基于室内工程模型案例的土力学实验教学模式研究

刘小文　耿小牧

摘要：本文针对目前土力学实验教学中实验目的不明确、创新实验少、学生创新能力难以发挥的现实，提出将实际工程用室内模型再现，通过将室内模型提炼出工程问题，编写出解决问题所需的实验方案，再按实验方案完成土力学实验教学任务。该实验教学模式可以培养学生的思维和创新能力，也能调动学生对实验过程的参与性和主动性。

关键词：室内模型；工程问题；实验方案；教学模式

中图分类号：TU43 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）03-0261-02

土力学是一门重要的专业技术课，具有理论性、实践性强的特点。在学习过程中要求学生掌握土力学基本原理，能够分析土的特性，计算地基变形、承载力、土压力等基本方法和规范要求，能够解决有关工程实际问题；但土力学的一些基本原理及理论，如达西定律、抗剪强度理论等大都是通过试验建立的。所以，实验教学是土力学教学的重要组成部分。通过实验环节，可以增强学生的感性认识、动手能力、巩固所学的理论知识，了解土力学相关指标参数测试的基本原理和技能，同时还可以增强学生思考问题、解决问题的能力。但长期以来，土力学实验教学内容主要以验证型实验为主，学生按照实验教师拟定的实验步骤执行；这种实验教学方法存在诸多不足，如学生对实验过程中的一些现象、问题不会主动思考，对实验的目的也不太明确具体，实验完成后学生对概念原理理解也不透，非常容易忘记；这种实验教学方式也很难发挥学生的主观能动性，不能激发学生的学习兴趣及热情。因此，对土力学实验教学方式进行改革创新，以提高学生的学习兴趣、培养创新能力是实验教学改革的重要任务。

一、土力学实验教学现状

岩土工程问题主要与岩土性质有很大关系。而土力学实验就是要获得岩土的物理力学性质。所以如果能将岩土物理力学性质与岩土工程问题联系起来，对增强学生的感性认识有很多益处。但目前土力学实验教学还很单一，学生积极性不太高，目标也不明确，教学往往没有得到预期的效果。主要存在的问题。

1.实验目的性不强。从我校讲，土力学课程安排的实验项目主要有6个，分别含水率、密度、液塑限、固结、直剪及渗透实验，共计8～10个学时。实验教学还是按照传统的教学模式将实验安排在课内进行，随课程进度分别安排相应的实验。实验顺序一般按密度、含水率、液塑限、渗透、固结及直剪进行。前面的实验一般要等后面内容讲了后才能了解其实验目的，学生在实验中对其工程意义不太明确。所以，目前的实验教学中学生还是按照实验教学指导书的步骤进行，实验完成后其结果正确与否学生缺乏正确判断，学生的学习兴趣也不高，也不利于其对土力学的基本概念及原理的掌握。这种脱离工程背景、对实验指标在工程中应用的作用缺乏了解的实验教学，无法发挥学生的主观能动性，也不能很好地培养学生的工程能力。

2.实验以单个验证性为主，缺乏项目之间相互联系，知识掌握不牢。目前开设的试验大多以单个的独立试验为主，各个试验之间相互独立，而反映土的物理力学性质的综合性试验较少。如密度试验、含水率试验，其试验结果就可以反映土的抗剪强度及压缩性的大小，但由于试验是独立完成，学生对影响抗剪强度及压缩性的因素就不太理解。如果能够在一个项目中把这些指标全部完成，更能够反映学生综合运用知识的能力。

3.学生主动学习热情不高。由于实验项目设置、教学方法比较单调，学生的学习热情不高。随着各高校对本科教学实验环节的重视，各高校也对土力学实验教学进行了探讨，如实验设置及教学中加强了实验教学设计性、综合性实验的比重；开展了创新性实验的探索；采用阶段式、多媒体教学等多种手段及方法。但上述教学改革均未突破现有传统填鸭式教学的观念，不能使学生主动学习知识。因此，如何真正形成设计性、综合性乃至创新性的实验内容，让学生从发现问题、解决问题的角度去找实验项目，真正参与到实验项目中，目前仍然是困惑实验教师和教学管理者的难题。

二、室内工程模型案例的土力学实验教学

1.室内工程模型案例的土力学实验教学必要性。为了改变目前的教学现状，有些学校开展了“结合实际工程课题组织实验教学”的改革尝试，让学生直接参与课题或者实际工程实验，取得了较好的效果，学生积极性很高，通过实验培养了学生良好的工程意识、加深对理论理解。采用实际工程课题直接作为实验课程效果好，但前提条件是在实验课程的时间段内恰好有满足需要的工程课题，且工程课题的实验环节还必须满足课程教学大纲与实验大纲的要求，这限制了该方法的推广。因此，将现场的实际工程概化为室内模型，以室内工程模型案例开展土力学实验，通过对室内模型案例提炼，编制基于工程问题的实验课题目录，学生通过完成工程问题自主完成相关实验任务。此方法既吸收了采用实际工程案例直接做实验的优点，又在一定程度上改善了直接采用实际课题或者现场实际工程开展实验对工程课题任务合同的依赖性。

2.室内模型案例制作。挡土墙、边坡、地基及基坑支护工程在工程中最常见。可以制作模型箱，在箱内填土完成室内模型案例。模型箱尺寸（长×宽×高）为75cm×50cm×50cm，由1个底板和3个固定立面板构成，底板与立面板以及立面板之间用铁钉钉牢。第4个立面板是可移动板。该模型箱内可以填砂，也可以填筑土。如果加立面板，就成为挡土墙模型；在填土面加荷载，就成为地基承载力模型；不加立面板，就成为边坡模型。

3.模型案例实验教学——以挡土墙模型为例。案例模型应凝练出工程问题，学生在解答工程问题的过程中需要完成一定的实验，否则问题就不能得到解决。凝练出的工程问题应该包括土力学实验中需要进行的常规性实验，如密度、含水率、液塑限、固结、直剪等。还可以凝练出其他具有一定创新性的实验项目。以挡土墙模型进行土力学实验教学为例。挡土墙模型凝练的工程问题为挡土墙上的土压力。要求学生利用挡土墙模型计算出作用在挡土墙上的土压力，并将结果与实测的结果进行对比。学生根据课题模型要求，编写实验方案及实验步骤。学生要进行墙后土压力的计算，就必须得到填筑土的密度及含水率，还必须进行抗剪强度实验，只有得到这些指标才能计算墙后的土压力。还可以把计算的土压力与测量的结果进行对比，找出计算值与测量值的误差，通过测量的土压力，还可以得到土压力沿墙高的分布规律。如果计算土压力较大，还可以要求学生采取措施，让学生主动去学习、去找答案，反过来还可以提高理论水平。要减小墙后的土压力，同学们还可以想出一些办法，所以，设置一些问题，同学们通过完成问题就必须进行相关实验。在工程实践中去完成实验，带着问题去实验，同学们的学习热情、学习目的及创新能力可以得到大大的提高。加筋材料在挡土墙中应用也很广泛。在实验中还可以给同学们一些牛皮纸作为加筋材料，将加筋材料放入土中，并且与面板连接。由于各人设置加筋方法不一样，导致挡土墙承载能力不一样。通过在墙顶施加荷载后挡墙是否倒塌判别加筋材料设置的优劣。实验中每组给相同数量的加筋材料（牛皮纸），最后看那个方案在墙顶施加荷载最大即该方案最优。所以，通过小组实验比赛，还可以调动学生的学习热情，更好发挥学生的主观能动性及创新能力。

4.挡土墙模型案例实验教学考核。传统的考核方法主要看实验报告完成情况，考核内容单一。模型案例教学考核通常是全过程的考核，包括实验方案的制定、实验设备选择、实验数据整理分析、实验报告的填写、实验误差分析，等等。最后还通过小组的比赛成绩综合确定实验的成绩。

5.模型案例教学对促进教学工作，提高教学质量的作用。①基于室内工程模型案例实验教学，可以促进学生的学习热情。传统实验教学方法的目的主要是向学生强行传授知识，老师是主角，学生被动学习，缺乏学习热情；而基于室内工程模型案例实验教学则从解决某一工程问题中发现实验项目，使学生在解决工程问题中完成实验项目，学生是主角，教师实际上更多地从讲台前站到了学生的背后。这既调动了学生的积极性，也可使学生有展示自己能力的机会。②基于室内工程模型案例实验教学，可以更好培养学生创新能力，促进素质教育和创新型人才培养。基于室内工程模型案例实验教学则更着眼于学生创造能力以及实际解决问题能力的发展，而不仅仅是获得那些固定的原理、规则。通过工程问题把握如何以更有效的方式获得知识。基于工程问题的实验教学把培养能力放在比获得知识更重要的位置，学生在学校获得的知识会随着时间的推移而过时，而针对实际情况学习的能力则能让学生终身受益。③基于室内工程模型案例实验教学，可以提高实验教学效果。基于室内工程模型案例实验教学，是对一个真实工程问题的室内缩小，这个情境中包含一定的思考题，并要求学生思考、分析、消化、吸收。学生完成相关问题后，也就掌握了相关的实验项目。④基于室内工程模型案例实验教学，可以促进教学管理制度的改革与创新。基于室内工程模型案例实验教学改革必然要求相关的教学管理制度与之相适应和配套。从考核管理而言，一方面要主动适应改革的需要，出台相关政策；另一方面需要对与改革相关制度进行改革，促进教学管理水平的提高，如更新管理理念，树立以教师和学生为中心的服务意识。

基于室内工程模型，学生根据工程模型独立设计实验方案，让学生在完成相关工程问题中去发现实验，然后自行设计实验实施方案，不仅培养了学生的思维和创新能力，更调动了他们在实验过程中的参与性和主动性，室内工程模型实验教学的研究对提高土力学实验教学效果意义巨大。

参考文献：

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