馬建軍 黃林沖 陳萬祥

摘? 要：在“新工科”建設(shè)的背景下，為了讓土工實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)更加符合新時(shí)代的要求，針對(duì)目前土工實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中存在的主要問題，文章就實(shí)驗(yàn)課程全過程參與、啟發(fā)性教學(xué)、學(xué)術(shù)能力、實(shí)踐能力培養(yǎng)和綜合能力評(píng)價(jià)等方面展開研究。由此提出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法具有較強(qiáng)的可操作性，對(duì)學(xué)生在工程地質(zhì)及土力學(xué)的認(rèn)識(shí)程度、學(xué)術(shù)能力、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)等方面具有積極的影響。

關(guān)鍵詞：土工實(shí)驗(yàn);土力學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué);學(xué)術(shù)能力;探索與實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1673-7164（2021）27-0060-04

工程地質(zhì)（Engineering Geology）和土力學(xué)（Soil Mechanics，部分高校也稱為力學(xué)與地基基礎(chǔ)或者土力學(xué)與基礎(chǔ)工程）是土木工程、海洋工程、水利工程、地質(zhì)工程、勘察技術(shù)工程和交通工程等本科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是此類教學(xué)中最重要的入門課程[1-3]。工程地質(zhì)、土力學(xué)和巖石力學(xué)（Rock Mechanics）也通常也被認(rèn)為是巖土工程（Geotechnical Engineering）領(lǐng)域的專業(yè)核心課程。由于工程地質(zhì)與土力學(xué)不但具有理性分析特征，也有部分理論、規(guī)律和技術(shù)，需要學(xué)生具有一定的感性認(rèn)識(shí)[1]才能真正領(lǐng)悟且利用好工程地質(zhì)與土力學(xué)，為工程建設(shè)服務(wù)。因此，高質(zhì)量的工程地質(zhì)及土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)新時(shí)代合格土木、水利、海洋、巖土等領(lǐng)域工程師的重要保證，也是新工科建設(shè)對(duì)土木工程“大類培養(yǎng)”提出的具體要求[4-5]。

土是地球表面或者一定深度的巖石經(jīng)過長期物理化學(xué)風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積等作用，形成的具有各向異性特征和多孔隙結(jié)構(gòu)的顆粒堆積物[3]。由于形成土的礦物成分、堆積結(jié)構(gòu)、含水率、堆積歷史、顆粒組分等的不同，土的工程特性極其復(fù)雜[1-3]。實(shí)際工程中，由于加載方式、作用時(shí)間、排水條件、邊界條件、固結(jié)應(yīng)力、固結(jié)狀態(tài)、加/卸載速率等因素變化多樣，土體的強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系異常復(fù)雜[2，6]。因此，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)也通常被稱為土工實(shí)驗(yàn)，部分地質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)（包括靜力觸探、現(xiàn)場巖芯識(shí)別等）也歸結(jié)為土力學(xué)實(shí)驗(yàn)，這些土工實(shí)驗(yàn)在工程建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用。課程教學(xué)要求學(xué)生掌握和理解土的物理力學(xué)性質(zhì)，能夠基于試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場觀察正確地評(píng)價(jià)土的工程特性，進(jìn)一步通過深度學(xué)習(xí)和實(shí)踐鍛煉，解決大部分實(shí)際工程問題[6-8]。

一、面臨的主要問題

（一）土工實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)理念模糊

土工實(shí)驗(yàn)課程一般包含十個(gè)主要內(nèi)容：土力學(xué)實(shí)驗(yàn)介紹、土的工程分類、試樣制作、基本物理特性試驗(yàn)、物理狀態(tài)試驗(yàn)、壓縮固結(jié)試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)。國內(nèi)外教材在土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容上的排序差不多是一樣的，其基本邏輯是從基本試驗(yàn)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)開始，逐漸了解土的類別和物理特征，然后深入認(rèn)識(shí)和感觸土的力學(xué)特征，這一過程是循序漸進(jìn)的[6-10]。后續(xù)的章節(jié)逐漸轉(zhuǎn)向工程認(rèn)識(shí)，包括強(qiáng)度理論、壓實(shí)和滲透等。傳統(tǒng)的教學(xué)理念是課本上的理論知識(shí)必須先記住，然后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場觀察感受，加深理解和記憶[11-13]。久而久之，土工實(shí)驗(yàn)變成了觀摩和觀賞性質(zhì)的課程，實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)理念愈發(fā)模糊，土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初衷并沒有得到足夠重視。此外，在工程地質(zhì)課程中，部分高校沒有重視實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生大多到博物館看看地質(zhì)礦物的顏色、光澤、質(zhì)地和形狀，無法真實(shí)感受不同類別礦物和土的力學(xué)性質(zhì)。長期的走馬觀花式實(shí)踐教學(xué)，導(dǎo)致土工實(shí)驗(yàn)部分的科學(xué)性缺失。調(diào)研還發(fā)現(xiàn)，部分高校的工程地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)課程安排較短，沒有足夠的實(shí)習(xí)場地讓學(xué)生近距離地觀察土、玩捏土、馴服土和記錄土。因此，表面化問題的根源在于土工實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)脫離、實(shí)踐教學(xué)時(shí)間被壓縮和學(xué)生對(duì)土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)重視不足。

（二）土工實(shí)驗(yàn)課表面化問題

土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程也面臨著表面化的問題，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，首先觀察實(shí)驗(yàn)員或者教師的實(shí)驗(yàn)講解及演示等，然后按照要求去做實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。大多數(shù)學(xué)生基本上只是按照實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式，填滿數(shù)據(jù)，寫好結(jié)論。這種形式主義嚴(yán)重違背了實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的，學(xué)生對(duì)土的認(rèn)識(shí)變成了表面上的觀賞，沒有觸及土工試驗(yàn)的核心特征，即實(shí)踐和理論并重[2-3，14-15]。

（三）土工實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式單調(diào)

目前新工科建設(shè)已經(jīng)成為國內(nèi)各高校的主要教學(xué)改革動(dòng)力和方向[4-5]，但如何設(shè)置合理的土工實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容和形式，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和實(shí)踐能力，仍然是土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)亟待解決的問題。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國大部分開設(shè)土木和水利工程的院校都很重視土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但是，工程地質(zhì)和土力學(xué)內(nèi)容基本保持不變，土工實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式和內(nèi)容要求十分陳舊[7-8]。近些年來，不少土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)也在不斷向垃圾土和特殊土延伸[8-14]，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)容的創(chuàng)新。但是，傳統(tǒng)土工實(shí)驗(yàn)課程還是延續(xù)單調(diào)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式，即書寫數(shù)據(jù)分析或者填空，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告區(qū)分度較小，無法驅(qū)動(dòng)學(xué)生獨(dú)立思考的潛力和積極主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力[15-16]。

（四）土工實(shí)驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)低

土工實(shí)驗(yàn)課程是本科的必修課，課程活動(dòng)能使學(xué)生對(duì)土的認(rèn)識(shí)從淺入深，從理論分析到感性認(rèn)識(shí)[1，6]。土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程考核標(biāo)準(zhǔn)低表現(xiàn)在三個(gè)方面：一是實(shí)驗(yàn)課程成績?cè)u(píng)價(jià)內(nèi)容以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，不注重實(shí)驗(yàn)效果和過程;二是實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)閱標(biāo)準(zhǔn)很低，實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量等級(jí)不夠具體，對(duì)報(bào)告的深度和廣度沒有給出具體指標(biāo)。此外，很多高校多年來延續(xù)相同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和報(bào)告格式，院系和指導(dǎo)教師也沒有進(jìn)行報(bào)告查重和報(bào)告質(zhì)量分析。三是學(xué)生應(yīng)付實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)過程，具體表現(xiàn)為學(xué)生經(jīng)過多屆的口口相傳，已經(jīng)了解了實(shí)驗(yàn)課程的考核方式，部分學(xué)生甚至不用心或者都不愿多花時(shí)間去完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。少部分學(xué)生直接網(wǎng)上購買實(shí)驗(yàn)報(bào)告或者借閱上屆學(xué)生作品，即使如此仍可寫出非常漂亮的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，降低了學(xué)生對(duì)土工實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)熱情。

二、探索與實(shí)踐

針對(duì)土工實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)活動(dòng)面臨的不足，綜合學(xué)校面向新工科和“大土木”工程專業(yè)的人才培養(yǎng)定位，主要教學(xué)改革措施如下：

（一）面向新工科的土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念

工程地質(zhì)與土力學(xué)是理論與實(shí)踐并重的重要基礎(chǔ)學(xué)科[14-15]，土工實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目的必須明確：加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和感性認(rèn)識(shí)[1-3]。因此，土工實(shí)驗(yàn)課程須圍繞知識(shí)體系和課程能力要求，契合“新工科”人才培養(yǎng)目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)理念必須體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過程中，必須帶著土的物理力學(xué)特征等相關(guān)問題去啟發(fā)學(xué)生思考，培養(yǎng)他們的問題意識(shí)和探索興趣。為了更好地體現(xiàn)教學(xué)理念，土工實(shí)驗(yàn)課一般跟隨理論課程進(jìn)度，即理論課和實(shí)驗(yàn)課同時(shí)開展，做到理論與實(shí)踐相互促進(jìn)。

（二）實(shí)驗(yàn)課程的全過程參與

工程地質(zhì)和土力學(xué)課程具有特殊性，學(xué)生對(duì)土并不陌生，但是深刻理解土工原理的并不多見。其中一個(gè)重要的原因是：沒有全程參與土工實(shí)驗(yàn)課程。教師教學(xué)時(shí)應(yīng)提出三個(gè)要求。第一個(gè)要求：從土工實(shí)驗(yàn)的第一節(jié)課開始，要求每組派一名成員參與到實(shí)驗(yàn)課地籌備中來，從學(xué)校周邊選土，取土樣，回實(shí)驗(yàn)室烘干、磨碎、去雜質(zhì)、備份等前期準(zhǔn)備工作都要參與。學(xué)生能夠從這個(gè)過程中明白實(shí)驗(yàn)樣品的來源和制作過程，也會(huì)感性認(rèn)識(shí)土的性質(zhì)，能夠明白土工實(shí)驗(yàn)具有一定的嚴(yán)肅性和趣味性。

第二個(gè)要求：在試驗(yàn)中，要求全員動(dòng)手，用手去感觸土，感受土的形變、黏性、粒徑和聚集特征，特別是含水率與液限塑限等物理狀態(tài)量。試驗(yàn)一般持續(xù)2個(gè)小時(shí)左右，學(xué)生們必須動(dòng)手。試驗(yàn)結(jié)束后，要求每組必須留一名成員，完成試驗(yàn)設(shè)備的清潔和土樣的清理。

第三個(gè)要求：土工實(shí)驗(yàn)課必須提煉問題、查閱資料、總結(jié)歸納、學(xué)以致用和理論聯(lián)系實(shí)際等。具體案例就是液塑限試驗(yàn)，一般高校都是用液塑限聯(lián)合測定儀，按照要求做落錐試驗(yàn)即可，但是學(xué)生只能觀察現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，無法形成感性認(rèn)識(shí)。在試驗(yàn)環(huán)節(jié)，教師可要求學(xué)生動(dòng)手感觸土樣，然后估計(jì)落錐的深度，多次試驗(yàn)后，學(xué)生對(duì)液塑限就有了比較直觀的感受。此外，在理論課上，教師要提前給學(xué)生講述實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作，讓大家按部就班準(zhǔn)備，特別是需要?jiǎng)邮直容^多的試驗(yàn)。

（三）啟發(fā)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

中山大學(xué)土木工程學(xué)院實(shí)行“大土木”工程專業(yè)培養(yǎng)模式，面向“新工科”，必須培養(yǎng)學(xué)生的“工程應(yīng)用技能”和“科研實(shí)踐創(chuàng)新能力”[4-5]。因此，課程組采納了啟發(fā)性教學(xué)方法，鼓勵(lì)學(xué)生舉一反三，在實(shí)驗(yàn)中認(rèn)真思考，課后申請(qǐng)開放性試驗(yàn)，去驗(yàn)證自己的想法。例如滲透試驗(yàn)中，很多同學(xué)注意到裝樣的過程，會(huì)被引導(dǎo)去思考“可否選用不同粒徑級(jí)配的砂子去做實(shí)驗(yàn)？還有同學(xué)追問城市管道泄露導(dǎo)致地層塌陷等問題，指導(dǎo)教師會(huì)帶領(lǐng)大家一起思考工程地質(zhì)、土力學(xué)和巖土工程問題，啟發(fā)大家繼續(xù)學(xué)習(xí)，讓大家?guī)е鴨栴}去寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（四）面向?qū)嵺`能力和學(xué)術(shù)能力的教學(xué)過程

分析問題和解決問題的能力是土工實(shí)驗(yàn)課程的主要培養(yǎng)目標(biāo)。因此，土工實(shí)驗(yàn)課的實(shí)踐能力培養(yǎng)體現(xiàn)在準(zhǔn)備試樣、裝樣、設(shè)備操作、動(dòng)手感觸、書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告和分析數(shù)據(jù)等方面。例如試驗(yàn)過程中，每位成員必須參與實(shí)驗(yàn)，每個(gè)成員要有自己獨(dú)立書寫自己的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告附錄里面的思考題。通過發(fā)散思維，驅(qū)動(dòng)學(xué)生查閱資料和思考問題的能力。最直接的工程問題啟蒙和實(shí)踐能力鍛煉體現(xiàn)在城市地鐵施工：以廣州和深圳地鐵建設(shè)為例，學(xué)生就地下水、埋深、盾構(gòu)過江等問題開展討論，培養(yǎng)了實(shí)踐能力和工程素養(yǎng)。

面向?qū)W術(shù)能力培養(yǎng)的內(nèi)容落在實(shí)驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)處理和土力學(xué)理論解釋上，例如，為什么會(huì)出現(xiàn)最優(yōu)含水率？為什么松散的干砂不能支撐人體重量但是飽和的沙灘可以？第二個(gè)層面的學(xué)術(shù)能力訓(xùn)練體現(xiàn)在：自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)區(qū)驗(yàn)證或者探索工程問題[14-16]。學(xué)生要按照學(xué)術(shù)論文格式和語言要求去書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告或者結(jié)題報(bào)告，并選派學(xué)生代表作匯報(bào)，鍛煉思維能力。因此，土工實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)了學(xué)生論文寫作能力和學(xué)術(shù)思想，為其繼續(xù)深造打好基礎(chǔ)。

（五）基于創(chuàng)新與實(shí)踐能力的綜合素質(zhì)考核機(jī)制

土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)表面化和形式主義嚴(yán)重的根本原因在于考核方式單一：實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課程考勤。課程組教師多為海外引進(jìn)人才，教研組教師認(rèn)真對(duì)比了國內(nèi)重點(diǎn)大學(xué)國外名校的土工實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)體系，綜合分析了本校土工教學(xué)問題，提出了基于創(chuàng)新與實(shí)踐能力的綜合素質(zhì)考核機(jī)制。

考核機(jī)制包含四個(gè)層次：第一層能力為參與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，基本要求是遵守現(xiàn)場紀(jì)律，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，沒有明顯格式錯(cuò)誤和抄襲。主要觀察實(shí)驗(yàn)紀(jì)律，實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生是否懶散，是否存在聽音樂、注意力不集中、嬉戲打鬧、破壞設(shè)備和實(shí)驗(yàn)材料、違反實(shí)驗(yàn)安全操作過程等行為。該層級(jí)為學(xué)生全員參與的考核，是最基本的能力層級(jí)。

第二層能力為實(shí)驗(yàn)規(guī)范操作能力，主要考查學(xué)生是否積極動(dòng)手操作，是否操作規(guī)范，是否觀察和記錄仔細(xì)，是否積極參與現(xiàn)場提問和討論等。

第三層能力為實(shí)踐能力，主要通過理論學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，能夠通過實(shí)際工程問題的正反分析，解釋問題本質(zhì)。該層次的能力要求學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課和實(shí)驗(yàn)報(bào)告附錄的思考題做到理論聯(lián)系實(shí)際，做到學(xué)以致用。

第四層能力考察學(xué)生的創(chuàng)新能力，該層次是本課程的最高要求，要求學(xué)生能夠進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)試驗(yàn)，完成試驗(yàn)內(nèi)容，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，經(jīng)過評(píng)委考核，確保實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和結(jié)果具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值。

三、結(jié)論

針對(duì)土工實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)存在培養(yǎng)理念模糊、表面化、內(nèi)容形式單一、考核簡單等問題，文章圍繞“新工科”的土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念、實(shí)驗(yàn)課程全過程參與、啟發(fā)性教學(xué)、學(xué)術(shù)能力、實(shí)踐能力培養(yǎng)和綜合能力評(píng)價(jià)等方法展開分析。教學(xué)實(shí)踐表明，本研究提出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法具有較強(qiáng)的可操作性，學(xué)生對(duì)工程地質(zhì)、土力學(xué)與基礎(chǔ)工程的認(rèn)識(shí)程度、創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)得到了很大的提升。

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