“新工科”背景下土工实验教学探索与实践

2021-09-10马建军黄林冲陈万祥

大学·教学与教育 2021年7期

马建军黄林冲陈万祥

摘要：在“新工科”建设的背景下，为了让土工实验课程教学更加符合新时代的要求，针对目前土工实验课程教学中存在的主要问题，文章就实验课程全过程参与、启发性教学、学术能力、实践能力培养和综合能力评价等方面展开研究。由此提出的实验教学方法具有较强的可操作性，对学生在工程地质及土力学的认识程度、学术能力、实践能力和综合素质等方面具有积极的影响。

关键词：土工实验;土力学;实验教学;学术能力;探索与实践

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1673-7164（2021）27-0060-04

工程地质（Engineering Geology）和土力学（Soil Mechanics，部分高校也称为力学与地基基础或者土力学与基础工程）是土木工程、海洋工程、水利工程、地质工程、勘察技术工程和交通工程等本科专业的基础课程，也是此类教学中最重要的入门课程[1-3]。工程地质、土力学和岩石力学（Rock Mechanics）也通常也被认为是岩土工程（Geotechnical Engineering）领域的专业核心课程。由于工程地质与土力学不但具有理性分析特征，也有部分理论、规律和技术，需要学生具有一定的感性认识[1]才能真正领悟且利用好工程地质与土力学，为工程建设服务。因此，高质量的工程地质及土力学实验教学是培养新时代合格土木、水利、海洋、岩土等领域工程师的重要保证，也是新工科建设对土木工程“大类培养”提出的具体要求[4-5]。

土是地球表面或者一定深度的岩石经过长期物理化学风化、搬运、沉积等作用，形成的具有各向异性特征和多孔隙结构的颗粒堆积物[3]。由于形成土的矿物成分、堆积结构、含水率、堆积历史、颗粒组分等的不同，土的工程特性极其复杂[1-3]。实际工程中，由于加载方式、作用时间、排水条件、边界条件、固结应力、固结状态、加/卸载速率等因素变化多样，土体的强度和应力-应变关系异常复杂[2，6]。因此，土力学实验也通常被称为土工实验，部分地质工程实验（包括静力触探、现场岩芯识别等）也归结为土力学实验，这些土工实验在工程建设中起着至关重要的作用。课程教学要求学生掌握和理解土的物理力学性质，能够基于试验结果和现场观察正确地评价土的工程特性，进一步通过深度学习和实践锻炼，解决大部分实际工程问题[6-8]。

一、面临的主要问题

（一）土工实验课程教学理念模糊

土工实验课程一般包含十个主要内容：土力学实验介绍、土的工程分类、试样制作、基本物理特性试验、物理状态试验、压缩固结试验、三轴压缩试验、直接剪切试验、击实试验和渗透试验。国内外教材在土工实验教学内容上的排序差不多是一样的，其基本逻辑是从基本试验内容的认识开始，逐渐了解土的类别和物理特征，然后深入认识和感触土的力学特征，这一过程是循序渐进的[6-10]。后续的章节逐渐转向工程认识，包括强度理论、压实和渗透等。传统的教学理念是课本上的理论知识必须先记住，然后在实验室进行现场观察感受，加深理解和记忆[11-13]。久而久之，土工实验变成了观摩和观赏性质的课程，实验课的教学理念愈发模糊，土工实验教学的初衷并没有得到足够重视。此外，在工程地质课程中，部分高校没有重视实践教学，学生大多到博物馆看看地质矿物的颜色、光泽、质地和形状，无法真实感受不同类别矿物和土的力学性质。长期的走马观花式实践教学，导致土工实验部分的科学性缺失。调研还发现，部分高校的工程地质认识实习课程安排较短，没有足够的实习场地让学生近距离地观察土、玩捏土、驯服土和记录土。因此，表面化问题的根源在于土工实践教学与理论教学脱离、实践教学时间被压缩和学生对土工实验教学重视不足。

（二）土工实验课表面化问题

土力学实验课程也面临着表面化的问题，学生进入实验室，首先观察实验员或者教师的实验讲解及演示等，然后按照要求去做实验，得到实验数据后书写实验报告。大多数学生基本上只是按照实验报告的格式，填满数据，写好结论。这种形式主义严重违背了实验教学目的，学生对土的认识变成了表面上的观赏，没有触及土工试验的核心特征，即实践和理论并重[2-3，14-15]。

（三）土工实验报告形式单调

目前新工科建设已经成为国内各高校的主要教学改革动力和方向[4-5]，但如何设置合理的土工实验报告内容和形式，培养学生的工程素养和实践能力，仍然是土工实验教学亟待解决的问题。调查发现，我国大部分开设土木和水利工程的院校都很重视土工实验教学，但是，工程地质和土力学内容基本保持不变，土工实验报告的格式和内容要求十分陈旧[7-8]。近些年来，不少土工实验教学也在不断向垃圾土和特殊土延伸[8-14]，实现了内容的创新。但是，传统土工实验课程还是延续单调的实验报告格式，即书写数据分析或者填空，学生的实验报告区分度较小，无法驱动学生独立思考的潜力和积极主动学习的能力[15-16]。

（四）土工实验考核标准低

土工实验课程是本科的必修课，课程活动能使学生对土的认识从浅入深，从理论分析到感性认识[1，6]。土力学实验课程考核标准低表现在三个方面：一是实验课程成绩评价内容以实验报告为主，不注重实验效果和過程;二是实验报告评阅标准很低，实验报告质量等级不够具体，对报告的深度和广度没有给出具体指标。此外，很多高校多年来延续相同的实验内容和报告格式，院系和指导教师也没有进行报告查重和报告质量分析。三是学生应付实验报告和实验过程，具体表现为学生经过多届的口口相传，已经了解了实验课程的考核方式，部分学生甚至不用心或者都不愿多花时间去完成实验报告。少部分学生直接网上购买实验报告或者借阅上届学生作品，即使如此仍可写出非常漂亮的实验报告，降低了学生对土工实验课程的学习热情。

二、探索与实践

针对土工实验课程教学活动面临的不足，综合学校面向新工科和“大土木”工程专业的人才培养定位，主要教学改革措施如下：

（一）面向新工科的土工实验教学理念

工程地质与土力学是理论与实践并重的重要基础学科[14-15]，土工实验课程的教学目的必须明确：加深学生对知识的理解和感性认识[1-3]。因此，土工实验课程须围绕知识体系和课程能力要求，契合“新工科”人才培养目标。实验课程的教学理念必须体现在实验过程中，必须带着土的物理力学特征等相关问题去启发学生思考，培养他们的问题意识和探索兴趣。为了更好地体现教学理念，土工实验课一般跟随理论课程进度，即理论课和实验课同时开展，做到理论与实践相互促进。

（二）实验课程的全过程参与

工程地质和土力学课程具有特殊性，学生对土并不陌生，但是深刻理解土工原理的并不多见。其中一个重要的原因是：没有全程参与土工实验课程。教师教学时应提出三个要求。第一个要求：从土工实验的第一节课开始，要求每组派一名成员参与到实验课地筹备中来，从学校周边选土，取土样，回实验室烘干、磨碎、去杂质、备份等前期准备工作都要参与。学生能够从这个过程中明白实验样品的来源和制作过程，也会感性认识土的性质，能够明白土工实验具有一定的严肃性和趣味性。

第二个要求：在试验中，要求全员动手，用手去感触土，感受土的形变、黏性、粒径和聚集特征，特别是含水率与液限塑限等物理状态量。试验一般持续2个小时左右，学生们必须动手。試验结束后，要求每组必须留一名成员，完成试验设备的清洁和土样的清理。

第三个要求：土工实验课必须提炼问题、查阅资料、总结归纳、学以致用和理论联系实际等。具体案例就是液塑限试验，一般高校都是用液塑限联合测定仪，按照要求做落锥试验即可，但是学生只能观察现象和试验数据，无法形成感性认识。在试验环节，教师可要求学生动手感触土样，然后估计落锥的深度，多次试验后，学生对液塑限就有了比较直观的感受。此外，在理论课上，教师要提前给学生讲述实验的准备工作，让大家按部就班准备，特别是需要动手比较多的试验。

（三）启发性实验教学模式

中山大学土木工程学院实行“大土木”工程专业培养模式，面向“新工科”，必须培养学生的“工程应用技能”和“科研实践创新能力”[4-5]。因此，课程组采纳了启发性教学方法，鼓励学生举一反三，在实验中认真思考，课后申请开放性试验，去验证自己的想法。例如渗透试验中，很多同学注意到装样的过程，会被引导去思考“可否选用不同粒径级配的砂子去做实验？还有同学追问城市管道泄露导致地层塌陷等问题，指导教师会带领大家一起思考工程地质、土力学和岩土工程问题，启发大家继续学习，让大家带着问题去写实验报告。

（四）面向实践能力和学术能力的教学过程

分析问题和解决问题的能力是土工实验课程的主要培养目标。因此，土工实验课的实践能力培养体现在准备试样、装样、设备操作、动手感触、书写实验报告和分析数据等方面。例如试验过程中，每位成员必须参与实验，每个成员要有自己独立书写自己的实验报告，完成实验报告附录里面的思考题。通过发散思维，驱动学生查阅资料和思考问题的能力。最直接的工程问题启蒙和实践能力锻炼体现在城市地铁施工：以广州和深圳地铁建设为例，学生就地下水、埋深、盾构过江等问题开展讨论，培养了实践能力和工程素养。

面向学术能力培养的内容落在实验报告数据处理和土力学理论解释上，例如，为什么会出现最优含水率？为什么松散的干砂不能支撑人体重量但是饱和的沙滩可以？第二个层面的学术能力训练体现在：自主设计实验区验证或者探索工程问题[14-16]。学生要按照学术论文格式和语言要求去书写实验报告或者结题报告，并选派学生代表作汇报，锻炼思维能力。因此，土工实验课程培养了学生论文写作能力和学术思想，为其继续深造打好基础。

（五）基于创新与实践能力的综合素质考核机制

土工实验教学表面化和形式主义严重的根本原因在于考核方式单一：实验报告和课程考勤。课程组教师多为海外引进人才，教研组教师认真对比了国内重点大学国外名校的土工实验考核评价体系，综合分析了本校土工教学问题，提出了基于创新与实践能力的综合素质考核机制。

考核机制包含四个层次：第一层能力为参与实验能力，基本要求是遵守现场纪律，完成实验报告，没有明显格式错误和抄袭。主要观察实验纪律，实验过程中学生是否懒散，是否存在听音乐、注意力不集中、嬉戏打闹、破坏设备和实验材料、违反实验安全操作过程等行为。该层级为学生全员参与的考核，是最基本的能力层级。

第二层能力为实验规范操作能力，主要考查学生是否积极动手操作，是否操作规范，是否观察和记录仔细，是否积极参与现场提问和讨论等。

第三层能力为实践能力，主要通过理论学习与实验结果对比分析，解释实验现象，能够通过实际工程问题的正反分析，解释问题本质。该层次的能力要求学生对实验课和实验报告附录的思考题做到理论联系实际，做到学以致用。

第四层能力考察学生的创新能力，该层次是本课程的最高要求，要求学生能够进行独立设计试验，完成试验内容，撰写实验报告，经过评委考核，确保实验项目和结果具有一定的学术价值。

三、结论

针对土工实验课程教学存在培养理念模糊、表面化、内容形式单一、考核简单等问题，文章围绕“新工科”的土工实验教学理念、实验课程全过程参与、启发性教学、学术能力、实践能力培养和综合能力评价等方法展开分析。教学实践表明，本研究提出的实验教学方法具有较强的可操作性，学生对工程地质、土力学与基础工程的认识程度、创新能力、实践能力和综合素质得到了很大的提升。

参考文献：

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