比拟法教学在“土力学”课程中的应用研究

[摘 要] 我国的基础建设近年来取得了突飞猛进的发展，尤其是在“一带一路”经济区开放后，国内外的基建项目越来越多，对具有较强理论功底与实践能力的地质工程专业人才的需求与日俱增。为此，应紧密围绕“地质工程”专业的培养目标，系统总结了“土力学”课程理论教学部分的特点，以及在授课过程中存在的理论知识相对枯燥、抽象，导致学生失去学习兴趣等问题，提出了比拟法教学。通过与生活中所熟知的事物或现象进行比较，把抽象理论形象化、趣味化，使学生轻松完成对基础理论和公式的理解运用，为地质工程人才队伍培养提供一种行之有效的教学方法。

[关键词] 土力学;学科特点;比拟法教学;形象思维

[基金项目] 2015年度国家自然科学基金青年基金“温度-化学溶液耦合作用下压实膨润土-砂混合物膨胀自愈性能的衰变机理”（41402260）;2019年度西北大学教学研究与成果培育项目“类比式教学在‘土力学课程中的应用研究”（JX18122）

[作者简介] 崔素丽（1980—），女，河北石家庄人，工学博士，西北大学地质学系副教授，博士生导师，主要从事土体性质研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）15-0149-04   [收稿日期] 2020-11-04

“土力学”是研究土的变形、强度及渗透性问题的一门理论性和实践性都很强的课程[1]。土性质本身的特殊性决定了“土力学”这门课程与其他力学学科在理论方法上的巨大差异。“土力学”包括理论教学和试验教学两部分，其中理论教学部分基本概念和基本公式较多，知识点比较零散，且基本理论多是为解决实际问题进行计算假定的半經验、半理论内容，各部分内容连贯性较差[2]。枯燥抽象的理论知识使得学生学起来比较吃力，很难真正地理解和掌握土力学的基本原理，更不能很好地用所学知识来解决复杂的工程问题。

本文详细总结了“土力学”课程理论教学部分的特点与授课过程中存在的问题，提出了比拟法教学。通过多种形式的比拟，使学生在一定的学习情境下，借助教师的提示，利用自己已有的知识，将晦涩难懂的理论知识与喜闻乐见的事物相联系，增强学生的学习兴趣和热情，培养学生树立由此及彼、触类旁通的发展思维方式，在轻松自然的学习过程中掌握知识，达到事半功倍的目的。

一、“土力学”课程特点

1.研究对象性质的复杂性和不确定性。土作为一种大自然的产物[3]，其性质自然不像混凝土等人工制品那样能够人为的控制和把握。土具有三大特性：一是自然变异性。众所周知，土是岩石风化的产物，地球上的岩石种类千差万别，成分也各不相同，因此风化所得土的成分也复杂多样。同时，岩石的风化包括物理风化、化学风化和生物风化三种主要形式，在它们的单独或联合作用下，土具有千姿百态的存在形式和结构特点。二是碎散不连续型。土的颗粒间没有联结或者联结很微弱，主要是通过水、矿物质、冰、胶体等产生的，不同的联结原因会导致土体呈现不同复杂的性质。三是三相性。土中固、液、气三相同时存在，液和气在固体间可以运动，同时三者之间也存在相互作用。比如，在外界环境改变时，空气会排出、固体颗粒间会相互靠近、土中的水会流动等，这些都会导致土体性质的不确定性。

2.知识点与公式多。对土体性质的研究涉及数学、物理、化学等多学科的基础知识，它们用来描述土体的性质并对其性质进行计算。因此，在“土力学”课程中，知识点比较多且零散不系统，所用到的公式也很多。比如，仅仅在“土的物理性质指标”这一小节，土的三相中就涉及10个物理量，5个物理量关系式，13个物理指标，13个表达式和近20个换算公式[4]。

3.理论公式的半经验性和半假定性。在土力学中除了基于物理学参数的一些确定公式之外，还有一部分公式是为了解决实际的工程问题，借助物理、力学等基本公式，根据对土体性质的经验判断，在提出一些合理假定的前提下对公式进行了一定的修订，具有半经验半假定的性质。比如“土力学”中重要的原理有效应力原理，计算依据物理学中各物理参数之间的关系式，但是在提出“有效”这样一个概念后，同时认为土颗粒接触点的面积很小，可以忽略不计，假定为零，从而得出“总应力=有效应力+孔隙应力”的原理。

二、理论课程教学过程中存在的问题

1.教学理论性强，内容抽象难理解。“土力学”是地质工程专业课程中为数不多的理论性较强的课程之一，作为一门力学课程，必然要注重讲解力学原理、力学理论和力学公式等。因此，在讲授的过程中不可避免地会存在很多抽象概念的介绍、力学原理的讲解、复杂公式的推导和计算，以及经验性结果的利用和假定的引入。这不仅要求学生具有扎实的数学、物理、化学等多学科基础知识，也需要学生课前进行预习，对所涉及的一些专业知识有所了解。如果一旦某一点出现信息盲点，就会影响后续的听课效果，从而影响对知识点的理解和掌握。

2.授课模式单一、枯燥，授课内容局限于专业。目前“土力学”的授课多采用“多媒体+板书”相结合的模式，无论是多媒体演示，还是“粉笔+黑板”的书写，由于授课内容限定在了专业课程之内，所以无论是对复杂公式的推导还是对原理的讲解，推导的步骤越详细，原理讲解得越透彻，学生越觉得枯燥，跟不上教师的思路，因为纯理论的东西容易让人产生一种“太深奥、太抽象”的错觉。

3.只关注教而忽略了学，学生被动听课。教学包含两个方面，一是“教”，二是“学”。我们大多数教师都尽职尽责地做好了“教”的部分，费尽心思、想尽办法，希望在“教”的方面有所提高和突破，却忽略了“学”的方面。在教学这个过程中，“教”不是目的，只是手段，我们最终的目的是让学生“学”到知识，“学”会知识。

针对以上“土力学”的课程特点，以及目前在课程教学中普遍存在的一些问题，笔者从“化难为易”的思想出发，跳出课堂教学的专业局限性，引入比拟式教学法，由此及彼，比拟推广，充分调动学生学习的积极性，让学生变被动听课为主动学习，通过已知知识推至未知知识，由此及彼，从而实现对知识的自然转换和轻松掌握。

三、比拟法教学的特点

比拟是以人的联想为基础，通过人和物、物和物之间的不同属性转嫁的关系而构成的修辞方式[5]。

“比拟”是根据两个对象或两类事物的一些属性相同或相似，用一种事物的特点或属性去类比另一种事物具有相同或相似特点、属性的思维方式。比拟法教学在高等院校一些基础或工科课程中应用得非常广泛。它能够对课程的抽象知识点进行形象化，对高度专业的理论知识通过类比变得普世化，使“阳春白雪”或“晦涩难懂”的知识变得更接地气，更容易理解和记忆。这是一种通过寻求事物的共同点从而寻求突破以使问题得到解决的一种教学模式。

四、比拟法在教学中的应用

将比拟法引入“土力学”教学，通过“由此及彼”的教学方法，借助适当的比喻或拟人化的手法，把抽象的知识具体化、微观的知识宏观化，可以对课程中的很多知识点进行教学和阐述。

1.教师创设比拟实物对象，联想记忆学习。形象的比喻可以化抽象为具体，化繁为简。教师通过生动有趣的比喻，将枯燥的土力学知识形象化，既能发散学生的思维，也可以产生视觉冲击效应，引导学生将熟知的具体物体与正在学习的土体相联系，达到联想记忆的目的，从而加深对知识的理解和掌握。比如，在讲授“颗粒大小与级配”问题时，书本中首先定义了d10、d30和d60三种特征粒径，它们分别表示粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量为10%、30%和60%时所对应的粒径，如图1所示。

然后利用这三个特征粒径通过计算获得不均匀系数Cu和曲率系数Cc两个指标，计算式分别如下：

Cu=■（1）

C■=■（2）

最后通过这两个指标值的大小来讲解土体的级配问题。

该问题中从粒径定义到指标的对比都是新的知识点，且都是数字和符号，非常抽象，单纯靠记忆根本无法让学生从根本上理解级配问题。此时，引入我们日常生活所熟知的材料：面粉、小米、大米和黄豆分别代表砾石、粗砂、细砂、粉土四种特征粒径土，如图2所示。

纯的面粉、小米、大米和黄豆都级配不好，可以尝试两两组合，比如大米和小米，如图3所示，虽然小米在一定程度上能够填充大米之间所形成的空隙，但是小米之间还是存在一定的空隙，这也是级配不好。因此，可以将四种实物带到课堂，让学生们亲自动手进行不同比例的两两组合、三种组合、四种组合，通过亲自动手会发现当四种材料同时存在且满足一定比例的时候，就能够形成级配良好的混合物。通过利用生活中熟知的事物亲自操作，能够顺利地变陌生为熟悉。

引申工程问题：假如混合物中只有黄豆和面粉，黄豆之间形成的空隙，不能阻隔面粉的通过，那么当有水渗流通过的时候，面粉就会被带走，在工程中这就是所谓的“管涌”，它是很多大坝溃坝的原因之一。

此例所用的实物都是我们日常生活中司空见惯的东西，通过对生活常识的讲解，学生能够将难以理解的土体级配问题与日常事物联想对比，从而实现轻松理解、深刻掌握，并且能自如地用其解决相应的工程问题。

2.教师创设教学情境，情景类比学习。除了通过实实在在的实物进行比拟，通过创设符合教学内容、富有吸引力的情境，也可以帮助学生将注意力集中在知识点与情景或事件上，利用自己已有的知识、常识等完成对新内容的学习。比如在讲解土体主动土压力和被动土压力这部分内容时，以“主动土压力”为例，它包含三个知识点：挡土墙背离土体移动，土压力在此过程中逐渐减小，土体达到“极限平衡状态时”作用在墙背上的压力才叫主动土压力。如果只是让学生将这一名词概念进行文字记忆，学生很难真正理解和掌握主动土压力的本质，也很容易在后期忘记和混淆。即便在课上借助挡土墙的一些示意图和实物图进行现场展示和讲解，效果仍然不理想，学生难以将静态的土体与这个表示动态过程的概念很好地联系起来理解掌握。此时，引入我们日常生活中常见的坐电梯，在乘坐箱式电梯的时候，把自己想象为土，把轿厢内原本存在的人群想象为挡土墙。当“我”进入电梯的时候，会去挤靠电梯内原有的人群，这个时候人群在挤力作用下身体有远离“我”的趋势（注意：此时脚保持原位不动），而身体在远离“我”的过程中，受到的推力就会减小。当对方身体远离“我”到即将站不稳的时候，就会挪动脚步向后移动，此时对方身体受到的推力最小，即为“主动土压力”。

坐电梯是每个人日常生活中必不可少的经历，因此学生很容易将自己乘坐电梯时的情景回忆起来，然后类比到主动土压力的概念中，自然而然地就理解和掌握了这个概念，而且记忆精准，不易混淆，并且在以后乘坐电梯时也能想起该知识点，起到复习巩固的效果。

3.鼓励学生自己想象，比拟竞争学习。土力学的研究对象是土，书中很多知识点都可以找到合适的比拟法。另外，一个知识点也可能有多个比拟对象，通过提出拟解决的问题，让学生展开讨论和想象，个人回答或者分组讨论，让学习从“被动接受记忆”变成“主动思考发现”，充分调动学生的主观能动性和求知欲，在轻松愉悦的过程中完成了对知识的内化过程。比如，在讲到直接剪切试验部分的时候可以提出问题：快剪和慢剪的区别在哪里？剪切过程匀速与否有什么影响？为什么为水平推力随竖向压力的增大而增大？等等。让学生展开讨论，想象这些现象跟自己生活中的哪些事物或者现象有相似之处。学生们会提出各种各样的现象，比如：匀速骑自行车省力，变速时，猛蹬一下会费力;推动站着一个人的桌子比推动站着五个人的桌子省力;等等。从而将晦涩难懂的原理通过浅显的生活常识或现象的联想，达到理解记忆的目的。

五、结语

将比拟法应用于“土力学”课程教學，通过教师创设情境或者学生自己联想生活经验和原有知识储备，甚至通过实际的情景演示等方式，把抽象、不直观的很多理论和知识形象化，使学生自然而然地轻松完成对知识的理解、掌握和运用，达到事半功倍的教学效果。同时，学生在获得新知识的同时，也拓宽了他们的形象思维能力，培养了他们对生活的观察能力和思维能力，为以后的学习打下坚实的基础。

參考文献

[1]苏美选，林智勇.土力学课程教学改革探讨[J].教育教学论坛，2017（28）：130-131.

[2]四校合编.土力学[M].3版.北京：中国建筑工业出版社，2013：6.

[3]李广信，张丙印，于玉贞.土力学[M].2版.北京：清华大学出版社，2013：4.

[4]卢廷浩，刘斯宏，陈亮，等.土力学[M].北京：高等教育出版社，2012：32-36.

[5]池昌海.现代汉语语法修辞教程[M].3版.杭州：浙江大学出版社，2014：142.

Research on the Application of Analogy Teaching in the Course of Soil Mechanics

CUI Su-li

（National Experimental Teaching Demonstration Center of Geology/Department of Geology， Northwest University， Xian， Shaanxi 710069， China）

Abstract： Chinas infrastructure construction has made rapid progress in recent years. Especially after the opening of “the Belt and Road Initiatives” economic zone， there are more and more infrastructure projects at home and abroad， and the demand for geological engineering professionals with strong theoretical foundation and practical ability is increasing day by day. This paper focuses on the training objectives of geological engineering major， summarizes the characteristics of the theoretical part of Soil Mechanics systematically， analyzes the problem that students often lose interest in learning due to the relatively dull and abstract theoretical knowledge， and proposes the teaching method of analogy. By comparing with the familiar things or phenomena in life with comparable forms of existence， the abstract theories are visualized and become interesting， so that students can easily understand and master the application of basic theories and formulas， which provides an effective teaching method for the cultivation of geological engineering talents.

Key words： Soil Mechanics; course characteristics; analogy teaching; imaginal thinking