基于卓越工程师培养的土力学实验教学改革

汤劲松，丁军霞，陈瑞英，熊保林

（石家庄铁道大学 a.土木工程学院；b.人文学院，河北 石家庄 050043）

基于卓越工程师培养的土力学实验教学改革

汤劲松a，丁军霞a，陈瑞英b，熊保林a

（石家庄铁道大学 a.土木工程学院；b.人文学院，河北 石家庄 050043）

以“卓越工程师教育培养计划”为指导，以培养学生的工程实践能力和工程创新意识为目标，通过分析当前土木工程专业土力学实验教学的现状和存在的问题，提出基于卓越工程师培养的土力学实验教学改革措施。从教学内容、教学方法、教学手段和创新能力等方面开展系统的实验教学改革，着力培养学生的工程素养，增强解决实际工程问题的能力。

卓越工程师；土力学；实验教学；教学改革

“卓越工程师教育培养计划”是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020年）》的重大改革项目，也是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措[1]。“卓越工程师教育培养计划”的突出特点是在加强基础理论学习的同时，着力提升学生的工程素养，重点培养学生的工程实践能力和工程创新意识。教育部于2010年6月启动的“卓越工程师教育培养计划”，为高等工科院校的人才培养明确了努力的方向和目标。经教育部审核批准，我校于2012年被列入“卓越工程师教育培养计划”的第二批试点高校，土木工程专业作为我校入选培养计划的专业之一，相应的课程教学改革也需要与时俱进，不断探索教学内容、实践教学、综合素质和创新能力培养的教育教学改革新模式。“土力学”是土木工程专业一门重要的专业基础课，学习这门课程的目的，是使土木专业本科学生获得有关土力学学科的基本理论、基本知识和基本技能，为从事土木工程专业技术工作奠定必要的理论基础。“土力学”的课程特点是基本理论、工程应用再加上实验技能，是一门与工程实际紧密结合的学科。土力学实验是“土力学”课程学习中非常重要的实践性教学环节，也是理论与实践相结合的一个重要教学环节。在“土力学”的课程学习中，穿插进行一定数量的土工实验，便于学生深入掌握土的物理力学性质的实验方法和土力学的一些理论知识，要求学生了解基本土工实验的仪器操作和实验技能，学会整理测试资料和分析测试数据，有利于培养学生的工程意识和综合素质，为今后从事土木工程专业技术工作打下良好的基础，从而真正实现“卓越工程师教育培养计划”人才培养的目标。

一、土力学实验教学现状和问题

1.学生认识不足导致学习兴趣不高。在现有的土力学教学模式中，土力学实验仅是作为“土力学”课程课堂教学环节中的一个部分。由于之前接触工程实际问题的机会比较少，同学们对于土力学实验的意义认识较为肤浅，对土力学实验也提不起兴趣；再加上大多数同学都有轻实验、重理论的思想[2]，实验成绩在整个课程考核中的分量不够大，没有提高到重要的地位[3]，导致学习的积极性和主动性都不高，实验教学效果一直不太理想。

2.实验课程的开设方式不利于培养学生的工程素质。传统土力学教学实践中，土力学实验课程一直采取比较分散的开设方式，即根据理论课的讲授进度，将几个实验项目穿插到理论教学过程中去，分散地开设相应的实验课。土力学实验课程的这种开设方式，可以让学生结合所学的理论知识，感性地认识土的物理力学性质，如土的三相比例指标、物理状态指标、压缩和剪切特性，加深对基本概念和基本理论的理解。但由于土力学实验不同于其他课程的验证性实验，土力学的每一个实验都与工程实际息息相关，都是为工程应用提供直接数据的，因此，仅仅开展这种分散的独立实验不利于培养学生的工程意识，也不利于培养学生综合分析实验数据和解决实际问题的能力[4]，难以达到卓越工程师教育培养计划的目标要求。

3.实验课程的教学方式很难培养学生的实践能力和创新意识。土力学实验课的教学，通常都是教师布置实验任务，让学生提前预习；课上老师讲解实验内容，同时给学生进行操作示范，学生分成3～4人一组进行实验。实验过程中，同组的人可以分工合作，有人主要负责实验操作，有人负责数据记录，有人负责试样制备或协助开展实验操作。这种实验教学方式可能导致实验前老师要求的预习工作基本未做，很难发挥学生学习的主动性，学生只是被动地接受知识灌输，然后照猫画虎进行实验操作。实验过程中，由于实验学生人数多、时间紧，只有一部分人真正进行了实验操作，使得另外一些同学基本不操作，成为旁观者，别人测的数据他拿来写报告，甚至数据也不自己处理，直接拿同组同学的报告来参考或照搬。因此，这种教学方式导致土力学实验教学效果较差，有些学生的动手能力不足，没有培养良好的“工程实践能力和工程创新意识”。

二、土力学实验课程教学改革措施

1.强调实验课程的重要性以提高学生的工程意识。增强实验课的重要性，提高实验课的地位。多数学生认为土工实验课是土力学课程的组成部分，在课程考核方式中，实验成绩仅占总成绩的一部分（如我校在土力学考核中，理论部分占90%，实验部分占10%），即使实验课不及格，只要总成绩超过60分，该门课程即可合格，因此，土工实验课就不足以引起学生的重视。鉴于此，在课程考核时，实行实验课缺课或实验成绩不及格，禁止参加土力学考试，或该门课程考试成绩不及格的考核方式。对于实验课缺课的同学，则责令学生补做实验；对于实验成绩不及格的，责令学生重做实验课程，方可参加课程考试。通过提高实验课的地位，加强同学们对实验课重要性的认识。结合工程实际，提高工程意识。很多同学对实验课认识不足，敷衍了事，主要是由于对土力学实验与工程实践的联系，以及土工实验在工程中的作用认识不足。每一个土力学实验项目都是实际工程勘察中需要做的项目，其实验结果可直接应用于工程的设计和施工。因此，在讲解土力学理论课时，结合一些工程实践，使学生认识到工程实施之前，需要进行现场工程勘察和室内土工实验来为工程实施提供直接数据（如土性指标、压实性参数、压缩指标和强度指标等），使学生直接接触到工程实际，学生对土工实验的重要性认识提高了，对实验也就重视

了。同时，实验教学也是培养学生工程素养的一种途径。

2.利用虚拟土工实验系统使学生提前熟悉实验过程。以往土力学实验预习时，学生只通过实验指导书或参考书了解一下实验目的、实验仪器、实验步骤、数据整理等要求，预习后还是一团雾水，一知半解。由于学习途径不够直观、生动，难以调动起学生的兴趣，预习效果也不理想。针对这种情况，利用现代多媒体信息技术，开发可交互的虚拟土工实验系统[5，6]，建立虚拟土工实验三维模型，包括实验环境、实验仪器和实验材料等。学生可以在虚拟场景中随时进入虚拟土工实验环境，选择相应的实验项目，了解实验目的、实验设备、实验过程或步骤，进行实验操作，期间可任意方位、任意角度观看实验进度。在虚拟实验室中，可进行的虚拟土工实验包括：饱和实验、含水率实验、密度实验、比重实验、颗粒分析实验、液塑限联合实验、固结实验、无侧限抗压强度实验、直接剪切实验和三轴剪切实验等。虚拟土工实验作为实验教学的辅助手段，能够帮助学生在真实实验之前，通过计算机模拟熟悉实验过程和方法，对实验教学起到很好的效果。另外，在实验后也可以对疑难之处进行分析和总结，而且还可随时随地重新进行虚拟实验，加深学生的认识，同时也有利于培养学生提出问题、分析和解决问题的能力。

3.以启发式教学强化基础知识和基本技能的训练。为督促学生搞好课前预习，课堂上改变以往教师讲解—实验示范—学生实验的做法，上课时先对实验原理、实验方法和实验需要测试哪些数据进行随机提问，通过学生回答问题来检查他们的预习效果，同时也督促他们做好预习环节。在学生进行深入预习的基础上，实验教学时以启发式教学为主，更强调教师的指导作用而非实验示范作用，实验指导时重点放在实验重点、难点和关键步骤上，通过质疑解惑的手段澄清学生模糊概念，启发学生自己摸索体会实验过程。对于实验原理，指导老师先进行提纲挈领的讲解，讲解的同时对于一些关键点进行提问，注意与学生的互动，检查学生的预习效果。对于实验步骤，只讲述或演示难点、重点，其他的让学生自己去摸索、体会。如进行土的侧限压缩实验时，实验目的为绘制孔隙比与压力的关系曲线，即压缩曲线，确定土的压缩系数或压缩模量，评价土的压缩性。实验需要得出土样的初始孔隙比和某级荷载作用下压缩稳定后的孔隙比。抛给学生一个问题：初始孔隙比和某级荷载压缩稳定后的孔隙比怎样才能得到？让学生进行思考，回忆课堂教学中的理论知识。在讲解实验过程的主要环节时，用环刀切取土样装到压缩仪后，要通过百分表的读数测加载后土样的压缩量。这时，又给学生抛出一个问题：装置之间不一定非常严密接触，而这个空值是否消除会引起压缩量的失真，怎样消除装置之间的空值？提出这些问题让学生主动去思考，去讨论，然后根据学生的反映情况进行针对性的讲解。同时引导学生去进行验证，如针对第二个问题，鼓励学生进行加预压消除空值和不加预压两种实验来进行数据的比较。通过这样的启发，学生能较好地掌握实验的难点和重点，做到心中有数，因而在操作时认真细致，又充满自信，有条不紊，所用的操作时间也大为减少。这也无形中使学生主动参与到实验中，积极思维，促使学生提高实验操作能力和分析问题的能力。

4.以综合性实验项目优化土力学实验教学内容。土力学的基本实验内容通常包括密度、含水量、筛分、液塑限、压缩、直剪等一些单独的常规实验。为了加强土力学实验教学的工程应用，在土力学实验教学内容的安排上，尽量突出各个实验项目之间的相互联系，能够使学生在实验的过程中了解实验结果的应用，将土力学实验教学内容优化整合为3个综合性实验项目[7]，分别为土的分类实验、压缩实验和直接剪切实验。通过土的分类实验（包括筛分和液塑限实验）熟悉土的分类方法；通过压缩实验（包括含水量、密度和压缩实验）了解土的压缩性质；通过直接剪切实验了解土的强度特性。比如，在进行压缩实验的过程中，要求学生同时进行含水量和密度实验，同时了解比重试验的方法和过程，这样含水量、密度和比重实验的结果就可以应用到压缩实验数据整理过程中，同时学生也了解到其他实验指标的准确性直接影响到土的压缩性指标。这样，可以让学生在每一部分的理论内容学习以后，结合工程实际问题，通过室内土工实验，评价土的物理力学性质。与此同时，要求学生参与实验的全过程，包括制备土样。以往学生做实验时都是由老师准备好土样，学生直接利用已经制好的土样进行实验。而土样的制备其实是土力学实验的基础，土样质量与能否得到理想的实验结果密切相关。忽略制样这个重要实验过程对学生理解土力学实验有较大的影响。虽然这样做可能需要更多的时间，但是对于培养学生的工程实践能力十分必要。

5.开设设计性或创新性实验项目培养工程创新意识。在学生完成了所有的单项实验，有了一定的动手能力后，结合教师从事技术服务的工程项目，开设一些综合性较强的设计性实验项目，在实验教师的指导下，由学生独立完成实验，培养学生综合利用所学知识解决工程实际问题的能力[7]；或结合教师的科研课题，开设一些创新性的实验项目，这样不仅可以很好地培养学生的创新思维能力，而且也有利于教师科研课题与课堂教学的有机结合。对于设计性和创新性实验，指导教师提出具体要求，学生自由组合成实验小组，选作自己感兴趣的实验项目。实验教学过程由学生初步设计实验方案，老师审查同意后进行实验，分为方案设计阶段、实验操作阶段和报告编写阶段等不同环节，并根据自己的实验结果进行讨论和分析，从而在学习期间培养学生的工程实践能力和工程创新意识。

基于卓越工程师培养的土力学实验教学应以激发学生学习兴趣、培养学生工程实践能力为目标，培养创新思维为导向，培养综合素质为根本。土力学是一门理论与实践并重的学科，实验研究不但可以促进学科发展，同时更多地直接服务于土木工程实践。通过提高土力学实验的地位，增强学生对土力学实验课程重要性的认识性，激发其学习兴趣和热情。通过多媒体辅助教学措施和课堂启发式教学，提高土力学实验的教学质量，培养独立分析和解决实际问题的能力，训练学生的创新精神，扩展学生的知识面，提高实验课时的利用效率。优化实验内容，开设设计性和创新性实验项目，使学生对土力学实验有更深入的整体认识，加强实验之间的联系，促进理论知识的综合运用，同时锻炼学生的创新思维和工程实践能力，提高工程素质。

[1]林健.“卓越工程师教育培养计划”通用标准研制[J].高等工程教育研究，2010，（4）：21-29.

[2]左明汉，李利，张伟.本科院校土木工程专业土力学实验教学改革探索[J].实验室科学，2012，15（1）：20-22.

[3]王俊杰.工程类专业土力学实验教学改革思考[J].高等建筑教育，2009，18（6）：110-114.

[4]孙晓明.土力学实验课程教学方法的研究与改革[J].黑龙江教

育（高教研究与评估），2006，（11）：59-60.

[5]李晓红，齐丽云，范庆华.基于flash技术的虚拟土工仿真实验的设计与开发[J].中国高新技术企业，2012，（6）：24-26.

[6]冯少杰，高振林.虚拟试验技术在土力学试验教学中的应用[J].教育教学论坛，2013，（3）：73-74.

[7]娄国充，王树栋，叶朝良.土力学实验教学改革与教学模式研究[J].石家庄铁道学院学报（社会科学版），2009，3（2）：106-108.

G642.0

A

1674-9324（2014）13-0045-03

河北省高等学校教育科学规划项目（GH122055）；石家庄铁道大学十二五教育科学规划项目（110429）。

汤劲松（1970-），男，安徽桐城人，博士，副教授，主要从事岩土工程的教学和科研工作。