巖土工程課程群建設中土力學實驗教學改革與實踐

楊子泉 唐 輝 朱洪濤 張天經

(1.信陽學院 土木工程學院 河南信陽 464000；2.武漢理工大學 土木工程與建筑學院 湖北武漢 430070）

地上、地下和水中的各類工程統稱為土木工程，土木工程中涉及巖石、土、地下水的部分稱為巖土工程。其專業課程是運用工程地質學、土力學、巖石力學解決各類工程中關于巖、土體的工程技術問題的科學[1]。巖土工程課程群主要是土木工程本科專業（巖土工程方向）的主干專業課程，主要包括：工程地質、工程地質實習、土力學、土力學實驗、巖石力學、基礎工程、基坑工程等[2，3]。土力學實驗是巖土工程課程群中重要的實踐教學環節之一。提高土力學實驗教學效果不僅僅有助于學生對專業相關課程理論知識的理解，還又有助于培養學生從實驗出發分析工程問題的能力。對于適應巖土工程人才培養要求如何提高土力學實驗教學效果，文獻[4-7]對此作了相應的研究，其取得了較好的成效。本文以信陽學院土木工程學院為例，在巖土工程課程群建設的基礎上，分析土力學實驗教學現狀與不足，結合巖土工程方向培養目標和對土力學實驗教學的要求，有針對性地提出了改革措施，經過近3年的教學實踐表明其改革措施是合理、有效的。

一、土力學實驗教學狀況調查

信陽學院土木工程學院根據專業發展及應用型本科人才培養要求，社會對土木專業人才需求關系，巖土工程發展趨勢，自2016年開始在原來土木工程本科專業基礎上增設了巖土工程方向課程。學生可根據自身專業發展選擇專業方向（巖土工程、建筑工程）。由于相應的專業人才培養目標有所不同，土力學實驗的教學內容及深度也有所差別。2016年以前，土力學實驗教學內容主要包括兩個方面：一是土的物理性質指標測定實驗；二是土的力學性質指標測定實驗。

因此，本文在2017年對土木工程（巖土工程）專業的學生開展了土力學實驗教學狀況問卷調查。本調查所涉及的內容主要包括學生對土力學實驗重要程度等5個方面，發放問卷調查102份，收回81份，問卷調查結果如下。

（一）學生對土力學實驗重視程度

1.學生實驗前預習情況

土力學實驗不僅要求學生全面掌握實驗原理，還需掌握實驗儀器的操作步驟、注意事項以及對實驗數據的記錄、處理和分析。根據實驗進度安排，教師都會提前以作業的形式要求學生閱讀實驗指導書來預習實驗項目，讓學生了解實驗目的、原理、儀器、操作過程等。通過問卷調查結果顯示，只有約7.5%的學生每次都能完成預習，12.6%的學生偶爾能做到預習，多達79.9%的學生從來都沒有進行實驗預習。

2.學生實驗動手操作情況

土力學實驗要求學生親自動手操作，學生只有掌握實驗儀器的操作過程及注意事項，才能提高實驗動手能力。據調查結果可知，5.2%的學生在土力學實驗中從未自己動手操作儀器，22.6%的學生親自操作完成了全部實驗項目，有53.4%的學生動手操作的實驗項目不到全部項目的60%。

3.實驗后學生復習情況

學生只要充分掌握土力學實驗原理、儀器使用方法、數據分析等內容，才能操作實驗。由于一些學生對實驗過程中的一些知識還沒有理解，這就需要他們在實驗結束后及時復習、重新認識、總結，達到消化、吸收實驗項目的目的。問卷調查結果表明，只有約35.3%的學生能夠在實驗結束后及時復習總結當天的實驗項目；約26.5%的學生復習總結不及時，只有當填寫提交實驗報告時才復習實驗項目；還有38.2%的學生很少或者根本就不對土力學實驗進行復習和總結。

（二）現有土工實驗室實驗設備情況

本文對現有土工實驗室面積、實驗儀器能否滿足實驗教學要求、實驗人均實驗儀器臺套數三個方面發放了問卷調查。

1.實驗室面積滿足實驗教學要求情況

問卷調查結果表明，有38.6%的學生認為現有土工實驗室面積大小能夠滿足教學的基本要求；約60.3%的學生認為現有土工實驗室面積偏小或者太小，對于開展土力學實驗教學顯得捉襟見肘。

2.實驗儀器滿足實驗教學要求情況

據調查結果可知，約7.5%的學生認為現有土工實驗室儀器設備與其他同類高校或科研單位相比是較先進的；約55.6%的學生認為現有土工實驗室儀器設備比較陳舊，不能較好地滿足一些實驗項目的開展；多達36.9%的學生認為實驗儀器設備先進性不足，對于巖土工程要求的某些實驗項目難以開展。

3.實驗時人均使用儀器臺套數情況

在土力學實驗教學中，由于實驗儀器設備數量、學生人數、實驗指導教師人數的限制，其往往采用分組的方式分批、分組組織學生進行實驗。針對學生同時使用一臺儀器的人數，據調查結果可知，7.5%的學生在實驗中是小于或等于3個人一組，32.6%的學生選擇4～5人一組進行實驗，56.8%的學生選擇6～7人一組進行實驗。其中還有3.1%的學生是8人及以上一組進行實驗，這樣就使得一部分學生根本沒有參與到實驗中。

（三）實驗項目對專業培養目標的支撐程度

根據土工實驗室面積、設備條件以及結合巖土工程專業人才培養要求，學院開設了12個土力學實驗項目，其中11個綜合性實驗項目，1個演示性實驗項目，共計18學時。

本文對開設的土力學實驗項目中專業培養目標的支撐程度也開展了問卷調查，有35.6%的學生認為開設的實驗項目完全支撐巖土工程專業方向培養目標；55.7%學生認為目前開設的土力學實驗項目基本能夠支撐巖土工程專業方向培養目標；還有8.7%的學生認為開設的土力學實驗項目與巖土工程專業方向培養目標不對應。

（四）學生對實驗教學效果的認可程度

土力學實驗有助于學生加深理解巖土工程課程群中工程地質、土力學、基礎工程、邊坡工程等主干專業課程。其通過調查發現，僅有35.4%的學生認為實驗有助于專業課程的理解；約有65.8%的學生認為土力學實驗能夠培養從實驗出發思考和分析工程問題的素養，從而形成工程實驗研究的嚴謹品格。

（五）學生對實驗教學指導書的評價

土力學實驗指導書主要包括兩個方面的內容：第一部分，介紹土力學實驗每一個實驗項目的目的、原理、儀器、操作、數據記錄及處理方法、結果分析；第二部分，附有相應用于實驗數據記錄、處理、分析的表格。學生要根據實驗進度安排，合理地使用實驗指導書進行預習、查閱、復習、總結。實驗結束后，學生上交指導書，由實驗教師對第二部分進行評分。據調查結果可知，33.4%的學生對使用的實驗指導書滿意，55.7%的學生對使用的實驗指導書基本滿意，還有10.9%的學生對實驗指導書不太滿意。

二、巖土工程對土力學實驗的教學要求

土木工程（巖土工程方向）本科專業培養目標要求畢業生能夠熟練掌握工程地質學與土力學基本原理及有關實驗與測試技能，能從事房屋建筑工程的巖土工程勘察、地基基礎及地基處理設計與施工、基坑工程的降水、支護、開挖、監測設計與施工以及（斜坡）邊坡工程的巖土工程勘察、穩定性分析、評價和防治設計與施工等實際工作內容。其要求學生熟練地掌握土體物理力學參數的測定方法，并理解土體各個參數之間的關系，以及熟知如何選用土體物理力學參數用于工程實踐的方法。在土力學實驗教學中，學校開設的土力學實驗項目要符合專業人才培養目標以及學生巖土工程素養培育，引導學生將理論和工程實踐結合起來，運用土力學基本理論及土力學實驗方法分析巖土工程實際問題，培養學生的創新思維。

三、土力學實驗教學改革與實踐

學院根據在問卷調查中反映出的問題，結合土力學實驗的實驗條件和土木工程（巖土工程）本科專業人才培養方案，主要在以下幾個方面進行了土力學實驗教學改革與實踐。

（一）改革成績評定方式

土力學實驗原來的成績評定為：實驗報告（70%）+實驗表現（30%）。然而，實驗表現評分主觀性比較大，沒有達到土力學實驗教學的目標。因此，學院將土力學實驗成績評定方式改為：實驗報告（50%）+實驗預習（15%）+實驗操作（20%）+實驗總結（15%）。

（二）修訂土力學實驗教學大綱

為了適應土木工程（巖土工程）專業人才培養的需要，學院對土力學實驗教學大綱進行了修訂。首先，學院對原來開設的室內實驗進行了調整：將土的含水量、密度測定與土的液限、塑限、土的擊實實驗、側限壓縮實驗進行融合[8]，并增開了土比重測試實驗。這樣將不同實驗但需要測定的同一個實驗參數聯系起來，便于學生理解土的性質指標、實驗之間的內在聯系。其次，學院開設了十字板剪切、靜力初探、抽水實驗3個室外實驗項目。一方面，其擴展了學生的知識視野。另一方面，通過現場實驗，學生接觸到了工程實踐，了解在實際工程中現場測試土體相應參數的方式方法。

（三）更新實驗儀器設備，改善實驗環境

從2016年學校轉型后，學院以培養應用型技術人才為目標，加大了室內室外實驗室及（野外）實習現場的建設力度。土力學實驗室根據教學需要、儀器設備老化情況、結合學生對實驗室儀器設備的反饋情況，利用資金更新了一批設備，另外結合新增加的實驗項目購置了相應的實驗設備，保證了實驗時單臺設備的使用人數符合要求。新建立了巖土樣本實驗室，土力學實驗教師收集了各種具有信陽地方特征的不同成因土樣，并按粒度成份進行了分類。其主要有漂石、砂土、粉土等幾類，讓學生對土的成因、粒度分類、工程特性等有感性及理性的全面認識。實驗室將主要儀器設備的使用操作步驟按照統一要求制成規格一樣的牌子，放置在相應設備的墻壁上，讓學生可以按照步驟進行實驗儀器操作。

（四）編寫符合我校土力學實驗教學要求的指導書

前期的土力學實驗教學只有一個用于實驗數據記錄、分析的表格，沒有實驗指導用書。后來，部分教學選用了不同出版社出版的土力學實驗教材。其實驗項目介紹與數據處理分析兩部分內容編排在一起，不便于學生實驗使用。并且，指導書沒有給出實驗數據處理中需要查閱的系數，而學生手中又沒有其它資料可以查閱。因此，實驗教師在2016年采用國家及行業關于土工實驗的最新規范和標準，編寫了適用于巖土工程方向的土力學實驗教學的《土力學實驗教程》，全書分為十四章；同時還編寫了《土力學實驗報告書》，用于實驗數據記錄與處理分析。為了鞏固實驗效果以及保障學生思考、預習，其對應章節附有相應的思考題。

（五）與普通地質及工程地質野外教學融合

普通地質及工程地質野外教學為河南省2019年度本科一流社會實踐類課程，土力學及土力學實驗部分內容在野外教學時有所體現。在工程地質野外教學中，教師可對學生講解信陽粉質粘土的形成過程，土的物理力學性質對巖土工程將產生怎樣的影響。同時，這門課程還會接觸到失穩的土質邊坡，引導學生分析影響土質邊坡滑動的因素，讓學生采集土樣到土力學實驗室自主完成相關參數的測定，再結合現場實際情況進行分析。這樣極大地提高了學生參與土力學實驗的積極性，同時還培養了學生運用所學知識來分析、解決工程問題的能力。

四、土力學實驗教學改革成效

經過近3年來土力學實驗教學的改革與實踐，其教學初步取得了一定成效。土力學實驗環境得到較大改善，學生參與土力學實驗教學的積極性有了極大提高。學院增設的室外綜合性實驗項目提高了學生的創新思維和動手能力。

1.學院形成了實驗報告（50%）+實驗預習（15%）+實驗操作（20%）+實驗總結（15%）土力學實驗成績評定模式，提高了學生重視土力學實驗教學的程度。

2.根據巖土工程專業人才培養目標，學院修訂了土力學實驗教學大綱，對室內實驗項目進行了整合，新開了綜合性室外實驗項目。該項目與升級一流本科課程普通地質及工程地質野外教學融合，讓學生學以致用。

3.學院更新了土力學實驗儀器設備，新建立了巖土樣本實驗室。

4.實驗教師編寫了適用于巖土工程土力學實驗教學的《土力學實驗教程》《土力學實驗報告書》。該教程使用以來贏得了學生的一致好評。