浅谈土力学实验教学中存在的问题及改革措施

2013-08-15曾召田

科技视界 2013年5期

曾召田

（桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林541004）

土力学是土木工程专业重要的理论基础课之一，具有很强的理论性和实践性，该课程注重培养学生的创新思维和工程实践能力。土力学实验作为该课程的实践部分，对于学生准确掌握土的工程特性、深入理解土力学原理、培养创新意识、增强动手能力等起着非常关键的作用。为此，本文根据笔者近年来的教学情况，结合理工类本科院校土木工程专业的特点，剖析了当前土力学实验教学中存在的主要问题，从土力学实验内容设置、实验教学模式等方面提出了一系列改革措施，以切实提高土力学实验教学质量和教学效率。

1 土力学实验教学的特点

自然界中的土一般经历了长期的地质作用，其颗粒大小和矿物成分差别甚大，同时组成土的三相（土粒、水、空气）之间的数量比例也不尽相同，土与周围的水分发生复杂的物理化学作用，因此土具有复杂的的物理、力学性质，如土具有非线性的应力-应变关系，卸荷后土体变形一般不能完全恢复，土体强度具有多变性等，土的这些特性一般需要通过室内和现场实验进行测试研究[1]。纵观土力学的发展历程，从某种意义上可认为土力学就是土的实验力学，土力学的许多基础理论都是通过实验建立的，譬如描述土中水渗流特性的达西定律。因此，土力学实验为土力学理论的发展提供了重要的依据[2]。

土力学实验教学具有两个显著特点：其一，土力学实验不同于物理、化学等其他单纯验证性实验，土力学中的每一个实验项目都来源于工程实践，其实验结果可直接应用于工程设计与施工；其二，土力学中的每个实验项目虽然相互独立，可分散进行实验，但所测土的各项指标最终统一于同一个土样进行综合分析，从总体上看又是环环相扣、紧密联系的[3]。学生通过该课程的学习，能够提高实际操作水平、培养创新思维、学会分析和解决实际问题。

2 当前土力学实验教学中存在的主要问题

2.1 实验教学地位低，实验课时偏少

实验教学地位低是普遍现象，在土力学实验教学中主要表现在三个方面：（1）实验课从属于理论课程，没有独立设课；（2）实验课时数偏少，只有8 学时；（3）实验成绩不单独考核，通常只作为理论课程平时成绩的参考（所占比例大致为15～20%），对整个课程成绩影响小。

这在客观上必然导致以下弊端：（1）学生在思想上不重视实验课，认为土力学实验无关紧要，只要把理论知识学好即可，导致学生的实验热情不高，缺乏积极性和主动性；（2）实验课时少，导致开设实验项目偏少，部分仪器设备利用率低；同时由于学生人数较多，学生缺少重新实验的机会，无法改正不合理的数据，实验报告只好编造数据或抄袭，不利于培养学生严谨、认真的科学态度。

2.2 教学方式缺乏创新，教学效率较低

土力学实验教学一直沿袭以往的传统教学模式[4]，一般分为四个阶段：（1）课前准备阶段——实验室老师准备仪器设备，学生预习实验内容；（2）课堂授课阶段——老师课堂讲解、示范实验过程；（3）学生实验阶段——学生分组实验，老师巡回指导；（4）数据处理阶段：学生处理数据、撰写实验报告。

这种教学方式有利于培养学生处理数据、操作仪器、撰写报告等基本实验素质；同时由于实验结果与理论吻合较好，能较好地配合理论教学，促进学生对土力学基本理论的理解与消化。但是在这种模式下，学生只能按照教师预先设定的步骤被动地完成实验，不利于调动学生独立思考和发挥学生的主动性。另外，在教学过程中如果指导教师讲解详细，占用的时间多，学生就没有充裕时间来完成实验，不利于培养动手能力；反之，指导老师讲得精、简，许多学生在实验过程中就不知所措，实验效果也不好。

2.3 实验室管理单一，实验内容陈旧

土力学实验和其它课程教学一样，需要按实验课表规定的项目和时间进行。由于课时偏少，大部分实验项目通常采取缩短实验观测时间、简化实验步骤或由实验教师课前先完成几个环节的操作等方法来缩短实验时间。例如，粘性土的固结实验一般缩短实验观测时间，砂土的比重实验往往使用摇荡比重瓶代替砂浴加热排除空气这一步骤，而直剪实验、压缩实验等均需实验室教师事先做大量的准备工作。学生在课堂上只能进行几个环节的操作，不能参与实验的全过程，因此学生对整个实验感到很抽象，实验技能也得不到提高。

同时，土力学实验项目都是常规物理力学指标的测定，教学内容简单而陈旧；实验教学未能及时引入最新的学科发展成就，实验项目的设置未能与工程实践紧密结合，不利于全面培养学生的实验动手能力、综合分析和解决实际问题的能力。

2.4 实验分散开设，实验项目相对独立

土力学实验课一直采取比较分散的开设方式，即根据理论课的授课进度，将几个实验项目穿插到理论教学过程中，如理论课讲完了土的物理指标，随即进行含水率、比重、密度实验，讲完了粘性土的压缩性即刻进行固结实验；这种教学安排限制了实验课的开设时间，不利于学生对实验内容的充分理解和消化。

由于实验分散开设，每次实验仅是对某个指标进行测定，割裂了各个实验项目间的联系，使学生不能从所测各指标应统一于同一土样这一角度来统筹实验，造成了和生产实践的脱节，导致学生未能真正全面系统地掌握土力学实验知识。由于每次实验均单独取样，实验所测出的指标值并不是同一土样，无法对各指标之间的关系进行分析，不利于学生对土的物理力学性质的理解。

3 土力学实验教学改革措施

3.1 转变思想观念，突出实验教学地位

“思想是行动的先导”，因此土力学实验教学改革的关键就在于转变教师和学生的思想观念、突出实验教学的地位：（1）摒弃“实验课附属于理论课”的旧思想，牢固树立实践第一的观念，调动一切积极因素，激发学生实验热情；（2）实验课单独开设，从教学计划上保证对土力学实验教学的重视；实行实验成绩单独计算，促使学生认真完成实验课程，从根本上扭转学生不重视实验课的局面；（3）专职实验教师与理论教师待遇相同，增加实验室人员外出培训、参观和交流机会，充分调动实验教师的工作积极性。

3.2 改变教学方式，提高实验教学效率

传统的土力学实验教学模式严重抑制了学生的主观能动性，造成实验教学效率较低，因此必须对现有的教学方式进行改革，以切实提高试验教学效率。具体来说，主要从以下三方面着手：

（1）利用电化教学手段，加强实验前的预习。土力学实验课程的课前预习非常重要，预习效果的好坏直接影响学生是否能正常开展实验。为了加强实验前的预习，我们在传统教学模式的基础上引入了电化教学手段，具体实施过程分为三步：第一步，实验前学生认真预习实验指导书，了解实验目的、原理、方法、步骤等内容；第二步，实验室开发土力学实验教学课件，学生可随时上网浏览预习；第三步，实验课上指导教师对实验重点步骤和注意事项再有针对性地做讲解。这样，通过课本预习、网络教学和重点讲解，学生就能直观、形象地了解实验的全过程。同时也将教师的授课时间由以往的30 多分钟缩短到15 分钟左右，使学生有了充裕的时间进行实验，从而提高了实验教学效率和质量。

（2）集中开设实验，培养学生综合分析能力。土力学实验课程中的一些实验项目（如固结实验、颗分实验等）往往时间很长，且各个实验项目之间有很强的联系，如果将原来的“分散式”实验教学改革为“集中式”实验教学，即在土力学理论课程结束后，每班安排2～3 天时间集中来上实验课，效果非常明显：A.由于多个实验项目交叉进行，节省了时间，提高了工作效率；B 由于所有实验项目都在同一个集中的时间内完成，便于学生对所得实验数据进行综合分析。

（3）完善实验考核方法，调动学生学习积极性。为充分了解学生的实验学习动态，我们逐步完善了实验考核方法：1）建立严格的预习制度——学生在进行实验前，必须独立完成实验预习报告，经实验指导老师检查合格后，方可开始实验；2）实行综合考核制度——对学生的每次实验都从实验预习、实验安排与操作、实验报告三个方面进行综合考核；3）制定实验成绩评分标准——按照考核的三个方面制定具体的考核内容和标准，实验成绩（按百分制计算）达不到60 分，实验课程总成绩为不合格。

3.3 改革管理模式，建设开放型实验室

为了培养学生的创新思维和解决实际问题的能力，使学生懂得科学实验过程的严谨性、复杂性和严密性，必须改革以往的管理模式，建设开放型实验室。为此，我们采取以下新举措：

（1）实验室定时定期开放——时间为10：00～20:00，学生自主安排实验时间，采取实验预约制度，每组人数为1～2 人，大大增加了学生的动手机会。开放式实验教学一方面使学生在时间和内容上有较大的自主性，有利于调动学生的积极性；另一方面也有利于因材施教，使实验水平不同的学生，都能得到合适的指导。

（2）重视实验过程——土力学实验教学的目的是让学生熟悉整个实验过程、了解土的基本特性，为今后的工作和科研打下良好基础，因此实验教学中要改变“重结果、轻过程”的错误思想，具体要做到以下三点：1）教师的指导和讲解内容应少而精，重点放在实验方法与关键步骤；2）要求学生正确安装、调试仪器，增强学生操作能力，培养学生严谨的科研精神；3）强调实验结果应互不相同，严禁互相抄袭实验数据。

（3）严格审查实验报告——要求学生当堂独立完成实验报告，对不合理数据要认真分析原因并通过补做实验及时改正；经实验教师现场审核，不符合要求的实验报告应退回重做。

3.4 拓展实验内容，激发学生实验热情

土力学实验内容都属于已经被反复证实过的、学生必须掌握的验证性实验。实验室在此基础上必须拓展实验内容，增设一些综合设计实验，进一步提高学生的创新能力，激发学生的实验热情。

实施过程如下：（1）在常规必修实验的基础上，开发增设一些内容新、综合性强、反映现代科技发展的选修实验项目；（2）开设实验选修课，并单独计算学分；（3）实验室提供便利条件，鼓励学生参与到相关教师的科研项目或者大学生创新项目，并给予全面指导；（4）举办土力学实验技能竞赛，培养学生的学习兴趣和创造性思维能力；（5）实验教师、理论课教师共同研究，结合区域特色和仪器条件，设计一些创新性实验项目可供学生选择。