基于工程实例的土力学课程教学方法探讨

尹平保+柳厚祥+张军+贺炜

【摘 要】目前土力学教学过程中尚存在重理论轻实践的问题。针对该问题结合土力学课程教学的特点，提出了基于工程实例的土力学课程教学方法，即结合实际工程中的典型案例来讲授理论知识和专业，通过教师和学生的亲情式合作和互动，引导学生发现问题、思考问题，并提高其利用理论和专业知识解决工程实际问题的能力。

【关键词】土力学；工程实例；教学方法

0 引言

土力学（Soil mechanics）是一门研究土的物理力学性质、基本原理与方法的学科，它是土木、水利、交通等工科专业本、专科生必修的一门专业性基础课。其研究对象是地球浅表可供人类改造的天然土体[1-3]。土力学最早是由美籍奥地利土力学家太沙基在上世纪20年代提出来的。太沙基在1923年发表了渗透固结理论，第一次科学地研究了土体固结过程，并提出有效应力原理；在1925年发表了世界上第一本土力学专著——《Erdbaumechanik》其被公认为是土力学做为一门独立学科形成的标志。现代土力学主要是在大量理论推导、试验探索以及工程实践的基础上逐渐发展和形成的一门理论性和应用性均较强的专业基础学科。现代土力学的主要特点是以基础理论知识为主，从而为土木、水利、交通等工科专业本、专科生后续专业课程学习奠定理论基础。然而，在土力学教学过程中，很多教师往往是按部就班传授理论知识，很少讲授与工程实例有关的专业知识，也就很难激发学生的学习兴趣，造成教学效果很不乐观。因此，很有必要根据土力学教学过程中面临的一些问题，针对性地改变教学方式，如：适当增加工程案例，将抽象的理论问题转化成更加形象的工程实际问题，以期提高学生的学习热情以及解决实际问题的能力。

1 土力学教学面临的问题

实验和实践教学是土木工程人才培养中一个至关重要的环节，也是最能反映学生综合素质和动手能力的一个重要评价指标。然而，自20世纪末到21世纪初以来，我国高等院校持续扩招，在校学生数量大幅增长，实验和实践教学质量出现严重滑坡，原有的教学模式已经很难适应新型的教学环境。尤其是重理论轻实践的教学模式，给教风和学风造成了非常严重的恶性循环。其原因在于实验和实践教学流于形式，教师监管缺位，学生逃避、应付现象经常发生[4-5]。

据不完全统计，国内开设土力学课程的高校，大多数学时安排为：总学时约40～48个，其中理论学时32～40个，实验实践学时8个，理论与实验实践课时比为4：1～5：1。近年来，笔者所在教学团队主要根据袁聚云教授（以前由高大钊教授）主编的《土质学与土力学》[3]来安排理论课，如表1所示。从表1可以看出，虽然说理论课总共32个学时的安排勉强可以将理论知识点全部讲完，但是从学生们的课堂反应来看，实际上很多知识点还是掌握得不够牢固。

众所周知土力学是一门实验性非常强的课程。但实验实践只安排8个学时，显然不够。目前土力学教学大纲要求的基本实验有：筛分及颗粒分析实验（2学时）、黏性土的塑液限实验（2学时）、压缩实验（2学时）、直剪实验（2学时）。尚有土的渗透实验、击实试验、三轴试验等实验，往往因为开设条件不够等原因，仅提供演示实验，甚至根本就不开设。根据笔者的调查发现，即使是已开设的实验实践课，效果也很不理想[2]。其主要原因是：同组人数多、实验时间短、试验仪器问题多等。

综上所述，目前土力学教学过程中，仍然存在重理论教学轻实验实践的普遍问题。另外，由于办学模式及专业特色各异，每个学校在专业设置、人才培养及教学人员配置等方面也存在很多问题。这些问题的存在，将直接给学生带入“学无所用”的一个误区，从而进一步降低了学习热情和兴趣、甚至是厌学。

2 基于工程实例的土力学教学方法

开展基于工程实例的土力学教学方法，其指导思想是：以工程实例带动理论教学，即以实际工程中的典型案例为引，以理论知识专业为线，结合工程背景来讲授理论知识，通过教师和学生的亲情式合作和示范，引导学生思考问题，并利用理论知识解决工程实际问题[4-6]。以下主要以地基沉降计算为例，介绍如何基于工程实例开展土力学课程教学。

2.1 典型工程实例选择

通常情况下，工程案例应该来源于实际工程，并应选择具有一定影响力的典型工程反例（失败的例子）比较容易给学生留下深刻印象。例如，地基不均匀沉降造成我国苏州虎丘塔和意大利比萨斜塔发生严重偏斜[3]，如图1所示。苏州虎丘塔：建于公元961年，全塔总共7层，高47.5m。1980年6月对虎丘塔现场进行勘察，发现全塔向东北方向严重倾斜，塔顶离中心线达2.31m，底层塔身发生裂缝（塔身东北方向为垂直裂缝，塔身西南方向为水平裂缝）。意大利比萨斜塔（Leaning Tower of Pisa）：自1173年8月开工到1372年完工，建造时间约200年。全塔共8层，塔高55m，1174年首次发现倾斜，倾斜角度3.99度，塔基偏离地基外沿2.5m，塔顶偏离中心线4.5m。

工程实例教学的目的是通过对案例的分析、对比、质疑和思考，引导学生将理论与实践有机结合。因此，在选择工程实例时，还应该注意案例真实性、典型性、时效性以及完整性。一个比较典型的工程案例应该具备：背景信息完整、工程措施具体、选取案例典型、工后效果明确、工程时效显著、信息档案完整。只有这样才能较好地构建理论知识与工程实践之间的桥梁。才能使学生更有效地掌握讲授的知识点，也才能提高学生解决实际工程问题能力。

2.2 工程实例讲述与分析

工程实例讲述时，要结合工程背景，明确提出工程实际问题，再通过师生互动和交流，挖掘更多的潜在信息，从而完成工程案例及专业术语知识的传授与解释。例如：可以通過PPT将虎丘塔或比萨斜塔的建造历史、工程地质剖面图以及不均匀沉降导致的问题展现给学生。工程实例分析时，首先教师提问让学生结合土的三相比例指标、土的分类、土体压缩性、有效应力原理以及固结理论等知识，思考虎丘塔或比萨斜塔发生倾斜的原因。并要求分组思考以上问题，小组讨论结束后，请各组代表发言。教师根据发言情况，适当进行补充和评价，并将形成地基沉降问题的主要知识结构和讨论思路以框图的形式在黑板上绘制，最后利用分层总和法计算虎丘塔或比萨斜塔地基的工后沉降。还可以让学生课后思考如果不对其进行处治，预测虎丘塔和比萨斜塔在50和100年后的地基沉降及塔身偏斜情况。

在案例讲述与分析时，还要注意相关理论知识点的迁移和实际工程的移植，并围绕课程教学目标，实现理论知识和专业知识的有效结合。从而促使学生在工程案例讲述与分析过程中发掘理论知识和工程应用之间的切合点，并积累经验实现迁移。

2.3 问题解决方法与措施

如何引导学生利用理论知识和专业知识来解决实际工程问题，对教师来说，首先需要创造一个良好的课堂气氛，鼓励学生敢于利用现有的知识去解决实际工程问题，并不断培养这种意识和知识创新能力，从而营造一个教学相长的课堂环境。其次，主讲教师还要精心设计工程实例教学结构，艺术地展现虎丘塔或比萨斜塔地基不均匀沉降产生原因以及沉降计算过程，进而创造一个开放式的讨论环节，让学生可以畅所欲言发表自己的见解及解决办法。以此引导学生发散思维，提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。最后，展示实际工程中是如何解决该问题的，可以结合实际工程当时情况，一起讨论为何比萨斜塔最终采用“地基应力解除法”，即在斜塔倾斜的反方向（北侧）塔基下面掏土，利用地基的沉降，使塔体的重心后移，从而减小倾斜度。而虎丘塔则分两期进行处理：一期工程采用桩排式地下连续墙稳定塔周地基，二期工程采用钻孔注浆+树根桩加固塔基。并让学生课后思考采用所学知识解决上述问题。

在解决问题的教学环节中，教师既要传递课程理论知识和相应的专业知识，还要传授实际工程问题解决思路、思维方法，并且正确处理好教师主导作用和学生主体地位的关系，从而最终实现教师“引导”和学生“研讨”的有机结合。

3 结语

基于工程实例的土力学课程教学方法，可充分挖掘教师和学生之间的互动潜能，让课堂教学不再是一言堂，让学生不再是沉默的被动接受者。其可以激发每一位学生的主观能动性，调动其学习内驱力，促使其产生学习兴趣。希望借助改方法，能够让每位学生成为土力学课程教学过程中会思考、有乐趣和善创新的绝对主体。

【参考文献】

[1]贺瑞霞，张国强.土力学课程特点及其教学方法的探讨[J].高等建筑教育，2007，16（2）：92-94.

[2]尹平保，张军.土力学教学现状及改革措施探讨[J].科技视界，2016（25）：185-185.

[3]袁聚云，钱建国，张宏鸣，等.土质学与土力学（第四版）[M].人民交通出版社，2013.

[4]夏雄，先礼琼，王小平，等.案例教学法在土力学课程教学中的实践与思考[J].高等建筑教育，2013，22（6）：56-59.

[5]周德泉，付宏渊，王桂尧，等.突出工程能力与创新意識培养的岩土工程课程群建设实践[J].中国地质教育，2013，21（4）：70-73.

[6]费康，许朝阳.研究性学习在土力学教学中的应用[J].高等建筑教育，2011，20（4）：108-111.

[责任编辑：朱丽娜]