土力学课程教学中学生创新能力的培养

黎春林 陈 静

一、引言

创新意识和创新能力的培养是大学生素质教育的核心，是实现社会经济发展和人类进步的源泉。创新意识指善于联想，触类旁通，不墨守成规；创新能力指提出问题，解决问题的能力。当今社会，知识呈爆炸性增长，知识更新换代很快，为适应这一形式的转变，对大学生的要求不仅仅是学会已有的知识，更重要的是培养学生对所学知识进行选择、整合、创新的能力。在这一培养目标指引下，大学生才有能力在踏入社会后，根据工作实际和社会要求，不断完善调整自身的知识结构，更好地适应用人单位和社会的需要。而这种能力并非老师言语所能传授的，它需要激发学生的创新潜能，也需要大学生的积极参与。

《土力学》是应用型本科院校土木工程相关专业的重要专业基础课程，对培养合格的应用型人才起着非常重要的作用[1]。土力学理论的发展一般是通过试验、观测、计算发现规律，随后总结和表述这些规律，并上升到理论。从其发展过程可以看出土力学的发展离不开创新，培养学生的创新能力已成为《土力学》教学的重要目标。基于学科特点，在《土力学》教学过程中，我们从理论教学、实验和实践等方面进行了改革，加强对学生创新能力的培养，在传授基础知识、培养基本能力的同时，更注重启迪学生的创新思维，引导学生去思考，去探索，去创新。

二、教学改革内容与实施

1.以数学和经典力学引导学生思维创新

土力学理论的发展离不开数学和经典力学。土力学理论中除了有效应力原理和固结理论，其他理论都可以用经典力学进行推导[2]。但由于土的性质和实际土工问题条件的复杂性，数学和经典力学用于土时，常常附加很多假设，所以土力学的计算极少与实际精确地符合。正因为土力学中充满了经验和假定，所以我们不能用数学和经典力学的“精准”来要求它。但另一方面，尽管土力学是充满经验的学科，但是土性的复杂性和土工问题的近似性并不表示其中应用的数学和力学方法可以不遵守基本的规则；反而，在教学中，应强化运用数学和力学的思想方法，为学生发现、分析和解决问题提供思维起点、终点和路径。例如太沙基固结理论做了多方面的假定，概括起来包括：（1）土完全饱和；（2）土粒和水不可压缩；（3）压缩和渗流是竖向的；（4）变形是线性的；（5）渗流符合达西定律；（6）荷载一次突然施加；（7）土均质；（8）各向同性。在此假定基础上，根据饱和土体固结的力学机理，利用高数微分方程进行了严密的求解。虽然作了如此多的假定，但并没有影响太沙基固结理论在工程中的广泛应用。又如，布辛奈斯克假定土体为连续的、各向同性弹性体、半无限体，在此基础上应用弹性力学理论推导了在地表集中荷载作用下地基中任意一点的附加应力；在布辛奈斯克公式基础上又进一步利用高等数学面积积分推导了均布荷载作用下、基础角点下土体中任意一点的附加应力。这一方法同样在工程中被广泛应用。通过这些实例，告诉学生数学和经典力学方法在土力学课程中的重要性。因土体性质复杂，为简化分析，在理论推导过程中往往作了较多的假定，但只要我们抓住了事物的主要矛盾照样能推导出较精确的结果。

由此可见，数学和经典力学是推动土力学理论发展的有力工具，学习借鉴其思维方法，无疑有助于培养学生创新意识和创新思维能力。同时，老师在教授土力学相关理论时，必须强调其适用条件和局限，否则将会带来严重的后果。例如：膨胀土边坡，如用条分法设计，会发生滑坡现象。典型案例有：安徽省淠史杭灌区膨胀土上渠道，50年代建成，到80年代发生滑坡195处。同样的事故还有：南水北调中线渠首2公里渠段上，完工1年后出现13处滑坡。事故原因是条分法没有考虑膨胀土特点。又如，经典土力学理论假定土体处于完全压剪应力状态，而边坡工程土体内部一般是存在拉张应力分量，基于压剪这一假定建立的现代边坡稳定分析理论，因没有合理考虑斜坡土体所受到的拉应力分量，导致部分达到安全设计标准的工程斜坡，在营运过程中因降雨、场地和环境变化较大等原因发生滑垮，产生灾难性后果[3]。

2.重视试验，培养学生创新能力

土力学许多理论的提出基于试验和工程实践，通过对试验和现场观测数据的计算分析、类比别人成果，得出规律。没有大量的实践资料和坚实的理论基础，是很难取得成就的[4]。因此，要学好土力学，必须重视实验和现场测试。

为激发学生的创新精神，我们对传统的实验教学进行了改革，具体改革内容包括：开放实验室，增加综合性和设计性实验比例，改革实验成绩的评定方式等。通过开放实验室，使学生在空余时间可以更主动地从事实验和科研工作，提高学生的实践和创新能力；通过综合性实验培养学生综合素质；通过设计性实验，提高学生应用专业知识解决工程问题的能力；在实验过程中鼓励学生大胆质疑，提出问题，并寻求解决问题的最佳方法。在实验成绩评定上既考查学生的专业知识，又评价学生的实践能力和设计创新能力，重视学生实验过程表现。

实验后要求学生对实验或现场检测数据进行合理的、客观的分析，寻找内在的规律。寻找规律应从分析试验、观测、计算等方面着手，分析有哪些影响因素，如何影响，是正相关还是负相关？并且应分析哪些现象是误差或偶然因素引起的，要知道去伪存真。并积极引导学生对同一试验结果从不同角度分析，得出不同的规律。例如渗透试验，通过试验观测得出以下规律：渗透速度与水头差成正比，与渗透路径长度成反比。这就是著名的达西定律。又如直剪试验，由试验结果可知土的抗剪强度不是一定值，而是与法向应力成线性关系。

规律是必然的，而理论则是客观规律的总结和表述。规律的揭示要与机理分析结合，根据实验结果总结规律，并从机理上分析原因，弄清了规律的实质，再上升到理论就是创新。

3.改进教学方法，创设土力学应用情景

培养创新能力的目的，是培养学生应用土力学知识、方法解决实际问题的能力。《土力学》课程的许多章节都是与工程实际紧密联系的，其理论也是为解决工程实际问题而提出的，如“土的应力与变形、土压力、土坡稳定、地基承载力”等内容。因此，在这些内容的教学中，应注重创设土力学的应用情景，营造学生积极参与氛围，让学生感受到“工程就在我身边”，从而激发学生的学习兴趣，培养学生的创新意识和创新能力。如：介绍附加应力后，提示学生附加应力不一定都是荷载引起的，引导学生去思考在日常土木工程中还有哪些因素会产生附加应力，将附加应力与基坑开挖、人工降水、渗透变形、地震等现象结合起来，启发学生的创新思维。又如：介绍土压力理论计算公式时，结合实际工程中挡土墙的设置方法和种类，分析在实际工程中减少挡土墙土压力的常用措施，从而加深学生对土压力理论公式的理解。随后引导学生自己去思考当前这些工程措施的优缺点，有没有更合适的改进方法。这样利用工程实际组织教学，无疑对培养学生的实践能力和创新意识起到了积极的作用。

4.与时俱进，关注土力学的发展前沿

随着经济与科学技术的飞速发展，土木工程规模越来越大，对地基的承载力和变形、挡土墙背土压力等课题提出了更高的要求，人们在工程建设中也面临越来越多的问题需要去解决。而土力学重大的工程中问题的解决往往涉及学术上的创新，是非常好的教学素材和资源。在教学中应结合实际工程结构型式、新工艺、新处理方法、新施工方法、新仪器等，与课程理论相联系，针对具体问题分析得出的规律，避免纸上谈兵。如：在介绍真空预压法加固软土地基这一工艺时，告诉学生其涉及固结、沉降理论，引导学生去思考其工艺原理。又如：对于地基的变形，在教材中介绍的分层总和法和规范法都只考虑了土体的竖向变形（即沉降），忽略了土体的侧向变形。在建筑物规模较小、建筑物高度不高的情况下，这种简化带来的误差很小。但如今随着建筑技术的飞速发展，建筑物呈多样化、大型化发展的态势，涉及的地基问题也越来越复杂，在这种情况下如果设计计算时不考虑土体的侧向变形，将会带来较大的误差，从而影响到建筑物的安全。因此，在介绍土体变形相关知识时，可结合当前高层建筑和深基坑工程中涉及的土力学问题及具体工程措施进行讲解，从而提高学生的学习兴趣，加深对理论知识的认识和理解。

5.重视土力学的研究规律，强化创新能力培养

为了培养学生的创新能力，土力学教学不但要传授土力学知识，还要培养学生的创新思维能力，将重点放在土力学思维方法的传授和培养上，具体做法如下：

(1)启发学生运用归纳和类比思维方法

在教学过程中，启发学生运用归纳和类比的思维方法，比较新知识与已有知识的差异与联系，既有助于接受、理解和掌握新知识，又有利于培养学生的创新能力。对比分析包括理论方法对比，实验条件对比，理论适用情况对比对比等等。如：在介绍库仑土压力理论和朗肯土压力理论、直剪仪和三轴剪切仪等这些相近的知识点时引导学生进行类比，通过类比发现问题，从而进一步探寻内在的规律。

(2)发展学生的直觉思维能力和猜想能力

直觉思维是科学发现的一种重要思维方式，一些直觉推断和猜想常常是某些理论和实践创新的萌芽，因此，在土力学教学中，可以通过案例教学，引导学生猜想，培养学生的直觉思维能力和猜想能力。例如：e－logp曲线后半段是直线，前半段为什么不是？在这里作一设问，籍此引导学生思考取土所产生的应力扰动，以及应力扰动对土样e－logp曲线的影响。当然猜测必须合理，提出新理论必须有根有据。也即要求学生在试验结果或计算结果的基础上，利用已有的成熟理论，进行合乎逻辑的推理。

(3)突破思维定势，尝试运用逆向思维

在实际生活中，人们往往习惯于沿着事物发展的方向思考问题并寻求解决办法，但是，对于某些问题尤其是一些特殊问题，根据结论思考其成立的条件，往往能使问题简化。在教学过程中，可以根据教材内容，设计一些逆向思维的例子，既有助于学生掌握知识，又有助于培养学生的探索精神和逆向思维能力。比如，自重应力可分为总自重应力与有效自重应力，在介绍此知识点时让同学们思考为什么现在很多城市因过度抽取地下水出现了地面沉降这一现象，利用土力学知识，在现实生活中怎么解决这一问题。

三、结语

创新是民族进步的灵魂，是社会发展的动力。在土力学的教学中，要以数学和力学知识为工具，以培养学生创新思维能力为导向，把创新意识和创新能力的培养融入土力学课程教学的全过程，同时，要转变观念，在教学中从多方面培养学生的思维能力，激励学生创新，充分挖掘学生学习潜能，培养符合时代要求的、具创新精神和创新能力的高素质人才。

[1]黎春林.应用型本科院校土力学实验教学方法探索[J].铜陵学院学报，2014，13（1）：115-117.

[2]毕庆涛，胡金虎，黄志全.土力学教学中几组关系的辨析[J].华北水利水电学院学报（社科版），2011，27（4）：1213-1214.

[3]岳中琦，徐前.现今斜坡工程安全设计理论的根本缺陷与灾难后果[J].岩土工程学报，2014，36(9)：1601-1606.

[4]李广信.关于土力学理论发展的一些看法——兼与杨光华同志商榷[J].岩土工程学报，1991，13(5)：92-98.