方案設計中均明確了給學生獨立思考的時間，且將自己的思考結果寫在紙上，然后才開展小組討論。這樣學生既進行了獨立思考，又能充分感受合作討論的力量和自己的貢獻，還能使素質較高的學生體會分享的價值與快樂。最后，教師把握引導、助力的時機也很重要，教師的講解和提醒應出現且僅出現在學生探究瓶頸之處，在保證學生對問題探究的主體地位的前提下，使整個探究過程具有遞推的連貫性、嚴密性，環環緊扣，步步為營，一氣呵成，得到結論。

（四）得出結論

合作探究得到的結論一般是粗糙的，不夠嚴謹，亦或較為繁冗，是一個知識點的雛形，最終結論的表述應當準確和簡潔。而且最終結論必然含有新的概念和知識點，其表述要有較高的科學性。對知識雛形的加工和潤色這一步的工作主要由教師完成，其實與其說是加工潤色，倒不如說教師將上課前就準備好的知識點在適當的時機呈現給學生。這時，學生會自覺地將自己的答案和教師的講解加以對比，有學生意識到自己的思考結果是對的，會因此獲得極大的成就感，思考問題的興趣就會得到激發，思考能力和主動探究能力也會得到提高。當然教師也要多多鼓勵部分思考不到位的學生。

總之，充分利用學生日常見聞和切身場景引出問題，能極大地激發學生的學習興趣;教學中應重視學生的主體地位和參與度，以及教師及時、適時的引導作用;問題難度把控要到位，推理難度也應適中，要盡力避免課堂學習的枯燥無味，讓學生充分享受求知的樂趣，感受科學研究的嚴謹。

當然，并非所有的知識點都要套用上述程式化的教學方案，應當充分考慮不同知識點的各自特點，如本文中的案例1和案例2也存在差異之處。案例1的特點在于先提出問題，然后在解答問題的過程中引出新的知識點，最后進行知識點的講授。而案例2的特點在于先提出問題，然后講解知識點，最后再用剛學習的知識點解答問題。案例1更強調對新知識點的探索學習，案例2則更強調對新知識點的擴展應用，而且案例2涉及的知識點覆蓋面更廣，既有對以前學習的知識點（如土的三相）的回顧，也有對新知識點（如抗剪強度）的鋪墊，跨度大、綜合性強，有助于鍛煉學生綜合利用已學知識解決實際問題的能力。

四、教學實踐反饋

多年來，筆者設計采用上述以興趣培養為特色的啟發引導式教學方案，為土木工程、城市地下空間工程、水利水電工程、工程管理等專業的學生講授土力學課程，經過第一輪的探索嘗試后形成了目前課程教學面貌的雛形，并在后續幾輪課程實踐中不斷進行改進和完善。目前，除了本文兩個案例外，對顆粒級配、三相比例指標、滲透性、抗剪強度、土壓力等知識點的講授均形成了類似教學方案。從課堂表現看，激發學生興趣的效果非常顯著，學生在出勤、課堂紀律、小組討論、回答問題等方面都表現出積極性和主動性。在每一輪課堂教學效果的匿名評價中，“比較有趣”的評價占比較多，每學年末的教學效果學生評價與教學督導評價反饋結果也普遍較好。良好的教學效果在考試成績中也有明顯體現，對有較強趣味性的知識點學生普遍掌握得較好。在2018年第三屆全國城市地下空間工程專業青年教師講課比賽中，筆者以本文案例2作為主講內容參加比賽，以第一名的成績獲得特等獎，這在一定程度上表明此教學方案和其所呈現的教學效果得到了專家同行的認可，值得進一步探索完善，如將土力學課程實驗結合起來或將取得更好的效果。

五、結語

基于啟發引導式教學“現象—問題—探究—結論”基本框架，設計以興趣激發為特色的土力學課程啟發引導新型教學方案。利用學生日常見聞和場景引出問題，極大地激發學生的學習興趣;探究過程中強化學生的主體地位和參與度，突出教師的適時引導作用;總結環節體現知識探求的嚴謹性和科學性。新教學方案有效避免了課堂學習的枯燥無味，讓學生在充分享受探索求知樂趣的同時，深入理解并準確掌握知識點。學生課堂表現、考試成績、學生評價及同行專家評價等反饋結果均表明，啟發引導式教學方案在調動學生學習興趣方面成效顯著，同時也有利于提高學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力。

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Abstract：?The teaching content of soil mechanics is rather dull which can easily hurt the students learning enthusiasm and influence the teaching effect. In this regard the interesting points in course content of soil mechanics were explored. Based on the basic framework of heuristic guidance teaching method a new teaching scheme of soil mechanics characteristics in interest stimulation was designed. Students daily experience and personal scenes are used to arouse their interest. The students subjective status and participation is highlighted and the teachers timely guiding role is emphasized which let students fully enjoy the fun of seeking knowledge while feeling the rigor of scientific knowledge. The implementation process of the new teaching scheme was introduced， the principle and experience ?of the ?scheme designation were analyzed， and this teaching reform was made finally based on the feedback of teaching practice.

Key words：soil mechanics; course teaching; interest teaching; inspiration and guidance; teaching reform

（責任編輯 王 宣）