“新工科”背景下土工實驗教學探索與實踐

馬建軍 黃林沖 陳萬祥

摘? 要：在“新工科”建設的背景下，為了讓土工實驗課程教學更加符合新時代的要求，針對目前土工實驗課程教學中存在的主要問題，文章就實驗課程全過程參與、啟發性教學、學術能力、實踐能力培養和綜合能力評價等方面展開研究。由此提出的實驗教學方法具有較強的可操作性，對學生在工程地質及土力學的認識程度、學術能力、實踐能力和綜合素質等方面具有積極的影響。

關鍵詞：土工實驗;土力學;實驗教學;學術能力;探索與實踐

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2021）27-0060-04

工程地質（Engineering Geology）和土力學（Soil Mechanics，部分高校也稱為力學與地基基礎或者土力學與基礎工程）是土木工程、海洋工程、水利工程、地質工程、勘察技術工程和交通工程等本科專業的基礎課程，也是此類教學中最重要的入門課程[1-3]。工程地質、土力學和巖石力學（Rock Mechanics）也通常也被認為是巖土工程（Geotechnical Engineering）領域的專業核心課程。由于工程地質與土力學不但具有理性分析特征，也有部分理論、規律和技術，需要學生具有一定的感性認識[1]才能真正領悟且利用好工程地質與土力學，為工程建設服務。因此，高質量的工程地質及土力學實驗教學是培養新時代合格土木、水利、海洋、巖土等領域工程師的重要保證，也是新工科建設對土木工程“大類培養”提出的具體要求[4-5]。

土是地球表面或者一定深度的巖石經過長期物理化學風化、搬運、沉積等作用，形成的具有各向異性特征和多孔隙結構的顆粒堆積物[3]。由于形成土的礦物成分、堆積結構、含水率、堆積歷史、顆粒組分等的不同，土的工程特性極其復雜[1-3]。實際工程中，由于加載方式、作用時間、排水條件、邊界條件、固結應力、固結狀態、加/卸載速率等因素變化多樣，土體的強度和應力-應變關系異常復雜[2，6]。因此，土力學實驗也通常被稱為土工實驗，部分地質工程實驗（包括靜力觸探、現場巖芯識別等）也歸結為土力學實驗，這些土工實驗在工程建設中起著至關重要的作用。課程教學要求學生掌握和理解土的物理力學性質，能夠基于試驗結果和現場觀察正確地評價土的工程特性，進一步通過深度學習和實踐鍛煉，解決大部分實際工程問題[6-8]。

一、面臨的主要問題

（一）土工實驗課程教學理念模糊

土工實驗課程一般包含十個主要內容：土力學實驗介紹、土的工程分類、試樣制作、基本物理特性試驗、物理狀態試驗、壓縮固結試驗、三軸壓縮試驗、直接剪切試驗、擊實試驗和滲透試驗。國內外教材在土工實驗教學內容上的排序差不多是一樣的，其基本邏輯是從基本試驗內容的認識開始，逐漸了解土的類別和物理特征，然后深入認識和感觸土的力學特征，這一過程是循序漸進的[6-10]。后續的章節逐漸轉向工程認識，包括強度理論、壓實和滲透等。傳統的教學理念是課本上的理論知識必須先記住，然后在實驗室進行現場觀察感受，加深理解和記憶[11-13]。久而久之，土工實驗變成了觀摩和觀賞性質的課程，實驗課的教學理念愈發模糊，土工實驗教學的初衷并沒有得到足夠重視。此外，在工程地質課程中，部分高校沒有重視實踐教學，學生大多到博物館看看地質礦物的顏色、光澤、質地和形狀，無法真實感受不同類別礦物和土的力學性質。長期的走馬觀花式實踐教學，導致土工實驗部分的科學性缺失。調研還發現，部分高校的工程地質認識實習課程安排較短，沒有足夠的實習場地讓學生近距離地觀察土、玩捏土、馴服土和記錄土。因此，表面化問題的根源在于土工實踐教學與理論教學脫離、實踐教學時間被壓縮和學生對土工實驗教學重視不足。

（二）土工實驗課表面化問題

土力學實驗課程也面臨著表面化的問題，學生進入實驗室，首先觀察實驗員或者教師的實驗講解及演示等，然后按照要求去做實驗，得到實驗數據后書寫實驗報告。大多數學生基本上只是按照實驗報告的格式，填滿數據，寫好結論。這種形式主義嚴重違背了實驗教學目的，學生對土的認識變成了表面上的觀賞，沒有觸及土工試驗的核心特征，即實踐和理論并重[2-3，14-15]。

（三）土工實驗報告形式單調

目前新工科建設已經成為國內各高校的主要教學改革動力和方向[4-5]，但如何設置合理的土工實驗報告內容和形式，培養學生的工程素養和實踐能力，仍然是土工實驗教學亟待解決的問題。調查發現，我國大部分開設土木和水利工程的院校都很重視土工實驗教學，但是，工程地質和土力學內容基本保持不變，土工實驗報告的格式和內容要求十分陳舊[7-8]。近些年來，不少土工實驗教學也在不斷向垃圾土和特殊土延伸[8-14]，實現了內容的創新。但是，傳統土工實驗課程還是延續單調的實驗報告格式，即書寫數據分析或者填空，學生的實驗報告區分度較小，無法驅動學生獨立思考的潛力和積極主動學習的能力[15-16]。

（四）土工實驗考核標準低

土工實驗課程是本科的必修課，課程活動能使學生對土的認識從淺入深，從理論分析到感性認識[1，6]。土力學實驗課程考核標準低表現在三個方面：一是實驗課程成績評價內容以實驗報告為主，不注重實驗效果和過程;二是實驗報告評閱標準很低，實驗報告質量等級不夠具體，對報告的深度和廣度沒有給出具體指標。此外，很多高校多年來延續相同的實驗內容和報告格式，院系和指導教師也沒有進行報告查重和報告質量分析。三是學生應付實驗報告和實驗過程，具體表現為學生經過多屆的口口相傳，已經了解了實驗課程的考核方式，部分學生甚至不用心或者都不愿多花時間去完成實驗報告。少部分學生直接網上購買實驗報告或者借閱上屆學生作品，即使如此仍可寫出非常漂亮的實驗報告，降低了學生對土工實驗課程的學習熱情。

二、探索與實踐

針對土工實驗課程教學活動面臨的不足，綜合學校面向新工科和“大土木”工程專業的人才培養定位，主要教學改革措施如下：

（一）面向新工科的土工實驗教學理念

工程地質與土力學是理論與實踐并重的重要基礎學科[14-15]，土工實驗課程的教學目的必須明確：加深學生對知識的理解和感性認識[1-3]。因此，土工實驗課程須圍繞知識體系和課程能力要求，契合“新工科”人才培養目標。實驗課程的教學理念必須體現在實驗過程中，必須帶著土的物理力學特征等相關問題去啟發學生思考，培養他們的問題意識和探索興趣。為了更好地體現教學理念，土工實驗課一般跟隨理論課程進度，即理論課和實驗課同時開展，做到理論與實踐相互促進。

（二）實驗課程的全過程參與

工程地質和土力學課程具有特殊性，學生對土并不陌生，但是深刻理解土工原理的并不多見。其中一個重要的原因是：沒有全程參與土工實驗課程。教師教學時應提出三個要求。第一個要求：從土工實驗的第一節課開始，要求每組派一名成員參與到實驗課地籌備中來，從學校周邊選土，取土樣，回實驗室烘干、磨碎、去雜質、備份等前期準備工作都要參與。學生能夠從這個過程中明白實驗樣品的來源和制作過程，也會感性認識土的性質，能夠明白土工實驗具有一定的嚴肅性和趣味性。

第二個要求：在試驗中，要求全員動手，用手去感觸土，感受土的形變、黏性、粒徑和聚集特征，特別是含水率與液限塑限等物理狀態量。試驗一般持續2個小時左右，學生們必須動手。試驗結束后，要求每組必須留一名成員，完成試驗設備的清潔和土樣的清理。

第三個要求：土工實驗課必須提煉問題、查閱資料、總結歸納、學以致用和理論聯系實際等。具體案例就是液塑限試驗，一般高校都是用液塑限聯合測定儀，按照要求做落錐試驗即可，但是學生只能觀察現象和試驗數據，無法形成感性認識。在試驗環節，教師可要求學生動手感觸土樣，然后估計落錐的深度，多次試驗后，學生對液塑限就有了比較直觀的感受。此外，在理論課上，教師要提前給學生講述實驗的準備工作，讓大家按部就班準備，特別是需要動手比較多的試驗。

（三）啟發性實驗教學模式

中山大學土木工程學院實行“大土木”工程專業培養模式，面向“新工科”，必須培養學生的“工程應用技能”和“科研實踐創新能力”[4-5]。因此，課程組采納了啟發性教學方法，鼓勵學生舉一反三，在實驗中認真思考，課后申請開放性試驗，去驗證自己的想法。例如滲透試驗中，很多同學注意到裝樣的過程，會被引導去思考“可否選用不同粒徑級配的砂子去做實驗？還有同學追問城市管道泄露導致地層塌陷等問題，指導教師會帶領大家一起思考工程地質、土力學和巖土工程問題，啟發大家繼續學習，讓大家帶著問題去寫實驗報告。

（四）面向實踐能力和學術能力的教學過程

分析問題和解決問題的能力是土工實驗課程的主要培養目標。因此，土工實驗課的實踐能力培養體現在準備試樣、裝樣、設備操作、動手感觸、書寫實驗報告和分析數據等方面。例如試驗過程中，每位成員必須參與實驗，每個成員要有自己獨立書寫自己的實驗報告，完成實驗報告附錄里面的思考題。通過發散思維，驅動學生查閱資料和思考問題的能力。最直接的工程問題啟蒙和實踐能力鍛煉體現在城市地鐵施工：以廣州和深圳地鐵建設為例，學生就地下水、埋深、盾構過江等問題開展討論，培養了實踐能力和工程素養。

面向學術能力培養的內容落在實驗報告數據處理和土力學理論解釋上，例如，為什么會出現最優含水率？為什么松散的干砂不能支撐人體重量但是飽和的沙灘可以？第二個層面的學術能力訓練體現在：自主設計實驗區驗證或者探索工程問題[14-16]。學生要按照學術論文格式和語言要求去書寫實驗報告或者結題報告，并選派學生代表作匯報，鍛煉思維能力。因此，土工實驗課程培養了學生論文寫作能力和學術思想，為其繼續深造打好基礎。

（五）基于創新與實踐能力的綜合素質考核機制

土工實驗教學表面化和形式主義嚴重的根本原因在于考核方式單一：實驗報告和課程考勤。課程組教師多為海外引進人才，教研組教師認真對比了國內重點大學國外名校的土工實驗考核評價體系，綜合分析了本校土工教學問題，提出了基于創新與實踐能力的綜合素質考核機制。

考核機制包含四個層次：第一層能力為參與實驗能力，基本要求是遵守現場紀律，完成實驗報告，沒有明顯格式錯誤和抄襲。主要觀察實驗紀律，實驗過程中學生是否懶散，是否存在聽音樂、注意力不集中、嬉戲打鬧、破壞設備和實驗材料、違反實驗安全操作過程等行為。該層級為學生全員參與的考核，是最基本的能力層級。

第二層能力為實驗規范操作能力，主要考查學生是否積極動手操作，是否操作規范，是否觀察和記錄仔細，是否積極參與現場提問和討論等。

第三層能力為實踐能力，主要通過理論學習與實驗結果對比分析，解釋實驗現象，能夠通過實際工程問題的正反分析，解釋問題本質。該層次的能力要求學生對實驗課和實驗報告附錄的思考題做到理論聯系實際，做到學以致用。

第四層能力考察學生的創新能力，該層次是本課程的最高要求，要求學生能夠進行獨立設計試驗，完成試驗內容，撰寫實驗報告，經過評委考核，確保實驗項目和結果具有一定的學術價值。

三、結論

針對土工實驗課程教學存在培養理念模糊、表面化、內容形式單一、考核簡單等問題，文章圍繞“新工科”的土工實驗教學理念、實驗課程全過程參與、啟發性教學、學術能力、實踐能力培養和綜合能力評價等方法展開分析。教學實踐表明，本研究提出的實驗教學方法具有較強的可操作性，學生對工程地質、土力學與基礎工程的認識程度、創新能力、實踐能力和綜合素質得到了很大的提升。

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（責任編輯：汪旦旦）