基于创新应用型人才培养的土力学教学改革
[中图分类号] G642.40 [文献标志码] A [文章编号] 1005-4634（2014）05-0102-04
0 引言
目前我国正在实施“卓越工程师教育培养计划”，旨在以强化学生的创新能力和工程实践应用能力为目标，构建人才培养模式，改革课程教学方法和教学内容，提高人才培养质量。创新教育和应用型人才培养是新时期高等教育的核心。教学质量是高校的生命，课堂教学是高等教育中最基本也是最重要的一个环节，创新高校课堂教学模式，推进有效教学、构建高效课堂是提高课堂教学效率和人才培养质量的有效途径。本文结合土力学课程的教学改革实践，对创新应用型人才培养的课堂教学改革进行探讨。
1 土力学教学改革的必要性
土力学是土木工程专业的核心主干课程，对培养学生的实践和创新能力，夯实学生的专业基础具有举足轻重的作用，也是学生工作后从事土木工作和科学研究的重要基础。土力学学得好的学生，擅长自学，在工作中能做到触类旁通，较快适应不同的工作，并能处在学科前沿进行科学研究。土力学的教学效果对构建以能力为导向的应用型本科人才培养目标的实现起着举足轻重的作用。土力学具有多学科交叉性，知识点分散，理论性强，内容多，概念多，公式多，内容跳跃性大，连贯性差，还具有明显的不完善性，学生学习起来头绪繁多，学习难度大，学习兴趣低，课程教学压力大[1]，如果采用传统“一本教材、一个讲义、一套方法”的教学模式，就会造成学生的求知欲望和学习兴趣得不到激发，厌学情绪严重，探索、创新精神与思维能力得不到培养，难以实现创新应用型人才培养目标。因此，针对土力学课程特点进行教学改革势在必行。
2 基于创新应用型人才培养的土力学教学 改革
1）以工程应用为主线，讲好绪论第一课，激发学生学习土力学的兴趣。“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”，学习兴趣是学生自觉学习的源动力[2]。只有激发学生的学习兴趣，学生才会主动去学，才会认真听课，教学质量才能得到真正提高。现在的学生更注重知识在将来工作中的实用性，因此，绪论第一课应着重讲清楚为什么要学习土力学这个核心问题，突出课程的重要性，课程的工程应用价值，通过工程案例，激发学生的学习兴趣。充分利用多媒体图文声并茂的优越性，对世界著名工程案例进行讲解，例如加拿大特朗斯康谷仓地基滑坡、香港宝城滑坡问题、意大利比萨斜塔和我国虎丘塔的严重倾斜问题，Teton坝和九江大堤决口问题。每一个问题都强调造成的损失，同时提出问题供学生思考。特朗斯康谷仓、香港宝城为什么会出现滑坡？比萨斜塔和虎丘塔为什么会倾斜？是否可以采取措施进行纠偏？ Teton坝和九江大堤决口的原因是什么？留给学生一定的思考讨论时间，引导给出这些问题的正确答案并延伸出这些问题的预防与处理措施。然后列举我国有名的赵州石拱桥、开封宝寺木塔等成功案例，提出为什么它们没有出现问题让学生思考讨论。通过这些案例和提问显示出土力学的工程应用价值，即土力学是处理岩土工程问题的理论基础，土力学可以解决很多工程实践问题，对今后从事土木工作及相关工作具有十分重要的作用，例如建造师、检测师、岩土工程师等注册工程师考试就有很多土力学方面的知识，这些都是激发学生的学习兴趣和学好土力学的动力。
2）加强与学生的沟通，研透土力学教材，以工程应用为主线，重新调整土力学教学内容。重视在教师教学过程中与学生建立起互相信任、互相尊重、感情融洽的和谐师生关系，利用网络建立起师生平等、真诚的交流平台，主动与学生多交流，增进师生感情，密切师生关系。弄清楚土力学与已学课程的重复内容，教学中学生难掌握的内容， 存在误区的内容，及时准确地得到学生的教学效果反馈，有的放矢，提高教学效果。删减与工程应用联系不紧密、陈旧的内容，与已学课程重复的内容，增加学生没有掌握的实用知识以及与工程应用关系密切的学科发展前沿，注重基本理论和原理的整合，实现土力学教学内容的系统化。教学中应始终抓住土的有效应力原理和强度等主要理论，着重解决好土的变形、土中应力、土压力和边坡稳定性分析及地基承载力等几方面的工程应用问题。通过有效应力原理，把土中的应力和变形问题结合起来，通过抗剪强度理论把土压力、边坡稳定性分析及地基承载力问题结合起来。例如讲解莫尔-库仑强度理论时，结合图1对极限平衡原理进行详细讲解，创设提问：土体发生剪切破坏的平面是不是剪应力最大的平面？破裂面与大主应力作用面成什么角度？最大剪应力出现在哪个面上，与大主应力作用面成什么角度？最大剪应力出现在哪个面上，与大主应力作用面成什么角度？已知最大主应力和最小主应力时，如何计算土体处于极限平衡状态时的最小主应力和最大主应力？并提醒学生这些是学习土压力和地基承载力的基础。讲解土压力时结合基坑工程开挖创设提问：为防止一个正在开挖的基坑外移，你用背部顶住基坑壁，当你感觉背部侧压力太大顶不住时，你后退一小点力小，还是向前移一点力小些？部分学生会回答“向前移一点力小些”，教师马上进行肯定，并告诉学生向后退一点只会使你受到的侧压力更大。然后提出三种土压力的概念，这样学生就很容易明白土压力定义和三者的大小关系。讲解朗金土压力时，取单元土体，根据三个假设（挡土墙背面竖直、墙背光滑、墙后填土面水平）和三个土压力的定义，结合莫尔-库伦强度理论知识引导学生讨论思考就很容易得到图2的莫尔圆和主动及被动土压力强度。在这个基础上再引入主动土压力系数和被动土力系数，并根据学生教学反馈，补充组合图形形心计算公式方面的知识，这样对土压力的内容学生就很容易掌握了。然后播放基坑失稳案例视频，教师创设提问：该基坑为什么会跨塌？垮塌后应采取那些处理措施？土压力计算关键是计算什么？引导学生思考讨论，回顾土中自重应力知识，扩展基坑发展前沿内容。同样，在进行地基破坏讲解主动朗金I区和被动朗金II区时，提示学生土体也是处于极限平衡状态，有了前面的基础，稍做提示学生就很快明白了。这样，学生听起来有兴趣，既解决了工程问题，巩固了已有知识，又学到了新的知识。 3）把土力学中基本概念、理论与工程问题及普通常识紧密联系起来，把握教学的重点和难点，创新教学方法，使抽象的概念具体化，枯操的知识趣味化，深奥的道理浅显化。充分利用多媒体图文声并茂的优点，教学中合理穿插工程案例、实物、施工现场等方面的图片、照片、动画等。通过制作和播放土工试验视频，给学生鲜明的视觉和听觉冲击，激发学生的学习兴趣。重新设计课程实验，土力学理论融进实验教学中，开设综合设计试验，让学生自己设计试验过程，培养学生创新能力。采用问题式教学，留给学生更多的时间去思考和讨论，充分调动学习的积极性，加深学生对基本概念和原理的理解和记忆。采用启发式教学，强化基本概念和原理的理解，注重概念和理论的工程应用，突出解决工程问题分析思想和分析方法，以培养学生创新思维的习惯。例如讲解土的压实问题时，创设提问：作为路基填料，土颗粒越大越好，还是越小越好？是不是所有土都可以作为路基填料？应该怎么样来选择路基填料呢？在学生思考讨论后提出级配和评价级配的好坏的不均匀系数、曲率系数的概念，然后播放现场路基施工视频，引入路基填土压实案例。再创设提问：为什么填土压实后会变薄？为什么干土压实时要洒水？在学生思考讨论后提出干密度、压实度、最佳含水量、最大干密度等基本概念，再播放用Flash 制作土的渗透压缩动画，模拟土体的排水压缩过程，使学生更易理解土的压实原理，通过解决工程实际问题，让学生觉得学习这些概念和理论有用，充分调动学生的学习兴趣[3]。在讲解土的抗剪强度理论和概念时， 通过图3所示物体与粗糙平面之间摩擦这个普通物理知识引入，竖向力P作用下，物体受到的水平推力T达到接触面的最大摩擦力时，物体处于极限平衡状态即将开始滑动，此时，摩擦力，式中，N为法向压力，为摩擦系数，为摩擦角。再根据剪应力定义可得到：，式中，为正应力，为接触面的摩擦抗剪强度。此时教师创设提问：摩擦抗剪强度物体处于什么状态？摩擦抗剪强度大小取决于哪两个因素？学生就很容易回答出是极限平衡状态取决于接触面上的摩擦角和正应力。接着教师指出土的剪切是土体内土颗的相对滑动，砂土抗剪强度就是砂土内部土颗粒之间的摩擦力抵抗外力的能力。那么砂土的抗剪强度大小是多少呢？学生很容易就能得到：式中，为正应力，因为是在土的内部，所以是土的内摩擦角。随后学生自学讨论，引出库仑定律，得到土的抗剪强度理论和概念。动画模拟土体滑坡过程，播放滑坡工程实例视频，结合国内滑坡事故具体数字讲解滑坡的危害，并创设提问：滑坡一般发生在什么时候？滑坡发生前有那些征兆？该滑坡发生的原因是什么？该滑坡可采取那些措施来防治？引导学生讨论，解决工程实际问题，激发学生学习兴趣，使学生觉得学好土力学确实能处理好实际工程问题。土力学实验教学除开设颗粒分析试验、土的三相比例指标测定试验、土的液、塑限测定试验等常规实验外，还采用动画动演示开设采用开设固结、直剪、三轴等综合性设计性开放实验，综合设计实验由学生自己设计实验过程，通过实验，培养了学生创新能力、思维能力、动手能力，同时巩固和加深土的性质、抗剪强度、固结理论等土力学理论知识，让学生在知识的运用中获取新知识。
4）课堂教学中始终应贯彻如下理念：为什么要学生学这些知识，这些知识能应用到哪些领域，应该如何应用这些知识。从常见问题和工程背景引出理论问题，将复杂理论简单化，以疑导学，充分发挥学生学习的主体作用，培养学生分析解决实际工程问题能力。教学中先提出一个需要解决的工程问题，激发学生的求知欲和学习兴趣，使学生的思维处于兴奋状态，再引导学生朝正确的思维方向探索，由浅入深地逐步启发，最终达到解决问题的目的[4，5]。例如讲解土力学中有效应力原理这一重点和难点内容时，先提出如下工程问题：两个刚抽干水的底部为软土的完全相同的池塘（见图4、图5），对甲池塘进行充水，对乙池塘进行填土，填土和充水的重量相同。问经过较长时间后，甲乙两个池塘底部软土会发生什么变化？学生依据生活经验和常识，会回答甲池塘软土不会变化，乙池塘软土会变硬。然后教师进一步提问，两个池塘池底软土受到的压力相同，为什么乙池塘软土会变硬，甲池塘依然为软土呢？激发学生学习兴趣，引出教学内容并进行讲解得到土的有效应力原理：，式中，为有效应力，为总应力，为孔隙水压力。创设提问：这一土的有效原理适用于饱和土、非饱和土还是二者都适用呢？引导学生得到只适用于饱和土这一正确答案，并进行延伸、扩展，增加土力学发展最新前沿非饱和土有关内容。再插播抽地下水引发的工程案例视频，创设问题：城市内大面积抽取地下水为什么会引起建筑物开裂？让学生带着这一问题，自学教材有效应力其他内容，教师巡视课堂，解决学生自学过程中的疑问，引导学生积极思考。自学完后组织学生讨论，引导学生自己得出：抽水会引起地下水位下降，使土中有效应力增加导致地基发生新的不均匀沉降，造成房屋开裂。教师再创设提问：土中任一点的总应力由哪两部分组成？对土的强度和变形有影响的是哪一部分？学生就很容易回答出：土中任一点的总应力由孔隙水压力和有效应力组成，土的强度和变形取决于土的有效应力。再回到池塘问题，由学生讨论给出答案：对甲池塘池底软土层，刚抽干水时：，，，刚充水完后： ，，，充水前后塘底软土有效应力大小没变，故软土没有发生固结，仍很软；对乙池塘池底软土层，刚抽干水时：，，，刚填完土后：填土重，， ，，填土后塘底软土有效应力增大了，故软土会发生固结，经过一段时间后会变硬；式中，、分别为池底软土的饱和重度和有效重度，为水的重度，为池底软土层厚度，H为充水深度。最后，结合某基坑工程案例让学生思考，怎样确定该基坑开挖的最大深度？这样，通过逐步深入，引导学生自己解决教师提出的问题，锻炼了学生的思维，提高了学生解决工程问题的水平和能力，不仅使学生得到了新东西，还在心理上有了成就感。
3 结束语
新的形式下，培养创新性应用人才是高校教学改革追求的目标。为实现这一目标，在土力学教学中，教师应融会知识，以日常生活和工程问题为背景，以工程应用为主线，以学生为主体，建立和谐融洽的师生关系，注重教学的交互性，创新教学方法，加强工程实践，开设设计性实验，留给学生更多的独立思考时间和创意空间，激发学生兴趣和创新思维能力，拓展学生思维的广度和深度，培养学生自学能力和探索创新的精神。教学改革需要教师、院系、学校和政府共同努力，教师应通过多种途径走出校门提高自身能力，了解学科发展前沿，实时更新教学案例，积极努力地从基础做起，想学生所想，从教学过程和学生的需要做起，逐步将教学改革引向深入。
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