童晨曦，趙春彥，張 升，阮 波，萬慧慧

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075； 2.長郡外國語實驗學校， 湖南 長沙 410002)

土是由固體、液體、氣體三相按一定比例所組成的散粒體材料。不同于鋼筋、混凝土等人工建筑材料，土的力學性質往往不能通過材料力學、結構力學、彈性力學等以連續(xù)介質為基礎的相關力學課程簡單求得。經(jīng)過前人長期的工程實踐與歸納總結，《土力學》最終發(fā)展成為了一門以研究土體強度、變形以及滲透特性為主的學科，并作為土木、交通、水利、采礦工程等專業(yè)的核心課程，也是學習后續(xù)基礎工程、地基處理與加固等專業(yè)課程的重要基礎課程。

《土力學》課程所涉及的大量理論知識常常來源于工程實踐和科學實驗[1]，隨著土力學測試手段的更新與發(fā)展，土力學理論至今仍然處于不斷發(fā)展和完善的過程中。由于土力學理論常常建立在各種經(jīng)驗和假設的基礎上，且一些重要的概念和現(xiàn)象較為抽象，導致學生通過常規(guī)的課堂教學無法深刻、準確地理解和認識這些概念和現(xiàn)象。為此，國內(nèi)外高校的《土力學》課程普遍采用實驗教學結合課堂教學的教學模式。課堂演示實驗被認為是傳統(tǒng)課堂教學與實驗教學的“橋梁”，在國外高校的《土力學》課程教學中被廣泛采用，取得了較好的教學效果。課堂演示實驗，顧名思義，即在課堂教學中引入演示性實驗，教師借助一些簡單易攜帶的裝置，在課堂上向學生直觀地展示一些土力學的概念，這不僅能夠加深學生對知識點的理解，還能激發(fā)學生的探索求知欲、培養(yǎng)學生的科研素養(yǎng)。

我國高校在開展課堂演示實驗教學方面起步較晚，目前僅有少數(shù)幾所高校的個別教師在課堂演示實驗方面做過一些嘗試與探索。比如，東南大學邵俐等[1]開創(chuàng)性地研發(fā)了毛細水運動演示實驗裝置、土體觸變性演示實驗裝置；浙江大學林偉岸等[2]研制了包括土體主動和被動破壞演示儀、砂土剪切體積變形演示儀、飽和土體振動液化演示儀等在內(nèi)的7套課堂演示實驗設備；河海大學沈揚等[3]則在實驗設備尺寸上作了有益的改進，將實驗裝置分解成不同模塊，更能發(fā)揮學生的動手能力；同濟大學梁發(fā)云等[4]設計了模擬飽和土滲流固結的課堂演示裝置。上述嘗試均取得了較好的教學效果，且通過這種較“新”的教學模式能夠扭轉土力學在學生心中較“土”的思維定勢，值得進一步推廣與普及。但總體而言，國內(nèi)高校在課堂演示實驗的探索仍然較少，相關的簡單演示儀器仍需大力發(fā)展研制。針對《土力學》課程教學中存在的一些共性問題，對開展基于課堂演示實驗的《土力學》課程教學改革進行了分析和探討，對課堂演示實驗的內(nèi)容作了進一步的討論，最后以有效應力原理為例，闡述了課堂演示實驗的思路。

1 《土力學》課程教學中存在的問題

根據(jù)高等學校土木工程專業(yè)本科教學培養(yǎng)目標和培養(yǎng)方案及課程教學大綱(簡稱大綱)，《土力學》課程應安排48個學時(含實驗學時)，國內(nèi)不同高校的《土力學》課程根據(jù)專業(yè)的不同側重點，在大綱要求的基礎上對學時略有增減。以中南大學為例：《土力學》總學時為48學時，其中，實驗學時為8學時，具體包括土的密度及含水率測定、土的液塑限測定、土的最大干密度及最優(yōu)含水率測定、土的固結/直剪實驗、以及土的動/靜三軸實驗(僅教師演示)。無論是課堂教學還是實驗教學，大量的實踐表明，實際的課程教學效果由于種種原因難以達到預期效果，大多數(shù)高校存在一些共性問題，下面將分別展開說明。

1.1 《土力學》課堂教學

(1) 《土力學》課堂教學形式單一，學生積極性難以調(diào)動。自教育部要求高等教育“本科為本”扭轉重科研輕教學現(xiàn)狀以來，國內(nèi)高校越來越重視教學改革。主流的教育理念無不例外地強調(diào)了調(diào)動學生主體積極性的重要性。然而，目前大多數(shù)高校的課堂教學仍然以“教師講，學生聽”為主的授課方式，《土力學》作為一門重實踐的課程，如何提升學生主動探究土力學基本理論并解決實際工程問題的能力是亟需解決的難題。另一方面，傳統(tǒng)的“黑板板書+PPT”的授課方式不能滿足學生對于概念、原理的深入理解，借助新型多媒體技術等教輔手段開展土力學課堂教學勢在必行[5-7]。

(2) 《土力學》教學內(nèi)容尚需優(yōu)化?！锻亮W》課程內(nèi)容與工程地質、地基處理等相關課程內(nèi)容存在一定的重復，需要根據(jù)各專業(yè)課程體系統(tǒng)籌安排、優(yōu)化課程內(nèi)容。土力學來源于工程實踐，目前的教學內(nèi)容過多偏向于復雜理論的推導，對于理論背后的工程背景與其應用的工程案例有所忽視，這導致學生知其然而不知其所以然；且理論學習往往提前或滯后于實驗學習，致使學生缺乏連貫性的學習體驗，不利于學生的能力擴展[8]。另一方面，若能在課堂教學過程中引入部分注冊巖土工程師考試試題案例[9]，則更能培養(yǎng)強化學生的應用能力，也能激起學生的學習興趣。同時，目前土力學教學內(nèi)容更新程度遠落后于學科的發(fā)展，一些新理論、新技術、新方法并未在課堂教學中體現(xiàn)。

(3) 課程思政中的中國元素還需進一步挖掘。開展課程思政教育是高校落實習近平新時代中國特色社會主義思想，全面貫徹黨的教育方針,培養(yǎng)大國工匠精神,落實立德樹人根本任務的主要途徑之一。近年來，我國的重點工程建設取得了舉世矚目的偉大成就，以港珠澳大橋、大興國際機場、川藏鐵路、白鶴灘水電站大壩等為代表的超級工程也越來也多的出現(xiàn)在了土力學課堂教學之中，學生通過了解超級工程建設，不僅加深了對土力學理論的理解，還增強了愛國主義情懷、責任感和使命感。與此同時，思政教育中的更多中國元素還需進一步挖掘。比如，多數(shù)老師會通過比薩斜塔的前世今生來講解地基變形問題，但在我國比比薩斜塔早建200多年的蘇州虎丘斜塔卻很少提及，學生更是知之甚少，因此，若能以虎丘斜塔為思政元素，不僅能宣揚中國的傳統(tǒng)建筑，也能進一步增強文化自信。

1.2 《土力學》實驗教學

(1) 實驗學時少，現(xiàn)場測試實驗未得到重視。土力學實驗課時一般設置為5～8學時，大多數(shù)集中在顆粒篩分、液塑限測定、直剪實驗等耗時短、易操作的實驗，授課老師在學生真正開始動手實驗之前，通常需要花大量的時間和精力講解實驗原理、實驗注意事項等，嚴重地擠壓了學生的動手操作時間，學生疲于機械操作，缺少獨立觀察、思考的時間；對于固結實驗、三軸實驗等耗時長、操作復雜的實驗，授課老師往往會選擇略過某些步驟，或者只展示部分操作，導致學生的學習體驗感差，難以激發(fā)學生的學習興趣[8]。另一方面，國內(nèi)多數(shù)高校并不重視現(xiàn)場測試實驗[10]，甚至很多經(jīng)典的原位測試實驗在課堂教學中也被一筆帶過，學生無法真正掌握原位測試的相關技術，無法體會到土力學的工程實踐性，不利于今后從事巖土工程相關專業(yè)學生的職業(yè)生涯發(fā)展。

(2) 實驗儀器缺乏，學生實驗全程參與度不夠。目前國內(nèi)高校普遍存在學生人數(shù)多與土力學實驗儀器少的矛盾，難以滿足學生獨立開展全部土力學實驗的要求，因此，學生通常以小組為單位開展相關實驗并撰寫實驗報告，而小組實驗則容易導致部分同學存在“劃水”心態(tài)，甚至是全程旁觀，難以實現(xiàn)人人參與、人人動手的目標，教師也難以掌握每位學生的學習情況。另一方面，學生在開始實驗前，很少參與選土、取土、烘土等一系列前期準備工作，學生的實驗全程參與度嚴重不夠，導致對土的性質缺乏直接、感性的認識。

(3) 虛擬實驗教學平臺普及率低。近年來，虛擬仿真技術由于投入小、操作靈活、場地不受限等優(yōu)點，受到了廣泛的關注，并逐漸成為土木工程專業(yè)實驗教學的輔助手段[11-14]。教育部于2019年成立了國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺，旨在實現(xiàn)各學科高質量實驗教學資源的網(wǎng)絡共享。然而，目前國內(nèi)土力學虛擬實驗教學平臺整體普及率較低，僅有同濟大學[11]、北京交通大學[12]等極少部分高校開展了土力學虛擬實驗平臺的初步探究與應用。

2 開展課堂演示實驗教學的必要性

傳統(tǒng)《土力學》課程教學包括課堂教學與實驗教學，在課堂教學中引入一些創(chuàng)新性演示實驗，增強學生對土力學理論的感性認識，進一步拓寬了實驗教學的時間與空間，是《土力學》課程教學改革中的有益嘗試。下面將針對開展課堂演示實驗教學的必要性作進一步探討。

(1) 課堂教學與實驗教學的“銜接橋梁”。土力學課堂教學以理論、概念傳授為主，而實驗教學則以土體基本物理力學指標測定為主，學生通過土力學理論學習來指導實驗操作，并通過土力學實驗加深對土力學基本概念的認識，兩者從形式上相互銜接、從內(nèi)容上相互補充。但就目前國內(nèi)大多數(shù)高?！锻亮W》課程而言，仍然存在一定的不足：土力學存在很多抽象的概念與理論，僅通過教師課堂教學以及有限的實驗教學方式，學生無法深刻理解其中的內(nèi)涵。比如，通過不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)的大小來判斷土的粒徑分布曲線是否良好，然而，對級配“不良”與“良好”的描述都比較抽象；有效應力原理是土力學最重要的理論之一，但對其原理的闡述則相對較為抽象，涉及總應力、孔隙水壓力等概念。通過課堂演示實驗，上述的概念能夠直觀、清晰地展現(xiàn)出來，對傳統(tǒng)課堂教學與實驗教學而言，起到了很好的“銜接橋梁”作用。

(2) 激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。課堂演示實驗是中學物理、化學教學過程中的一種重要手段，教師在課堂教學中采用一些簡單的儀器揭示物理化學原理，不僅能活躍課堂氣氛、凝聚學生注意力，還能激發(fā)學生的學習興趣。然而，由于課堂教學與實驗教學在授課老師以及授課時間方面都相對獨立[13]，導致課堂演示實驗在大學課堂中較為少見。在土力學課堂教學中推廣演示性實驗，通過對實驗現(xiàn)象的觀察、思考、分析與總結，有助于學生理解和掌握土力學基本原理、養(yǎng)成嚴謹?shù)目茖W態(tài)度；同時，鼓勵學生自己動手參與演示實驗設備的研發(fā)、改造與優(yōu)化，并參加各類大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到了積極促進的作用，有助于形成良好的科學素養(yǎng)。

(3) 促進教師課堂教學反思，提高課堂教學水平。在《土力學》課程教學中推廣課堂演示實驗不僅促進了學生能力的培養(yǎng)，對廣大教師而言，也能起到積極促進作用。首先，課堂演示實驗需要教師選擇合理的演示內(nèi)容，在短時間內(nèi)呈現(xiàn)給學生足夠明顯的實驗現(xiàn)象，并且做好充足的課前準備。同時，需要教師根據(jù)學生的實時反饋以及課堂演示實驗效果及時做出相應調(diào)整，大大提高了教師課堂教學反思能力，并最終提高課堂教學水平，實現(xiàn)教學相長。

3 課堂演示實驗的內(nèi)容探討

課堂演示實驗是傳統(tǒng)實驗方式的重要補充，在內(nèi)容的選擇上應考慮到實際的操作性：實驗裝置應盡可能的簡單、易攜帶且最好能方便學生改造再創(chuàng)新，實驗演示應盡可能的在短期內(nèi)達到預期效果、不占用過多的課堂教學時間。以土力學(第三版，馬建林主編)教材為例[15]，按照不同章節(jié)，列舉了可作為課堂演示實驗的內(nèi)容，具體分別為：

(1) 土的物理性質：級配良好與不良土體的區(qū)別，毛細水的上升與運動，土的膨脹與收縮。

(2) 土的滲透性及水的滲流：土體滲透系數(shù)的影響因素，管涌與流土現(xiàn)象。

(3) 土和地基中的應力及分布：有效應力原理。

(4) 土的變形性質及地基沉降計算：不同排水條件的飽和土滲透固結。

(5) 土的抗剪強度：黏聚力的直觀表現(xiàn)，土的剪縮/剪脹特性。

(6) 天然地基承載力：平板載荷、靜力觸探、動力觸探等原位測試實驗。

(7) 土壓力：基于朗肯和庫侖理論的土體主/被動破壞，土拱效應。

(8) 土坡穩(wěn)定分析：最危險滑動面演示，滑坡發(fā)展演示。

(9) 地基處理：加筋土演示。

(10) 土的動力及地震特性：砂土地震液化。

上述所列內(nèi)容部分已在一些高校土力學課堂教學中實現(xiàn)，隨著土工測試技術的不斷革新，課堂演示實驗的內(nèi)容也需相應更新，需要所有教師的共同努力改進、優(yōu)化、并積極推廣在課堂教學中的應用。中南大學《土力學》是湖南省一流本科線上線下混合式課程，目前課程團隊成員正在積極研制、優(yōu)化與上述內(nèi)容相關的課堂演示實驗儀器，下文將以有效應力原理為例，對課堂演示實驗的思路加以說明。

4 課堂演示實驗

有效應力原理是《土力學》最基本最重要的一個原理，它的出現(xiàn)標志著《土力學》成為一門真正獨立的學科。根據(jù)太沙基的有效應力理論，作用在飽和土體上的總應力p等于作用在土骨架上的有效應力σ′與孔隙水壓力μ之和。為更加直觀地向學生展示有效應力原理，可通過研制如圖1所示的簡單裝置。裝置主要包含了彈簧、測壓管、活塞，其中彈簧模擬土骨架，測壓管直觀顯示孔隙水壓力大小(見圖1(a))。在施加總應力p的瞬間(見圖1(b))，孔隙水來不及排出，總應力完全由孔隙水壓力(即超靜水壓力)承擔，此時有效應力為0；隨著孔隙水壓力的消散(見圖1(c))，部分總應力由土骨架承擔，此時彈簧產(chǎn)生了一定的變形，且變形量通過胡克定律即可求出；當孔隙水壓完全消散后(圖1(d))，此時有效應力等于總應力。

此外，還可以通過布置一些精密傳感器對上述裝置加以改進，比如直接通過測得彈簧的變形量讀出彈簧彈力，即有效應力的數(shù)值。

圖1 有效應力原理演示實驗裝置示意圖

5 結 論

課堂演示實驗作為課堂教學與實驗教學的“銜接橋梁”，是提高學生學習興趣、培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力，也是提高課堂教學水平的一種重要手段?！锻亮W》是一門實踐性強的學科，涵蓋了很多抽象的概念和理論，在實驗教學課時有限的情況下，大力發(fā)展課堂演示實驗對《土力學》課程教學改革具有重要的促進作用。