案例教学在土力学与地基基础课程中的应用探讨

张玉　李宝平　刘瑾　梁昕宇　丁潇

摘  要：《土力学与地基基础》是土木工程专业的一门专业基础课，理论性和实践性较强。针对西安工业大学人才培养要求和课程特点，在《土力学与地基基础》课程中开展案例式教学改革与研究。通过教学大纲修订、典型工程案例库建设、案例教学在课程中实施与教学效果评价，完整地构建了案例教学体系。教学实践表明，引入案例教学方法后，学生对理论的掌握和实践能力均得到了大幅提升，效果显著。

关键词：案例教学;土力学与地基基础;教学研究;西安工业大学

中图分类号：G642         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）01-0116-03

Abstract： Soil Mechanics and Foundations of Foundation is a professional basic course of civil engineering and it is strong theory and practice. According to the requirement fortalent training and curriculum characteristics of XI'AN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY， case-based teaching reform and research are carried out in the course of Soil Mechanics and Foundations of Foundation. Through the revision of teaching syllabus， the construction of the typical engineering case base， the implementation of case teaching in the curriculum and the evaluation of teaching effect， a complete case teaching system is constructed. The teaching practice shows that students' mastery of theory and practice ability have been greatly improved， and the effect is remarkableafter the introduction of case teaching method.

Keywords： case teaching; "Soil Mechanics and Foundations of Foundation"; teaching research; XI'AN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY

引言

為了不断提升人才培养质量，满足社会发展的需求，在宽口径专业课程改革过程培养计划过程中，不断加大和调整课程结构，使得各门课程的课时量不断被压缩，教学内容与课时之间的矛盾更加突出。《土力学与地基基础》这门课程来源于工程实践，所学理论是为了揭示产生工程问题的原因，解决实际的工程问题，与实际工程的联系十分密切。这门课程一般开设于大二的第二学期，学生尚未接触到相关的专业课程和实际工程，学生的工程经验基本为零，再加上课程课时量偏少，造成学生在学习过程中理解困难，对具体工程的实际情况模糊，更不能将所学理论与工程实际联系起来，从而导致对基本理论的掌握度较差，解决和分析实际工程问题的能力也就不能够提高。

案例教学法是为一种获得理论与实践有效结合的教学模式，案例式教学法要求教学中所用的案例需具有真实可信、客观生动、多样性及典型性等特点。借助于案例教学模式组织课堂教学，可以在一个案例中既展现工程场景，又实现多角度启发，引导学生将所学理论有效解决工程问题，实现对专业基础知识的理解和掌握。基于以上考虑，在广泛收集工程案例的基础上，开展案例式教学改革与研究，将学生置身于真实具体的工程现场，改变以教师和教材为中心的传统教学方式，注重学生的主体性和学习的启发性。通过引导学生分析和讨论工程案例，运用专业知识和创造性思维，解决实际工程问题，使学生的思维不断深化，让学生追本溯源，逐步积累，大大提高学生的学习积极性和学习效果，进而切实提高教学效果。首先，通过调研学习，并结合我校培养方案和教学大纲要求改进现有授课模式。根据《土力学与地基基础》课程章节之间的递进关系和土木工程实践的发展现状对课程内容进行相应的整合。其次，确定各案例所涉及的教学内容并规划教学环节。基于案例所要展示的核心知识点，匹配相应的工程现场录像、针对案例核心知识的工程现状、提出针对案例核心知识的工程问题、讲解案例核心知识的基本原理与典型工艺过程原理的演示、讨论并解决上述问题。再次，实现案例教学的实践。将案例教学理念与方法带入教学课堂，通过课堂案例的展示，进行案例深度剖析，带动学生参与互动探讨，提出解决工程问题的各种方案，并与实际采用方案进行比较判断，从而加深对理论知识的理解。最终，听取多方反馈意见，提高案例教学的实施效果，实现各知识点的案例教材及案例库建设。

一、土力学与地基基础课程特点剖析

《土力学与地基基础》是高等院校土木建筑有关专业的一门重要课程，属于专业基础必修课，以理论力学、材料力学、工程地质学、钢筋混凝土设计原理等相关课程知识为支撑，又为土木工程施工技术、岩土工程勘察、深基坑工程、地下结构设计等专业课的学习奠定了基础。该课程以岩石经风化后的颗粒堆积物土为研究对象，利用力学原理和土工试验技术来研究土的应力、应变、强度、稳定性和渗透等特性及其随时间变化规律的学科。源于社会生产力的发展，与工程实践密切相关。土的形成过程及其组成决定了土具有碎散性、三相性（固体颗粒、水、气）和天然性，导致其变形、强度和渗透特性的复杂性。因此，需应用连续介质力学的基本知识、描述碎散体特性的理论结合试验规律及工程实践经验来研究土的力学特性及于此有关的工程问题。课程以土的物理性质、土中应力计算为基础和先导;以土的渗透、变形和强度特性为核心理论;以挡墙上的土压力、土坡稳定、地基承载力和基础设计为工程应用，整个课程以理论推导和基本假定为前提，以摩尔-库伦强度准则和土体的极限平衡理论为主线，所涉及知识点多以基本理论、工程应用和实验技能相结合，学生理解和掌握难度较大。对于《土力学与地基基础》课程而言，针对其研究对象土体的复杂性而言，就要求在案例搜集中，要做到在内容上完整、典型、生动，在形式上多样、直观、易于展现与共享。将课程中的知识点与工程案例对应、结合，达到通过案例分析学习背景知识，掌握理论知识的能力。基于以上要求，进而开展《土力学与地基基础》课程教学过程中系统、全面的案例库建设及案例法教学研究。

二、基于“工程案例”教学的《土力学与地基基础》教学大纲改进

通过对已开展案例教学的土木工程专业院校进行广泛的调研与交流，在总结其案例教学实施流程及具体教学开展模式基础上，结合我校培养方案和教学大纲要求，针对我校本科生学习的特点和接受能力，将课题组以往的教学经验、工程实践经验与工程案例想结合，以多媒体为载体，改进现有授课模式，根据《土力学与地基基础》课程章节之间的递进关系和土木工程实践的发展现状，重新对课程内容进行梳理和整合。在实践环节保持学校学分要求的基础上，将挡土墙上的土压力、土坡稳定分析、地基承载力、天然地基上的浅基础、桩基础等章节的典型工程案例融入教学内容和教学环节，课程内容上强化实践教学环节，对教案、PPT等教学资源进行重新梳理、组织，在各个章节PPT中大量增加具体工程图片，使学生对工程实例有具体认知，并结合搜集和重新设计的典型工程案例将所学基础理论融入，以达到理论解决实际问题的效果，使学生在学习过程中不再觉得理论是枯燥的，与应用的距离很远。课外积极主动吸纳学生进入岩土类课程大创项目、互联网+项目及专业教师科研课题组参与实践课题研究，组织学生参加校内外各类工程实践活动及竞赛，提升学生的实践能力。使土木工程专业学生在有限的课堂教学中，能够直观的认识工程实践具体环节，提升教学效果。依据各个章节的特点，在培养计划和大纲修订上增加典型案例教学部分内容和要求，提升学生理论联系实际和解决实际工程问题的能力。

三、土力学与地基基础中典型工程案例库建设

工程案例教学不仅可以很好的实现《土力学与地基基础》课程的教学目标，而且能够大大提高学生学习积极性和学习效果，具有很强的实用价值。对课程章节中适合开展案例教学的知识点进行梳理，确定在土的三相比例指标、土的压缩性与沉降计算、土的抗剪强度、边坡稳定性问题、挡土墙上的土压力、天然地基上的浅基础和桩基础各个章节引入与之相适应的案例库。在工程案例构建过程中一定要注重工程案例的完备性，案例来源于工程实际问题，具有某一知识点的典型代表性，工程时效性显著，工前到工后信息资料齐全。

工程案例编写组成员选取应是担任土木工程专业教学任务的一线教师，并且具有从事岩土工程领域研究与实践工作的基础，多次参与相关案例的现场施工及项目研究，有丰富的工程实践经验，尽可能将设计、勘察和施工单位的一线人员纳入编写团队。通过工程图片、工程现场视频影像、虚拟仿真动画等资料，将实际工程中的施工场景搬上课堂，通过案例分析讨论、归纳总结，加强师生互动，通过工程案例的学习掌握理论知识，将理论方法与工程实践紧密结合起来，增强学生学习的积极性和创造性，提高学生分析问题和解决问题的能力。目前，已通过各种渠道搜集各类图片、视频、地质勘查报告和基础工程设计资料等典型案例材料多套，并将部分工程案例应用于面向“卓越工程师计划”的本科《土力学与地基基础》课堂教学中，取得了良好的教学效果。

四、案例教学在《土力学与地基基础》课程实践中实施过程

针对培养计划中的《土力学与地基基础》课程，充分对比分析案例教学与其他教学方法的差异。通过对该课程的特点和案例教学需求的探究，论证其使用案例教学法的必要性和适用性。基于教学大纲，理清教学内容和教学要求，给出合理而具体的案例教学实施步骤。组织各知识点案例内容，包括：工程现场状况、实际工程问题、施工过程展示、相关理论的讲解等，在此基础上播放已经整理好的工程现场情况，以实际工程为载体，提出所播放案例要解决的问题，再以课堂理论教学方式结合视频或图片讲述该案例涉及的知识点，最后再回到案例要解决的工程问题，引导和启发学生进行讨论，巩固对知识点的理解和掌握。例如，在学习挡墙上的土压力理论介绍三种土压力时，可引入三种土压力形成的动画，并结合土体主、被动破坏的工程事故，结合实际工程讲解三种土压力的性质及其产生的原因及后果。基于主动土压力理论形成基础之上，从我国西北地区实际工程中大量存在的天然陡坡（图1所示）这种自然现象着手，以问题为导向，引导学生思考，粘性土地区存在大量这种现象的原因及粘性土地区进行基坑开挖时在一定深度内可以自稳的原因，如何以土压力理论对其两种现象进行解释;然后，再将实际工程简化为土压力计算模型，如图2所示。

结合图2计算模型、模拟基坑开挖动画和主动土压力理论，揭示工程中天然土坡保持稳定的原因、土压力形成过程及最终破坏形态。对于粘性土朗肯主动土压力为零的点所代表的工程意义进行解释时，可引入粘性土在无支护条件下进行开挖而不破坏的工程实例（可结合图2及基坑开挖案例动画），从而引导学生理解朗肯主动土压力为零的临界点即为粘性土基坑不支护可直立开挖的最大深度。

从产生图1现象的原因、理论基础到图2中粘性土基坑可无支护开挖的临界深度计算再回到三种土压力的基本理论，结合基坑开挖及支护的施工案例，从图3的基坑开挖支护图片抽象到支护结构上的土压力大小及分布，总结土压力理论的形成原理、计算方法及其在工程中的应用，实现从理论学习到工程应用的结合。

五、结束语

对于土木工程专业的学生培养而言，更应偏向实践和应用，把案例教学作为一种以实践教学为基础的教学方式，与实际工程案例相结合，与社会资源结合，突出案例教学及其体系的应用性和实用性，有助于提升学生灵活掌握和运用专业知识的能力、激发学生参与工程实践的兴趣、引导学生进行独立思考和应用创新。通过在土力学与地基基础课程大纲及课程教学中引入案例教学，将传统的教学方法与实践教学过程相互融合，能提升学生对理论知识的掌握及在工程实践当中的应用。自2017年在土力学与地基基础课程中初步融入案例教学及在2018年以来全面展开案例教学以来，依据学生的反馈统计数据可以看出，对课程评价非常满意和满意的人数占到了65%左右，学生的学习效果和自主学习的能力均得到了大幅提升，实现了由教师“教”到学生主动“学”的转变。

参考文献：

[1]张玉，赵敏，李宝平，等.案例教学在建筑与土木工程硕士领域人才培养中的探索与应用研究[J].教育教学论坛，2019，02：240-241.

[2]夏雄，先禮琼，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.

[3]熊浩.岩土工程类课程案例教学方法探索[J].高等建筑教育，2017，26（4）：64-66.