新工科背景下土力學滲透實驗的教學改革

［摘 要］ 技術的飛速發展和產業的不斷變革對工程教育改革提出了新的要求和挑戰，促進了新工科建設理念的生成。在工程力學領域人才的培養進程中，理論教學與實踐教學的結合可以激發學生的創新思維，培養其力學專業素養，提升工程實踐能力。針對“土力學”課程教學中土工測試環節存在的問題，組織相關科研方向的研究生和正在學習該知識點的本科生，自主研發了一套廣度量數字化滲透儀作為實驗教具并運用于教學實踐，旨在優化教學模式、提升教學效果以及培養學生的綜合實踐能力。

［關鍵詞］ 新工科；土力學；工程實踐能力；自主研發；廣度量數字化滲透儀

［基金項目］ 2024年度國家自然科學基金“壓剪應力作用下多形態粗糙裂隙巖體水力耦合特性與機理研究”（12402482）

［作者簡介］ 楊天嬌（1993—），女（滿族），遼寧錦州人，博士，南京工業大學數理科學學院講師，主要從事巖土力學研究；宋林輝（1980—），男，江西高安人，博士，南京工業大學數理科學學院教授（通信作者），主要從事巖土力學研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）47-0057-04 ［收稿日期］ 2024-01-16

2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”［1-2］，致力于探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設，建成世界工程創新中心和人才高地［3］。南京工業大學工程力學系課題組根據新工科建設的基本理念，積極融入滬蘇浙皖長三角地區創新發展體系，主動適應區域經濟和社會發展的需求，對“土力學”實驗教學課程進行了教學改革嘗試，為工程力學學科課程建設發展提供了借鑒。

“土力學”是工程力學學科課程教學體系中重要的專業基礎課程，該課程主要研究土體的變形、強度和滲透特性等內容［4］。土力學實驗則是“土力學”教學中不可或缺的實踐教學環節。作為連接土力學基本理論與工程應用的橋梁，土力學實驗教學的開展既可以加強學生對土力學基本原理的深入理解和掌握，又能豐富學生對土體物理和力學特性的感性認識，還可以培養學生的實踐動手能力，激發學生的創新意識和創新思維，有利于培養學生的工程意識和綜合素質，是工程力學教育中必不可少的組成部分［5］。其中滲透性實驗是“土力學”課程教學的重要組成部分，教學大綱要求掌握滲透實驗方法，并應用滲透儀對土體滲透系數進行測定［6］。

滲透系數是指單位水力梯度作用下水的滲透流速，它是衡量土體滲透性能的一個重要物理力學指標，是用來估計天然地基、高填路基及土壩的滲透穩定性，分析地基沉降速率，以及人工降低地下水位，給排水設計，地基加固設計等必需的基本參數［7］。因此，掌握滲透實驗相關的知識點對于學生理解專業課程、認識工程實踐及從事相關工作有深遠的影響。

一、明確問題：傳統滲透實驗教學的局限性

常規滲透實驗是一種室內測定土的滲透系數的重要手段，也是工程力學本科教學階段的重點內容。依其原理分為兩大類［8］：（1）常水頭法，是指在整個實驗過程中保持土樣兩端水頭不變的滲透實驗，適用于透水性較大的粗粒土；（2）變水頭法，是指在實驗過程中土樣兩端水頭隨時間變化的滲透實驗，適用于透水性較小的細粒土。常規室內滲透實驗在教學環節中主要存在以下三方面局限。

1.采用量筒測量滲流量，不僅數據采集單一，而且需要學生記錄數據，既難以滿足教學過程中眾多學生實踐操作的需求，任課教師也難以對學生的掌握情況進行考核，極大地影響了教學時間。

2.由于施加的水頭壓力較小，測量周期較長，而“土力學”課程課時有限，學生只能通過教師實驗操作演示進行粗淺的觀察和學習，從而導致教學內容較枯燥，學生學習積極性較低。

3.我國長江三角洲等經濟發達地區廣泛分布著深厚黏土層，黏土地基承載著大量的摩天大樓、高速鐵路、高速公路、機場、大壩等建筑物。經驗表明，該地區黏土厚度一般在15～50米，部分地區達100米，具有透水性差、固結過程緩慢等特點，而采用傳統的滲透實驗裝置并不能對高固結壓力下的低滲透性黏土進行滲透實驗。因此，不利于學生將滲透實驗與工程實際緊密結合，導致實驗教學與實際工程割裂，教學效果較差。

以上問題導致了學生無法有效掌握滲透實驗的原理及操作，不利于后續土力學相關的知識學習和科學研究，更不利于學生今后從事工程力學相關設計和科研工作。

二、確定對象：廣度量數字化滲透儀

為提升滲透實驗的教學效果，使任課教師在土力學教學中能更為形象地演示滲透實驗過程，課題組設計并研發了廣度量數字化滲透儀實驗設備，最終形成實踐型教學培養模式。

課題組研發的廣度量數字化滲透儀裝置包括三個部分：加壓部分、滲流實驗部分和數據記錄部分。加壓裝置為儲氣罐和儲水罐；滲流部分主要為TST-55滲透儀；記錄裝置包括數字壓力表、壓力傳感器與數顯儀，如圖1所示，具體介紹如下。

1.儲氣罐與儲水罐相連，中間管道安裝一閥門，儲氣罐的氣壓大小可以通過氣泵來控制，然后氣壓影響水壓，從而通過控制氣壓的大小間接控制水壓的大小，以氣壓代替水頭高度提升的壓力，這樣不僅可以避免要不斷提升水位高度而帶來的實驗麻煩，而且可以較好地保障水頭壓力長時間保持恒定，同時可以一定程度上提升水頭高度。

2.滲透儀為TST-55型滲透儀器，該滲透儀中包括加壓螺桿、透水板、環刀、密封圈、底座等。

3.滲透儀中采用自下而上的滲流方法對土樣進行滲透實驗，滲透儀的出水管中滲流出的水流入塑料小桶中，而塑料小桶懸掛于一個壓力傳感器上，壓力傳感器與數顯儀相連，這樣數顯儀在開啟后，就可以數字化地采集滲水量，使得數據采集變得十分快捷和方便，從數顯儀中拷取數據便能輕松進行數據分析。

三、研發實踐：攻克設備的技術難點

在教具設計研發的過程中解決了諸多難題，首先達到了對土樣施加較高的滲透壓力的實驗要求，從而實現了0～60米水頭下黏性土體的滲透實驗，有效將滲透實驗與工程實際緊密結合，培養學生運用所學知識分析、解決工程問題的能力；其次，采用壓力傳感器與數顯儀相連，可以對實驗數據進行數字化監測，從而可以達到精確記錄實驗結果的目的，提高了課堂教學質量。

課題組研發的廣度量數字化滲透儀可開展不同固結壓力下土壤在不同滲透壓力下的滲透實驗。以pc=100 kPa和pc=200 kPa兩種固結壓力下砂姜黏土土樣為例，該裝置使用的主要操作步驟如下。

1.固結土樣的制備。本實驗砂姜黏土土樣從徐州施工現場地下約40米處獲取，通過保鮮膜密封處理運回實驗室，然后將黏土進行晾曬干燥、破碎處理后，填入盛土桶中。盛土桶由三部分組成：筒體、蓋板和底座。在蓋板頂部上有一加壓桿，用來施加所需土體的固結壓力，從而制備不同固結壓力下的砂姜黏土試樣。

2.固結土樣的飽和處理及裝樣。待試樣充分飽和后，將其從飽和器中取出，放置環刀試樣及濾紙后，放置透水石與橡膠圈，最后旋緊滲透儀上方旋盤使其完全貼合，達到不漏水、不漏氣的狀態后，即可開始實驗。

3.滲透水壓的施加。將儲氣罐與氣泵接通，向儲氣罐中加入一定氣壓，使得儲水罐中有一定水壓（0～5 kPa即可），打開①進水管的閥門（如圖1所示），同時打開②排氣管的閥門，將管道中的氣體排出，待②排氣管中沒有氣泡再冒出，認為底部和管中空氣已經排凈，此時關閉②排氣管的閥門，對其施加相應的第一級水壓，打開氣泵開關，待水壓達到指定數值后，觀測③出水管中是否有出水現象，待其有穩定滲流狀況出現后，將其接入管道。

4.滲流量的測定。滲流的水會順著管道流入塑料小桶當中，而塑料小桶掛在壓力傳感器上，傳感器與數顯儀相連，可自動記錄相應時間對應的滲流量。

5.滲透水壓的逐級施加。每隔相同時間，加載下一級水壓；當其所有級數水壓的滲透實驗均做完后，該組實驗完成。

6.繪制曲線。根據常水頭法可計算出土樣的滲透系數，從而繪制出各級水壓下砂姜黏土的滲透系數，如圖2所示。

特別要指出的是，在實驗教學環節中借助研發的滲透儀還可以讓學生直觀地感受到土樣滲透系數的影響因素，如固結壓力為100 kPa與固結壓力為200 kPa的砂姜黏土試樣，其滲透系數均是隨著水壓的增加而增加。通過此實驗設備的研發及對實驗結果的分析，既加強了學生對土力學基本理論的理解，極大地提升了教學效果，又培養了其實踐能力、分析問題能力，提高了工程素養。

四、教學實踐：回歸土力學教學的課程需求

廣度量數字化滲透儀能完整模擬土工滲透實驗中制樣、固結、滲流等關鍵步驟，并能讓學生直接動手操作不同滲透壓力及不同固結壓力下土體的滲透實驗，構建了綜合性、設計性、創新性的土力學實驗教學新途徑。

對班級58名學生進行課堂效果調查，從與學生的交流中不難發現，多數學生認為對滲透理論知識和傳統滲透實驗內容學習存在難度。相比傳統課堂教學中采用PPT、板書等手段，結合室內實驗，對學生對該部分內容的理解和學習效果提升有很大幫助。對于參與教學設備的研發環節，能夠讓本科階段學生認識到該知識點在科學研究中的重要性，并與研究生建立較好的交流平臺，使其對自身的學習生活和以后的職業發展規劃有了更深的理解。學生通過積極參與實踐性活動，普遍對類似實驗設備的研發充滿期待，對本科階段實踐教學及學生興趣培養起到了良好的啟發作用。

此外，“土力學”是一門與工程實踐密切相關的課程，土體的滲透特性影響著實際巖土工程的穩定性。因此，必須深刻理解滲流理論知識，并善于將其應用到實際工程中，才能迅速評估引起災害的原因，進而提出切實可行的防災減災方法。但是在當前的“土力學”課程中，理論教學與實際工程的結合度很低，導致學生難以將課本所學知識應用到實際工程案例中。

因此，通過自主研發的廣度量數字化滲透儀實驗裝置可提高學生的實踐水平，讓學生把理論知識轉變為可用于工程實踐的能力，培養學生解決實際工程問題的意識。例如，研究不同滲透壓力及不同固結壓力下黏土滲透系數的變化，并對其滲透特性曲線進行擬合，可以得到能夠良好預測黏土滲透特性的經驗公式，從而為高速鐵路、公路、大壩等實際工程的安全性提供理論指導。

結語

課題組自主研發了一套廣度量數字化滲透儀實驗裝置，通過設計儲氣罐和儲水罐相連來對土樣施加大范圍的滲透壓力；采用壓力傳感器與數顯儀相連，對滲水量進行數字化監測，從而能夠良好預測不同固結壓力下土樣在不同滲透壓力下的滲透特性。利用該設備，既可以指導本科生完成畢業論文及創新創業訓練計劃項目，也可以指導研究生開展土體滲透相關的科研項目，打造“人人皆學、時時可學”的實驗平臺，有助于實現高校“以生為本、以本為本”的育人模式，拓寬學生求知空間和學術視野，提高自主學習能力，增強實驗創新意識，滿足工程力學、巖土工程、水利工程等不同領域多層次、多樣化的人才需求。

參考文獻

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［8］李廣信，張丙印，于玉貞.土力學［M］.3版.北京：清華大學出版社，2022：55-58.

Teaching Reform in Soil Mechanics Permeability Testing in the Context of Emerging

Engineering Education

YANG Tian-jiao， SONG Lin-hui

（School of Physical and Mathematical Sciences， Nanjing Tech University， Nanjing， Jiangsu

211816， China）

Abstract： The rapid advancement of technology and the ongoing industrial changes have introduced new requirements and challenges for engineering education reform， while fostering the emergence of the concept of emerging engineering disciplines. In the process of cultivating talents in engineering mechanics， integrating teaching with practice experience can stimulate students’ innovative thinking， develop their professional competencies， and enhance their engineering practice skills. To address issues encountered in the geotechnical testing in the soil mechanics courses， a novel large-range digital permeameter was independently developed by the graduate students and undergraduates engaged in related research areas. This device was designed as an experimental teaching tool and applied in instructional practice to optimize the teaching method， improve the educational effectiveness， and enhance the students’ comprehensive practical ability.

Key words： emerging engineering education; Soil Mechanics; engineering practice ability; independently developed; large-range digital permeameter