关于土工实验教学方法及模式的探讨

樊铭京

山东农业大学水利土木工程学院 山东泰安 271018

土力学是我校土木、水利和交通等有关专业的重要基础技术课程，同时也是被列入国家工科力学基础建设的课程之一。地基岩土的力学特性对于土木、水利和交通等工程的规划设计、建设施工、安全运行是极其重要的。而作为地基的岩土，其力学指标须经现场勘测取样、室内实验测试和理论分析计算等步骤方可得到。这些力学指标即为上述工程规划设计、建设施工、安全运行的重要依据。可见岩土力学指标的获得有较强的实践操作性、严谨的理论分析性和明确的工程应用性。

土工实验教学是土力学、土力学与地基基础、土质学与土力学、工程地质与土力学等课程教学的重要组成部分。土工实验教学，应贯穿实践操作、理论分析和工程应用这条主线，让学生懂得仅有课堂上学习的理论知识是不够的，还必须了解野外勘察取样及掌握样品测试等实践性环节，目标是为工程应用即工程规划设计、建设提供依据。

通过实验教学，要求学生了解、熟悉各土工实验的仪器及操作，掌握一定的土工实验技能，同时熟练掌握土的物理力学指标测试方法，培养学生的实际动手操作能力以及在工作实践中发现问题和解决问题的能力。然而，现行土工实验教学模式陈旧呆板，学生主观能动性得不到发挥，学习效果较差，迫切需要探索一种新的土工实验教学模式，为学生营造主动性的实验氛围，增加学生动手操作、独立思考和探索的时间和空间，以培养更多的适应当前社会需要的创新型应用人才。

1 以往实验教学情况

1.1 教学模式落后

以往土工实验教学的准备工作由实验教师承担，如实验课前的仪器摆放调试、制备实验用的土样等以及实验时学生分组分发试样、讲解示范协助学生操作等。实验时，学生仅是调整仪器上的旋钮，观测读数，把读数填写在规定的实验表格上，在教师指导下写出实验报告。在实验过程中，学生非常被动，不用动脑思考和动手操作。一节短暂的实验课，学生跟随教师在实验室里按预定流程和时间走马观花地走了一趟，没有学生发挥主观能动性和动手操作仪器的客观条件，这样的教学效果可想而知。

1.2 实验学时偏少

我校开设土工实验的专业有水利、土木、交通工程等，按照土力学教学大纲要求，整个土力学理论课及实验课仅有54个学时，实验课一般只占8学时。土工实验根据专业教学要求，内容包括土的含水率、土的密度、土的比重三个基本物理指标实验和土的界限含水率、土的压缩、土的剪切、土的渗透、土的颗粒分析、土的击实实验等。要做完以上几个实验，时间上并不宽裕，如果不事先做好准备，很难在规定时间内完成这些项目，更没有时间消化吸收。而对于土力学中的一些其他重要实验，如三轴、承载比、变水头渗透、黏性土颗粒分析等实验根本没有时间做。

1.3 没有完善的考核制度，激励机制不健全

本课程实验课不作为一门课程单独设立，其成绩的考核只是对学生的出勤和实验报告做评价，一般不作实质性的考试，造成学生实验课不认真、走过场抄袭实验报告的现象较为严重。学生没有学习动力，也使实验课缺少约束力，这也是影响实验课教学质量的重要因素。

2 土工实验教学的改革

2.1 要求学生提前预习和完全自己动手

我们将实验教学改为由教师引导、学生主动提前预习和完全自己动手的模式。实验课前，让学生知道实验内容，需要预习哪些知识，使用什么仪器，如何准备土样等。预习实验内容包括：明确实验原理和实验目的、了解实验仪器、清楚实验步骤、理解实验结果及指标的计算公式、知道应观察的实验现象等。

如土的液塑限联合测定实验，需要的仪器为光电式液塑限联合测定仪。液塑限联合测定法是根据圆锥仪的圆锥入土深度与其相应的含水率在双对数坐标上具有线性关系来进行的。利用圆锥质量为76 g(100 g)的液塑限联合测定仪测得土在不同含水率时圆锥入土深度，然后，以圆锥入土深度为纵坐标，含水率为横坐标，绘制其关系直线图，在图上查得圆锥下沉深度为10 mm(17 mm)所对应的含水率即为液限，查得圆锥下沉深度为2 mm所对应的含水率即为塑限。本实验的关键步骤是调制土膏，现在，教师不再示范，而是让学生自己摸索着调制土膏。调制土膏的软硬程度对实验结果影响较大，缺乏经验的学生往往需要重复3～5次才能达到要求，这样做完实验后学生印象特别深刻。

在做土的击实实验时，我们带领学生到学校附近的道路建设工地，现场讲解击实实验的目的和意义。工程中用于填筑路基或堤坝的填料均处于松散的三相状态，在以机械方法施加击实功能的条件下，使其压实增加密度和提高强度，土通过碾压密度增加的特性称为土的压实性。为了获得最理想的压实效果，需要充分了解影响土的压实性的因素有哪些，其中最主要的因素是含水率和施加的压实功能。为此，在工程实践中常常在模拟现场施工条件(包括施工机械和施工方法)下，找出压实密度与填土含水率之间的关系，从而获得压实填土的最佳密度(即最大干密度)和相应的最优含水率。

击实实验是为了工程目的而利用标准化的击实仪，得到土的最大干密度与击实方法(包括土的含水率和击实功能等)的关系，据此在现场控制施工质量，保证在一定的施工条件下压实填土达到设计的密实度标准。具体操作是：让学生在施工现场采备同一土质的土样带回实验室，进行试样制备(干法制备)，需制备不同含水率的土样5～6个，分别将土样拌和均匀，再分层装入击实筒内，按一定功能进行击实，测定击实后土样的湿密度和含水率，并计算其干密度；然后以干密度为纵坐标、以含水率为横坐标绘制ρd-ω击实曲线，据此曲线求出最大干密度和相应的最优含水率，作为现场施工的控制指标。通过这样一个工地采样、实验室实验、数据分析、得出结论用于工程的过程，学生既掌握了实验技能，又深刻理解了操作不当对数据结果和工程质量的严重影响。

2.2 增加综合性、设计性实验教学内容

从土工实验的工程应用性入手，设置新的土力学实验教学内容。如土的固结实验，是测定试样在侧限与轴向排水条件下变形和压力的关系，或孔隙比和压力的关系，变形与时间的关系，以计算土的压缩系数av，压缩指数Cc，压缩模量Es及原状土先期固结压力Pc等，需测定的项目视工程需要而定。通过这些指标可以判断土的压缩性，计算土工建筑物和地基的沉降量及沉降过程等。在整个实验过程中，要求学生同时进行含水量实验和密度实验，同时了解比重实验的方法和过程，这样含水量实验结果和密度实验结果就可以应用到压缩实验数据整理中，不仅节省了实验时间，同时也使学生了解到含水量与土样密度是影响压缩性质的两个重要物理指标。

设计性实验，是结合学校实验室对外承担设计院所送测土样的条件，让学生直接接触工程实际。每个工程项目对送到实验室所测土样的技术要求和应测指标不同，需采用的仪器和测定步骤均有所不同。这样学生在参与实验时感到不同于上实验课，其态度更为严谨，也肯于动脑，做实验的同时能与实际工程相联系。如进行土体原位测试时，首先告诉学生工地现场要建什么建筑物，对地基有何要求和测试需要得到哪些指标等；再让学生查阅各种原位测试的适用范围和实验原理、需要的仪器设备和测试方法等；最后进行指标测定，资料整理分析以及测试报告提交等。通过这种零距离接触测试设计部门送到实验室的土样和直接到工地参与原位测试，使学生学习目标明确，针对性强，既深化了所学理论知识，又获得了较强的工程实践训练，毕业生理论扎实、动手能力强、工作适应快。近年来，我校水利水电和土木工程两个专业的本科毕业生非常抢手，大多就职于设计院和工程公司，1～2年就适应工作，3～5年就成为业务骨干。

2.3 充分利用多媒体和计算机辅助教学

多媒体教学是当前普遍采用的教学手段，可在较短时间内让学生感知较多的学习内容和信息量。我们多在实验前通过多媒体对实验过程进行具体详细的演示和模拟，这样能够减少学生的预习时间。在实验过程中，利用实验间歇时间，如固结实验中的等待固结稳定时间，带领学生进行数据处理，可促使学生积极思考，仔细完成每一步实验，提高了实验效率和实验质量。我们还将耗资耗时大的实验或工地现场有关土工实验的内容，录制成音像片供学生观看，这样能够使学生了解实验内容和目前土工实验的深度及技术前沿，从而极大丰富和拓宽了学生的视野及知识面。

我校土工实验室配有一套土工实验微机数据采集处理系统，集数据采集和处理于一体，常规实验、综合性及设计性实验都可以通过计算机操作完成，这套系统的配置目前在同类院校中较先进。将该系统应用于教学，对增加学生学习兴趣、提高教学质量有很大促进作用。

2.4 开放实验室增加学生实验时间

开放实验教学，为学生提供一个能够充分发挥自主性、创造性的学习环境。实验室实行全天候开放，极大弥补了学生实验学时的不足。学生可随时到实验室做预习、做准备、做实验，有更多的机会接触仪器，有充裕的时间进行思考和实践探索。此外，我校土工实验室还面向社会服务，每年承担的工程项目有几十项，利用这些科研和工程项目中的土工实验，让学生参与一些设计性的实验，既可以提高学生的兴趣和动手能力，又可增强学生对实验指标作为设计依据的工程实践认识和理解。由此可大大激发学生学习土力学的积极性和主动性，极大促进了教学质量的提高。

2.5 强化实验课学习成绩考核

为提高教学质量，教务处和院部已明确规定，实验课是理论课的重要组成部分，实验课学习效果要强化考核，其办法由实验教师确定。经与土力学理论课教师商定，本课程成绩学生理论学习考试占70%，实验课学习成绩占30%，分别按百分制打分后按上述比重汇总。具体由实验教师按照对每个实验内容的预习熟练程度、仪器使用、实验操作步骤的掌握、实验数据处理及分析、实验报告等几个方面分别打分，分别为每个实验打分再对各实验进行汇总得出总分，按30%比重计入学生土力学课程的成绩。这一考核机制的实行，极大地调动了学生的学习主动性，过去是教师督促学生做实验，现在是学生主动做实验。

3 结束语

及时发现教学弊端并勇于改革创新教学模式，使之符合学习规律，激发学生的学习热情和创新能力，是实验室教学的重要内容。对此笔者在教学过程中做了一些有益的探索和改进，也取得了明显的教学效果。这方面的探讨和研究还需继续进行，不断改革教学方法和创新教学模式，促使学生由“要我学”向“我要学”转变，从而为社会培养更多、更好的应用型人才和创新型人才。

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