思维导图在土力学教学中的应用

孙茜 陆益军 许文宇 王晓妮

摘要：土力学课程是土木工程等工程类专业重要的专业基础课，具有基本概念多、知识点琐碎、内容庞杂、公式多等特点，学习难度较大。本文将思维导图引入土力学理论和试验教学中，有助于引导学生构建知识网络，实现自主学习。

关键词：思维导图；土力学；理论教学；试验教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）17-0191-02

一、引言

思维导图（Mind Maps）是英国学者Tony Buzan于20世纪70年代所创的一种有效的思维工具[1]。思维导图是一个从中心散发出来的自然结构，它利用色彩、线条、标记、词汇和图像，把一长串枯燥的信息变成彩色的、容易记忆的、有高度组织的图，是一种与我们大脑处理事务的自然方式相互吻合的思维工具。思维导图能够依据全脑的概念，按照大脑自身的规律进行思考，全面调动左脑的逻辑、顺序、语言、数字以及右脑的图像、颜色、空间和想象，使大脑潜能得到充分的开发，不但能促进思维的发散，而且能记录这一思维发散过程。[2]

土力学课程是土木工程、交通工程、给排水工程、地质工程等专业必修的专业基础课之一，也是后续基础工程、地基处理、基坑工程等专业课程的重要基础。本科阶段所涉及的经典土力学部分（1925—1963年）大多基于经验、试验结果而建立，各知识点之间缺乏统一的理论基础，使得土力学课程具有基本概念多、知识点琐碎、内容庞杂、公式多等特点。而土力学跟一些先导力学课程，如理论力学、材料力學、结构力学等的课程体系、学习方法差别很大，使得学生很难适应，从而造成了一定的学习困难。

将思维导图引入土力学理论和试验教学中，其优点在于：（1）思维导图以丰富的图像组织教学内容，实现了左右脑的配合，使大脑潜能得到充分开发，图文结合的形式相对于文字更容易吸引学生的注意力。（2）思维导图从中心一级分支出发，发散到二级分支，进而逐步发散到下级分支，有利于厘清知识网络，将离散的知识点进行系统的组织、归纳，从整体上把握知识，不会迷失在局部，从而克服了由于土力学知识点琐碎导致的学习障碍。（3）学生通过绘制思维导图，从一个中心关键词出发，主动建构知识网络，激发了发散性思维，实现了自主学习，而且提高了学习兴趣。

二、思维导图在土力学理论教学中的应用

（一）教师利用思维导图引导学生构建知识网络

学习土力学绪论时，教师可以将土力学课程的所有知识点融入一张整体思维导图中，通过这张思维导图介绍课程的知识网络和主要内容。课后小结部分，教师可以通过思维导图将一节课的内容串联到一起，形成小的知识网络，并展示其在整体思维导图中的位置。

土力学的主要内容围绕土的三大力学特性展开，即渗透特性、变形特性和强度特性。土的三大力学特性构成了土力学课程的主要内容，也是土力学在挡土结构物、边坡稳定性分析和地基承载力等方面应用的重要基础。土的三大力学特性涉及的概念多、公式多、方法多，学习难度较大。图1是土的三大力学特性思维导图，展示了土的力学特性包括的主要内容以及知识点之间的联系，学生可以快速了解知识体系。其中星号表示是重点内容。以渗透特性为例，渗透特性包括了达西渗透定律、渗透系数的测定、拉普拉斯方程、渗透稳定性、静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力五个主要部分。渗透系数是衡量土的透水性大小的重要参数，渗透系数的测定分为室内试验和现场试验两类，室内测定渗透系数的方法分为常水头法和变水头法两种，透水性强的无粘性土适用于常水头法，透水性弱的粘性土适用变水头法。室内渗透试验数据的处理基于达西定律，达西定律是描述水在土中渗透的基本定律。拉普拉斯方程是描述稳定渗流的基本方程式，满足拉普拉斯方程的将是两组彼此正交的曲线，即等势线和流线，而等势线和流线交织在一起形成的网格叫做流网，因此满足边界条件的流网即为拉普拉斯方程的解答。渗透稳定性包括了渗流力的计算和渗透变形的形式（流土、管涌）。在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力部分包括的重要知识点如下：太沙基首先提出的有效应力原理，根据有效应力原理，可以计算静水及有渗流（向上渗流、向下渗流）的情况下，孔隙水应力和有效应力的值，流网是确定孔隙水应力和有效应力的重要工具。

（二）学生利用思维导图实现自主学习

学生绘制思维导图可以采用手绘，也可以使用思维导图软件，如Mind Manager、Mind Master、X mind、Free Mind等。多彩的颜色、直观的图像可以刺激大脑皮层，激发右脑的功能。学生可以应用颜色的变化表示不同的类别，用醒目的颜色表示主要分支，增加图片、标志使图像更丰富，从而增强知识的记忆。

课堂学习开始前，学生可以通过绘制思维导图的方式自主预习章节的内容。每章内容结束后，可以让学生独立画出整章的思维导图。思维导图的每一个分支上有一个关键词，而不是短语或句子，这就需要学生提取知识点的关键信息，这是一个将书本“从厚到薄”的过程，然后从某个知识点出发，层层深入，串联起整个知识网络，这是“从薄到厚”的过程。在这个过程中，学生需要考虑到知识点的相互联系，而不是“只见树木，不见森林”。学生对知识的主动探索、主动发现和主动建构，改变了传统的单向传输式教学，在学习知识的同时，培养学生独立思考的能力和发散性思维。

三、思维导图在土力学实践教学中的应用

土力学是一门注重试验的课程，很多重要公式、理论都是通过大量试验而建立的。因此，土力学试验是土力学教学必不可少的环节。在多年教学过程中发现，不少学生对试验采取应付的态度，课前不预习，课后对试验的理解仅停留在试验的某个操作环节上，不能把试验的原理弄明白。有些学生尽管进行了课前预习，但是对复杂的步骤和操作很难理清思路，只是按照试验指导书的步骤做了一遍，学生不明白为什么这样做，更不能把握该试验在土力学课程体系中的地位和作用。试验做完后，留在大部分学生脑中的印象只是部分操作，不能达到教师预期的教学目标。

针对以上问题，教师可以要求学生课前绘制一幅思维导图，图2是直剪试验的思维导图示例。图2所示为试验原理、试验步骤以及数据处理等基本信息。除此之外，学生也可以把自己联想到的相关信息加入思维导图中，教师应鼓励学生发散思维，加入的信息越多越好。通过这个过程，学生可以从土的直剪试验这个关键词出发，构建相关的知识体系，将习得的零散的知识点连成一张网，从而加深对直剪试验的理解。针对课外拓展环节，可以设计土力学综合性试验题目，将学生分成若干研究小组，指导学生利用思维导图查找文献资料、整理思路、设计试验。

四、结语

利用思维导图进行土力学课程的理论和试验教学，可以帮助学生厘清知识点之间的联系，建构清晰的知识网络。引导学生绘制思维导图，帮助学生激发发散性思维，实现自主学习。

参考文献：

[1]闫守轩.思维导图：优化课堂教学的新路径[J].教育科学，2016，32（3）：24-28.

[2]刘钢，张英，李娅，等.浅谈土力学教学的几点体会[J].教育教学论坛，2015，（22）：195-196.