土木工程专业学生实践与创新能力的培养——以土的渗透特性综合性试验教学为例

土木工程专业学生实践与创新能力的培养——以土的渗透特性综合性试验教学为例

何俊，陶高梁，庄心善

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430068）

摘要：土工试验是提高土木工程专业学生实践与创新能力的重要教学环节。针对传统教学模式存在的内容分散、指导教师不足和学生积极性差等特点，提出了新型教学模式的改革设想，即在土工试验必修课中设置常规指标测试和综合性试验、集中开展试验的方式。以土的渗透特性综合性试验教学为例，阐述了综合性试验的实施措施。采用综合性试验教学方式，可发挥学生的主动性，增强对土力学概念的整体认识，起到培养实践与创新能力的作用。

关键词：实践与创新能力；教学模式；综合性试验

一、引言

2006年以来，“加强自主创新、建设创新型国家”已成为中国社会主义现代化建设的国家战略，对培养高水平创新人才提出了更高的要求。随着土木工程建设的发展，企事业单位对土木工程专业毕业生的要求也越来越高，不仅要求毕业生有扎实的理论知识，更要求有较强的动手能力和创新能力。同时，实践与创新能力的培养对于学生的继续深造也意义深远。如何培养学生的实践与创新能力，成为高校迫切需要解决的问题。

土力学是土木工程、水利水电工程、交通工程、港口工程、环境和矿山等工程门类中非常重要的技术基础课。[1]土工试验是土力学中的基本内容，是工程实践中不可缺少的一部分。[2]在土力学教学过程中，重视土工试验教学，是增强学生理解和掌握理论知识、提高学生实践与创新能力的重要手段。

然而，传统的土工试验教学形式难以适应社会对人才培养的要求。很多学者提出“综合性试验”模式[3-6]的设想，但如何提高效果、真正达到预期目标却还有待于深入研究。本文首先简要分析传统土工试验教学模式的特点，在此基础上提出土工试验新型教学模式，并以土力学中一个综合性试验项目-土的渗透特性综合性试验为例，探讨其实施措施，努力为学生营造开拓和创新的实验氛围，扩大学生独立思考和探索的空间。

二、传统教学模式的特点

传统的土工试验采用分散教学的方法，一般分散在理论教学过程中，内容主要包括密度、含水率、液塑限、固结、直剪试验等，一般为8个学时。传统教学模式主要特点有：

（一）内容有限且分散

除清华大学、同济大学等高校开设自选实验和演示现场测试实验外，一般高校只开设以上必选试验项目，内容有限且分散。传统的教学模式属于“灌输式”教学，强调教会学生各个指标的测定方法，而分散的教学模式割裂了各个指标之间的联系，不利于学生对基本概念的理解；传统模式过于注重“是什么”和“怎么做”，忽略了“为什么”的引导，缺乏对指标的物理意义、作用等方面的分析和总结，没有给学生发挥创造性的空间。

（二）实验指导教师不足

由于学生人数较多，而实验指导教师有限，一般每个指导教师同时指导30名左右的学生完成试验。有的学校要求理论授课老师参与到实验教学中，但指导教师仍相对不足，教学效果得不到保障。

（三）学生参与积极性差

传统的教学模式中，土工试验只是土力学课程的一部分，学生对土工试验的重视程度严重不足，很多学生并没有亲自动手操作；试验完成后只是按照老师教的方法完成试验报告，没有总结和思考。从实验准备、实施到分析总结，学生的主动性和积极性都没有得到发挥。因此，这样的土工试验仅仅只是完成任务，无法达到预期的巩固理论知识、锻炼动手能力的效果，更不用说实践与创新能力的培养。

三、新型教学模式

针对以上传统土工试验教学模式的特点，提出以下教学模式。

（一）将土工试验作为单独必修课

改变传统土工试验为土力学课程组成部分的现状，将土工试验设置为单独的必修课，以此增强学生对土工试验的重视程度。必修课分为两部分，即常规指标测试和综合性试验。

常规指标即前述必选试验，采用视频演示和实验室内操作等相结合的方式，让学生熟悉各常规指标的测试方法。实验室内操作时，将学生分为5个一组，每组配至少1名老师或研究生指导。

土的渗透特性、强度特性、变形特性并称为土的三大特性。将三大特性分解为若干个专题，形成综合性试验。土木工程相关专业的科研项目一般都以土力学为基础，因此这些专题还可结合教师的科研项目进行设置，让教师和所指导的研究生都参与到土工试验教学中来，以此增强土工试验教学师资。将研究生作为土工试验辅助教师，还可对锻炼研究生的综合素质起到积极作用。还可将大的综合性试验分解为若干个子题，供学生选择。

（二）集中时间开展综合性试验

为避免土工试验分散的不利影响，采用集中时间开展综合性试验的方法。每个班以3周为一个周期错开开课，以免造

成设备和人员紧张的现象。在一个周期内，集中在上午、下午或晚上的时间开展试验。将一个班分为若干组，每组5人左右，每组选定一个子题。

综合性试验周期分为三个阶段完成工作：第一段3～4天为试验准备阶段，主要任务是小组选定子题并初步确定试验方案；第二段10天左右为试验实施阶段，包括完善试验方案、按照试验方案开展试验；第三段7天左右为试验结果分析阶段，主要任务是将试验成果总结为试验报告，并汇报展示。

（三）注重研究成果的整理

针对每个周期结束时的各小组的汇报情况和指导老师的意见与建议，每组对试验结果进一步分析，对试验报告进行完善。学期结束时，将所有学习土工试验课程的小组集中在一起再次汇报，根据研究成果和汇报情况集体评分。

将专题试验周期内的成绩作为平时成绩，将学期末集中汇报的成绩作为期末成绩。按平时成绩和期末成绩给出总评成绩。

（四）后期实践活动

除了土工试验实践环节以外，学生大四下学期还设有毕业设计环节。另外，很多高校还设置有大学生科研项目等活动，鼓励学生参加开展科学研究。这些活动都是土工试验教学环节的有益补充。通过土工试验课程中综合性试验的学习，学生能够初步具备一定的科研能力，为毕业设计和其他科研活动打下了良好的基础。同时，教师在指导综合性试验的过程中，还可发掘表现优秀、有潜质的学生，在毕业设计和其他科研活动中加强指导，进一步提高学生的实践和创新能力。

以湖北工业大学为例，我校开展了大学生科研基金项目、“凌云计划”项目等，鼓励大学生参与课外学术科技活动。单“凌云计划“项目，全校每年就有400多名学生参与到老师的科研项目中。在土工实验课程中，通过综合性试验的完成，可增强学生和老师之间学术上的了解。在后期毕业设计和科研活动等实践时，老师可以根据学生的特点进行针对性地指导，而学生在后期实践活动选题时方向性也会更加明确。

四、以“土的渗透特性”综合性试验为例

（一）子题设定

假设一个班30人，初步指定3大组分别进行土的强度、变形和渗透三大综合性试验专题，每个综合性试验专题大约有10人参加。首先将所有学生集中，讲解三大试验专题的主要内容；然后划分小组，针对某一专题讲解子题的主要内容。

渗透特性是土体非常重要的工程性质，渗透系数的影响因素包括土粒特性（粒径大小及级配、孔隙比、矿物成分、结构构造）和流体特性（水的动力粘滞系数，饱和度）等。结合笔者的国家自然科学基金项目“渗滤液与土相互作用机理及裂隙衬垫材料防渗性能研究”和“固结过程非饱和黏性土孔隙结构演化规律及其对水力特性影响机制”等，设置“土的渗透特性”综合性试验专题。根据渗透系数的影响因素，该综合性试验专题下设“矿物成分对黏土渗透性的影响”、“土样含水率及干密度对黏土渗透性的影响”、“流体特性对黏土渗透性的影响”和“非饱和黏性土渗透性”等子题。将专题、子题及相应的试验任务书告知学生，供学生选择。

（二）试验准备

试验准备阶段的主要任务是小组选定子课题并初步确定试验方案。将渗透特性综合性试验专题的学生分为若干小组，分别完成该专题下的子题。学生完成选题后，首要的任务是让学生弄清楚相关概念，并布置初步确定试验方案的任务。

为弄清楚渗透特性相关的基本概念，采用提问的方法。例如：什么是土的渗透系数？为什么要研究土的渗透系数？渗透性能与变形和强度有什么关系？如何得到土的渗透系数？各种渗透系数测量方法有什么优缺点？同时，鼓励学生自己提问，发挥学生的主观能动性。

提出问题并布置任务后，要求学生自己寻找答案、确定试验方案。给学生详细讲解查阅文献及相关规范的方法，以及确定试验方案的方法。

（三）试验实施

完善学生给出的初步试验方案，指导学生制定详细的试验方案。要求学生遵循《土工试验规程》等规范的规定，严格操作，完成试验。

以“矿物成分对黏土渗透性的影响”子题为例，要完成这个子题，学生需要开展的试验主要有：击实试验、含水率和干密度测试、变水头渗透试验等。每一种试验都有老师或研究生指导，随时答疑。

（四）试验结果分析

要求学生按照规范的方法及时整理试验数据，分析实验结果出现的问题。

对于“矿物成分对黏土渗透性的影响”子题，要求学生给出矿物成分与黏土渗透性的定量关系，并能初步分析渗透性变化规律的机理。还可以给出引申分析的主题，如基于试验结果进一步分析“如何利用黏土的低渗透性进行防渗”等，进一步引导学生思考。

最后，将分析和讨论得到的结果整理成完整的研究报告，并做出PPT展示。

五、教学效果

通过综合性试验的实施，最大的优势是发挥学生的主动性，让学生对土力学知识形成整体、感性的认识，起到培养实践能力和创新能力的作用。仍以“矿物成分对黏土渗透性的影响”子题为例，采用在天然黏土中掺入膨润土等方法改变黏土的粒度组成和矿物成分，可让学生加深理解粒度组成、矿物成分等概念，以及颗分和液塑限等相关试验方法；试验土样属于重塑土，渗透试验制样时要控制土样的含水率和干密度，可让学生熟悉含水率和干密度的概念及测量方法，以及最优含水率、最大干密度的概念及击实试验方法；渗透试验时土样需要饱和，可让学生熟悉土样饱和方法，以及饱和度的概念和计算方法；黏土渗透试验采用变水头试验方法，可让学生学习变水头试验原理和试验方法；渗透试验完成后，要得到渗透系数与矿物成分的定量关系，可让学生学习数据分析方法等等。因此，一个子题试验的实施不是得到无联系的独立指标，而是一个相互关联的指标体系；能够让学生分析实验现象，发现问题、解决问题，提升学生学习兴趣。

以上土工试验教学模式只是初步的改革设想。目前，笔者基于湖北工业大学大学生科研基金项目、“凌云计划”项目等，提出“垃圾渗滤液对黏土力学性质的影响”综合性试验专题，指导土木工程与建筑学院11交通1班的5名学生完成了该试验项目。学生利用一个多月的课余时间，在老师与研究生的

（注：本文系湖北工业大学2014年校级教学研究项目“基于独立思考能力培养的土工试验教学改革研究”（无项目编号）的阶段性成果）

参考文献：

[1]李广信，吕禾，张建红.土力学课程中的实践教学[J].实验技术与管理，2006，23（12）：13-14.

[2]李广信.高等土力学[M].北京：清华大学出版社，2004.

[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]刘勇健，张丽娟，杨雪强，等.土力学综合性实验教学实践与探讨[J].广东工业大学学报（社会科学版），2010，10（增刊）：127-129.

[5]刁立福，李清民.综合性设计性实验若干关键问题探析[J].福建高教研究，2008，（3）：94-97.

[6]刘建新，张新华.综合性土力学实验教学模式的研究[J].实验室研究与探索，2005，（6）：65-67.