啟發式教學在土力學教學中的應用研究

胡子付

摘要土力學教學過程中，其中具有較強的理論性及實踐性內容，涉及較多的概念，學習難度較大。啟發式教學是高校研究的熱點教學模式，關注對學生的引導，使學生積極掌握知識。對此，本文針對土力學課程的特點及土力學課程教學目標及土力學知識教學中存在的問題進行分析，思考啟發式教學在土力學課程教學的實踐應用策略，為土力學教學奠定堅實的基礎。

關鍵詞 啟發式教學 土力學 實踐教學

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.22.042

The Application of Heuristic Teaching in the Teaching of Soil Mechanics

HU Zifu

（Mining College， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， Inner Mongolia 410051）

AbstractIn the teaching process of soil mechanics， it has strong theoretical and practical content， involves many concepts， and is difficult to learn. Heuristic teaching is a hot teaching mode in Colleges and universities， which focuses on the guidance of students and makes them master knowledge actively. In this regard， this paper analyzes the characteristics of soil mechanics course， the teaching objectives of soil mechanics course and the problems existing in the teaching of soil mechanics knowledge， and considers the practical application strategies of heuristic teaching in soil mechanics course teaching， so as to lay a solid foundation for soil mechanics teaching.

Keywordsheuristic teaching； soil mechanics； practice teaching

土力學作為研究土體形態及強度相關內容的學科，土性質具有特殊性特點，這也決定土力學課程與其他學科理論的差異。土力學包括理論及實踐教學兩個部分，理論教學部分主要是學習一些公式及零散的知識點，理論知識也是為解決實踐問題提供計算基礎的部分，但理論知識較為枯燥，學生學習起來較為吃力，也無法利用所學的知識解決實際問題。啟發式教學指的是教師根據課程內容及教學目標自學生實際情況出發，包括心理特點及知識結構等，利用靈活的方式激發學生的思維，讓學生主動獲得知識及發展智力，屬于一種雙向教學模式。土力學課程是土木工程及港航工程等專業開設的課程，為有效提升課程教學質量，教師應當在授課過程中采取有效的方法進行授課，保證土力學課程的實際教學效果。

1土力學課程的特點

1.1研究對象性質復雜

土是大自然的產物，性質與混凝土等人工制品不同，土具有三大特性，分別是自然變異性及碎散不連續型、三相性。其中，自然變異性是巖石風化反應，地球上的巖石種類存在差異，成分也不盡相同，對此，風化后的物質成分較為復雜。巖石風化中包括物理風化及化學風化、生物風化三種形式，在單獨的反應或者聯合反應下，土質結構存在特異性。碎散不連續型指的是土質結構的聯系薄弱，土顆粒間的聯系與水及礦物質等具有相關性，土體中的固體、液體及氣體同時存在的情況會發生相互反應，在外界環境發生改變的情況下，空氣的固體顆粒排出進入土壤中，與土壤顆粒發生反應，導致土的性質具有不確定性。

1.2知識點相對復雜

土體性質研究集中在物理及化學等基礎學科上，對土的性質進行描述，對此，土力學課程中涉及的知識點較為復雜，比如，土的物理性質知識學習中，其中含有大量的物理量及物理量關系公式、物理指標及表達式。

1.3理論公式半經驗及半假定

土力學除基本的公式外，也有一些公式為解決實際問題而產生，通過物理及力學等公式，對土體經驗進行判斷，通過合理化的假定對公式進行修訂，使公式具有半經驗及半假定的特點。在土力學中的重要原理學習過程中，對物理學中的各項參數關系式進行計算，提出有效的概念后，認為土顆粒接觸點的面積小，若假定為0，能獲得總應力及孔隙應力、有效應力的計算原理。

2土力學課程教學目標

教師的功能不僅在于教學，而是通過教書達到育人的目的，教師還需立足遠期角度進行思考，傳承課程知識的同時，也要對知識體系進行更新，保證教學內容的創新性。在土力學課程教學過程中，堅持理論聯合實際，教學聯合生產的原則，制定切實可行的教學目標。在教學過程中注重提升教學質量，培養具有創新能力的人才。在教學過程中，加強各個環節的聯系，積極接受新知識，完善實驗室建設，及時改革創新教學方法，豐富土力學教學資源。在課程教學過程中，應當關注理論引導，適當引入相關的工程案例，介紹工程背景，通過信息技術整合動畫及視頻資源，為學生提供豐富的學習案例。深化學生對土力學基本知識的理解，在初步解題及應用過程中，關注理論知識的實際聯系，教學中各個要素保持有機的聯系，實現紙質教材及多媒體教材等優勢互補。在教學過程中應當關注實踐教學，拓展學生的發揮空間，培養學生動手能力及工程應用能力。結合不同專業的知識點，安排相關的實驗室課程。教師也要讓學生學習對應專業的課外書籍，學習課外書籍的目的在于結合課內內容，為課程閱讀提供參考書籍。開放實驗室后，學生自主完成實驗，鼓勵學生根據實際情況進行創新。在教學活動中，加強學生及教師之間的互動，使理論教學向實踐教學轉變，教師將每堂課或者每個周期課程中的成果提煉，根據知識點情況，增設課外講座，讓學生將工程實際案例與理論知識聯系，培養學生利用知識解決實踐問題的能力。

3土力學知識教學中存在的問題

3.1教學理論強，內容過于抽象

在土力學課程學習過程中，其中涉及豐富的理論知識，作為一門將力學作為基礎的課程，應當注重講解其中的力學原理及力學公式。教師在授課過程中不可避免的學習一些抽象的概念，講解一些力學基本原理或者復雜的公式、經驗性結果，或者對一些家庭條件進行引入。要求學生具有扎實的數學及物理基礎知識外，也要完成課前預習，對專業中的知識有全面的認識。一旦出現知識盲點，對后續的教學成果會產生影響，甚至影響學生對知識點的掌握情況。

3.2教學模式枯燥及單一，教學內容局限在書本

現階段土力學多采取多媒體及板書聯合教學模式，多媒體演示及板書教學中，教師講解的內容均是課本內容，包括一些復雜的公式，教師關注對公式原理的講解，學生在學習過程中感到非常枯燥，無法跟隨教師的思路，單純的理論知識學習容易讓學生產生深奧及抽象的錯覺。

3.3關注內容傳授，忽視學生主動性

教學涵蓋兩個方面內容，分別是教、學，多數教師在實際教學中，單純的關注教，想盡辦法讓學生掌握課本知識，但忽視學生的學，尤其是學生不主動學習內容，往往無法深入掌握知識，單純學習淺層知識，這種情況下無法培養學生的能力。針對土力學課程情況，目前的教學模式依舊存在一定的問題，對此，還需自化難為易的思想上出發，跳出課堂學習的局限性，引入啟發式教學模式，激發學生課堂知識探索的主動性，讓學生被動學習知識轉變為主動學習知識，使學生對知識有全面的掌握，并靈活應用知識。

4啟發式教學在土力學課程教學的實踐應用

4.1在土的形成教學中的應用

土力學課程面對的對象是土，對土的應力及應變、滲透規律等進行研究。該課程中學生第一項接觸的內容便是土的形成，為后續學習土力學相關問題奠定堅實的基礎，對此，如何有效學習此部分內容非常重要。在課程教學過程中，教師通過啟發式教學啟發學生的思想，比如，教師先拋出一個問題：“同學們，你們知道土是怎么形成的嗎？”在問題的導向下，引發學生對問題的思考，通過思維引導的方式讓學生將精力集中在課堂上。隨后，學生會回答各式各樣的問題，有人認為土是一種本來存在的資源，是石頭變成粉末狀形成的。此時教師讓大家安靜的觀看大屏幕，其中介紹60億年前，地球剛剛誕生，受到宇宙射線及太陽輻射等影響，在內部作用力下，地球開始有規律的自轉及公轉，在內外力量的影響下，地球內部開始噴射大量的巖漿，受到各種作用力的影響而發生分裂，形成碎屑物質。此過程中學生腦海中具有了一種畫面感，開始對土力學知識有初步的了解。教師在教學過程中對各種內外作用力進行分析，內外作用力能統稱為風化作用，包括物理風化及化學風化兩種類型。物理風化指的是巖石的大小及形狀發生的變化，自大到小，最終變成粉末，但化學性質沒有發生變化。化學風化指的是暴露在空氣中的物質，在空氣中與水及二氧化碳等發生化學反應，巖石變小的同時，化學成分也發生了變化。在風化后會形成碎屑，沒有經過搬運沉落在原地，最終形成殘積物。通過水的運輸將殘積物運輸到另外一個區域，形成重新沉積，也叫作沖積物。我國的長江中下游平原便是典型的沖積平原，在風力作用下對殘積物進行搬運，則是風積物，比較典型的地區是關中平原。在冰川的作用下形成冰積物，在沼澤的作用下形成沉積物，通過此類內容學習，學生認識到土的形成原因。

4.2在土的變形教學中的應用

土的變形作為土力學中的重要內容，針對一些建筑物進行分析，比如，建筑物應當滿足強度需求及變形需求。通過公式進行表述主要是△≤[△]，此公式中，△能模擬建筑物發生的變形狀態，而[△]處于規范性指標范圍。土力學課程學習過程中，針對變形問題學習主要掌握變形的基本原理，在此基礎上掌握土體變形的基本方法。在此類內容講解過程中，教師無須直接講解土的變形原理，而是先對學生進行提問，通過一個簡單的問題進行深化，比如，學生在學習土體形成知識后，認識到土在內外荷載力的變化下會發生變形反應。教師讓學生在戶外取一塊土，雙手施加壓力的情況下，會看到土體的發生變形。對此，教師提出問題：“土變形與土體三相中的哪一部分知識有關？變形問題是來自土體中的孔隙水嗎？如果不是來自孔隙水，變形與哪些內容相關？”一般情況下飽和土變形并非來自孔隙水，經過教師的持續性啟發教學，學生對課堂知識的學習興趣提升，比如，教師利用多媒體工具進行展示，工程上常見壓力問題，土顆粒本身及孔隙水壓縮變形較為微小，甚至能忽略不計。飽和土變形往往是土體間隙縮減。若土體中的孔隙水無法排出，土體也無法變形，對此，孔隙水排出速率決定土體的滲透性，孔隙水排除速度快，土體滲透性弱，孔隙水排出慢。在工程科學中，一旦要研究某個問題，多是自實驗入手，對土的變形問題進行分析，獲得基本的實驗結果。比如，固結試驗學習過程中，對土體施加荷載，獲得土體應力變形關系曲線。在實驗過程中，通過變形指標獲得孔隙比。在后續的學習過程中，針對后續思路壓縮指數Cc及壓縮指數Cs等級進行分析，完成對土體壓縮性試驗的講解。

4.3在土的強度教學中的應用

土的強度問題學習是土力學課程中的關鍵性問題，其問題包括建筑物產生的豎向應力小于地基土承載力，利用公式進行表示為p≤f。其中的p表示建筑物豎向應力，f表示土體承載力。課程學習的主要任務是掌握荷載力基本強度理論。在該問題學習過程中，分析“土的強度問題是否能滿足抗剪力要求？”學生在初步接觸問題后，興趣被激發，但由于知識水平不夠，無法回答問題。教師在提出問題后，也不會直接回答問題，應當根據材料力學相關知識，針對微小單元內部作用力進行分析，從而獲得法向應力及剪應力。基于垂直作用下，法向應力反應是否會引發土體破壞是學生應當思考的問題。學生多會回答不會引起土體破壞，如果并非是法向應力導致的土體破壞，是哪部分應力引發的土體破壞。隨后學生會思考剪切力相關因素，在剪切力的作用下對土體進行破壞，土體自作用面逐漸破壞，對此，土體強度破壞往往指的是剪切破壞。針對該結論已經獲得證實，對此，判斷土體應力破壞過程中，需要對比兩個量，從而獲得剪切力及抗剪力。在土力學學習過程中涉及較多的剪切力知識，直接在材料力學中應用，獲得大小主應力反應。為便于應用公式，法向應力及剪應力可通過應力摩爾圓表示。土抗剪強度可利用庫倫抗剪強度公式進行計算，抗剪強度公式也能表現曲線關系。經過仔細觀察認識到，土剪應力不會比土抗剪強度大，土體破壞后，破壞的土體表面開裂，為便于對比，將應力摩爾圓及抗剪強度繪制成橫軸及縱軸坐標系，其中的摩爾圓及抗剪力強度包線相切，此狀態也被稱之為極限平衡狀態，也是判斷土體是否破壞的基本原則。根據極限平衡狀態獲得土體強度相關公式，即土的極限平衡條件。自此，可拋出核心問題及問題的解決思路，解決土體強度相關問題，在啟發式教學過程中，學生的精力集中在課堂，為高質量教學奠定堅實的基礎。

5結束語

伴隨新課程改革步伐的推進，土力學課程教學過程中，教師應當將學生擺在中心位置，思考學生的學習條件，整合學習資源，在引導式及啟發性教學中，理清學習思路，掌握學習方法，提升學習能力，關注師生交流，調動學生學習積極性。在解決工程問題過程中，教師應當積極拓展學生的認知面，增強學生對力學概念的理解，比如，教師在教學過程中先拋出一個關鍵性問題，逐步進行引導，激發學生求知欲望，通過縝密的邏輯解決問題，使被動學習轉變為主動學習，達到理想的課程教學目標。

基金項目：內蒙古自治區自然科學基金《鄂爾多斯盆地東北部準格爾旗二疊系沉積與碎屑鋯石年代學記錄及其對構造演化的約束》（項目編號：2019030267）

參考文獻

[1]吳雪婷，陳斌.MATLAB三維可視化求解在土力學教改中的應用[J].山西建筑，2021，47（11）：174-176.

[2]徐慧，卜萬奎.基于土木工程專業應用型建設的土力學實驗教學改革的研究[J].菏澤學院學報，2021，43（02）：140-142.

[3]蘭景巖，莫紅艷，曹振中.工程教育專業認證背景下少學時流體力學教學改革探索與實踐[J].高教論壇，2021，（04）：34-37.

[4]郭建強.基于MOOC平臺的“土力學”課程線上線下混合教學法探索[J].科教文匯（上旬刊），2021，（04）：67-68.

[5]梁橋，鄒洪波，劉杰.線上線下混合式教學改革實踐——以“土力學與地基基礎”課程為例[J].教育教學論壇，2021，（11）：69-72.

[6]周仁戰，金園，姜麗.“雙輪驅動”推進土力學與地基基礎課程教學模式改革[J].蚌埠學院學報，2021，10（02）：112-115.

[7]徐慧，王瀷霏.新工科背景下“土力學與地基基礎”課程教學改革實踐[J].安徽建筑，2021，28（02）：128-129.

[8]熊甜甜，廖紅建.翻轉課堂理念下混合式一流課程《土力學與基礎工程》教學探索[J].綠色科技，2020，（21）：234-235，240.

[9]張龍菊，王新剛，朱連勇，等.應用型人才培養模式下土力學實驗教學改革——以塔里木大學土木工程專業為例[J].現代物業（中旬刊），2020，（05）：184-185.

[10]張凌凱.應用型本科院校“土力學”課程混合式教學模式的改革與探索研究[J].教育教學論壇，2020，（20）：215-216.