邊曉亞，趙哲坤，陳旭勇，武 林

（武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 湖北 武漢 430074)

意大利比薩斜塔最初設(shè)計(jì)是垂直豎立的，但動(dòng)工五六年后，塔身從三層開始傾斜，直到完工塔身還在傾斜。其實(shí)這是可以運(yùn)用土力學(xué)教材中土的“壓縮性與固結(jié)沉降”的知識(shí)來解釋的。比薩斜塔傾斜是因?yàn)榈鼗至訛榉凵?，外部荷載增加，地基產(chǎn)生不均勻沉降，塔身向沉降一側(cè)傾斜。建筑事故調(diào)查表明，很多事故發(fā)生的原因是地基基礎(chǔ)的問題，其發(fā)生原因和補(bǔ)救措施也都是可以運(yùn)用土力學(xué)的知識(shí)來解釋的。由此可以看出，土力學(xué)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和實(shí)踐性，其相關(guān)知識(shí)點(diǎn)可直接與工程實(shí)際問題相結(jié)合。

與此同時(shí)，我國于2017 年正式啟動(dòng)“新工科”建設(shè)項(xiàng)目，全國各高校紛紛結(jié)合自身實(shí)際情況積極開展一些教學(xué)改革實(shí)踐，以應(yīng)對(duì)全球新科技產(chǎn)業(yè)革命的挑戰(zhàn)及支持“中國制造2025”等國家戰(zhàn)略[1]。同濟(jì)大學(xué)將虛擬三軸實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)引入土力學(xué)課程教學(xué)，強(qiáng)調(diào)以虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)理念，提高教學(xué)質(zhì)量和水平[2]；中國地質(zhì)大學(xué)通過在土力學(xué)課程中引入項(xiàng)目教學(xué)法，證明項(xiàng)目教學(xué)培養(yǎng)的學(xué)生，知識(shí)掌握更加清晰牢固，實(shí)踐能力更強(qiáng)，學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性更高[3]；廣東海洋大學(xué)嘗試將Matlab 可視化引入土力學(xué)教學(xué)，發(fā)現(xiàn)其可以改善教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的工程直覺能力，提升學(xué)生Matlab的編程技巧[4]；長(zhǎng)沙理工大學(xué)結(jié)合實(shí)際工程中的典型案例來講授理論書本知識(shí)和專業(yè)技能，通過師生間合作和互動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生去思考，提高了學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力[5]。從上述各高校的土力學(xué)教學(xué)改革來看，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，具有更好的教學(xué)效果。因此，結(jié)合當(dāng)前高校的專業(yè)特色及專業(yè)學(xué)科設(shè)置特點(diǎn)，根據(jù)學(xué)生培養(yǎng)大綱及知識(shí)接受能力，將工程案例融入土力學(xué)課程的教學(xué)中，尋找出一條理論性與實(shí)踐性完美融合的土力學(xué)教學(xué)路徑，是切實(shí)可行的。

1 土力學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀和問題

我國近幾年新出版的教材，內(nèi)容層次有一定提升，地區(qū)性和專業(yè)性更強(qiáng)[6-7]。綜合部分教材內(nèi)容，土力學(xué)課程主要有以下特點(diǎn)：

一是名詞及其符號(hào)偏多。土力學(xué)教材大多設(shè)置8 章內(nèi)容，每一章都存在了大量的名詞，機(jī)械記憶，概念很容易混淆。例如第一章中土的物理性質(zhì)與分類，土常見的物理性質(zhì)指標(biāo)以及符號(hào)就多達(dá)13 種（含水量、相對(duì)密度、密度、干密度、濕密度、飽和密度、浮密度、重度、干重度、飽和重度、浮重度、孔隙比、孔隙率、飽和度），想要短時(shí)間內(nèi)記憶、理解、掌握的難度較大。

二是思維跳躍性較大。土力學(xué)沒有統(tǒng)一的力學(xué)研究背景，固結(jié)特性分析、沉降特性分析、穩(wěn)定性分析等各章節(jié)中針對(duì)土體所作的假設(shè)條件都不是統(tǒng)一的。土力學(xué)研究對(duì)象雖然是具體的工程材料，但研究方法卻很抽象。

三是真實(shí)性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)。土力學(xué)的主要研究對(duì)象是土，不同于材料力學(xué)與彈塑性力學(xué)中所假設(shè)的彈塑性構(gòu)件、彈塑性體具有真實(shí)可觸性。另外，土力學(xué)包含了大量的土工試驗(yàn)，土工試驗(yàn)貫穿了整個(gè)土力學(xué)教學(xué)，土工試驗(yàn)與基礎(chǔ)知識(shí)理論也是緊密結(jié)合的，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力有一定要求，實(shí)踐性較強(qiáng)。

土力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容與課程屬性導(dǎo)致在實(shí)際課程教學(xué)中存在諸多問題，主要體現(xiàn)在：

第一，教學(xué)所需學(xué)時(shí)大于現(xiàn)有學(xué)時(shí)。據(jù)了解，大多數(shù)本科院校土力學(xué)教學(xué)設(shè)置30~40 學(xué)時(shí)，教材內(nèi)容不斷加大深度，教學(xué)課時(shí)不變。教材內(nèi)容和教學(xué)課時(shí)之間存在著矛盾，必須以合適的途徑優(yōu)化教學(xué)方法。

第二，土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較差。很多高校由于學(xué)生多、指導(dǎo)老師少、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備不齊全、土工實(shí)驗(yàn)課時(shí)少等諸多因素，學(xué)生很少能真正參與到土力學(xué)土工實(shí)驗(yàn)中。且很多高校教師在講授土力學(xué)時(shí)，更偏向講述基本概念、理論和方法，忽視土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)。此教學(xué)環(huán)境下的學(xué)生并不具備獨(dú)立開展實(shí)驗(yàn)的能力。

第三，土力學(xué)教材案例具有局限性。土力學(xué)教材基本都是針對(duì)飽和土而展開研究，如土的滲透性一節(jié)就是在假定土體是飽和情況下學(xué)習(xí)的。但工程土大多是非飽和的，學(xué)生剛進(jìn)入工作不能直接運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題。因此，在教學(xué)中引入一些非飽和土的案例分析，對(duì)學(xué)生來說也是非常有必要的。

上述對(duì)土力學(xué)課程內(nèi)容特點(diǎn)及教學(xué)問題進(jìn)行分析后，可以看出傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難滿足當(dāng)下的教學(xué)需求，必須打破傳統(tǒng)的教學(xué)局限性。

2 工程案例教學(xué)的特點(diǎn)

案例教學(xué)是選取具體的工程案例進(jìn)行精細(xì)化處理，設(shè)計(jì)成學(xué)生能接受的案例，讓學(xué)生通過對(duì)工程案例的思考，提出問題、分析問題、解決問題[8]。案例的選擇至關(guān)重要，案例最好選材于國家基礎(chǔ)建設(shè)工程。學(xué)生對(duì)這些不陌生，不會(huì)產(chǎn)生抵觸感，方便查閱相關(guān)信息[9]。授課老師須具備豐富現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，最好從事相關(guān)的科研項(xiàng)目，能充分理論聯(lián)系實(shí)踐，可以給學(xué)生提供施展自己想法的平臺(tái)。需注意的是，工程案例教學(xué)是基于工程案例的課程教學(xué)，不能因?yàn)楣こ瘫尘暗膸敫羞^強(qiáng)而脫離教材，其教學(xué)的核心仍舊是教材。案例教學(xué)更類似于啟發(fā)式教學(xué)，在工程背景下，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合教材知識(shí)點(diǎn)去在工程中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，在授課老師幫助下解決問題。

3 工程案例在土力學(xué)教學(xué)中應(yīng)用

案例教學(xué)在土力學(xué)中的應(yīng)用并不陌生，太沙基就曾在麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)以工程案例講授土力學(xué)。工程中勘察、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收的基本原理很大一部分也是可歸結(jié)為土力學(xué)的基本知識(shí)點(diǎn)。將工程中經(jīng)典案例融入土力學(xué)的教學(xué)中，通過工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景、實(shí)物介紹土力學(xué)的基本概念，分析其影響因素、解決辦法；通過工程背后的力學(xué)問題，介紹其力學(xué)分析方法，讓學(xué)生通過力學(xué)計(jì)算，驗(yàn)證建筑施工的安全性、可行性；通過工程勘察設(shè)計(jì)，引入土工實(shí)驗(yàn)，介紹土工實(shí)驗(yàn)方法，開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合理論知識(shí)計(jì)算其相關(guān)參數(shù)。以下舉兩個(gè)例子，講明如何結(jié)合工程案例講授土力學(xué)。

3.1 實(shí)例1：基坑工程案例中學(xué)習(xí)土壓力

在土力學(xué)教材中，土壓力一章內(nèi)容主要包括擋土墻側(cè)的土壓力分類、朗肯土壓力理論、庫倫土壓力理論、朗肯土壓力理論和庫倫土壓力理論的比較。本章概念性較強(qiáng)，公式計(jì)算難度較大，且又是教學(xué)重點(diǎn)，教師教學(xué)難度大。教學(xué)要求是通過本章的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生掌握土壓力的概念、形成條件、朗肯土壓力理論和庫倫土壓力理論，并具備應(yīng)用土壓力計(jì)算解決一般工程實(shí)例的能力。

在基坑工程中，會(huì)采取擋土結(jié)構(gòu)物來做基坑支護(hù)，其目的是用來支擋土體的側(cè)向移動(dòng)，保證基坑的穩(wěn)定性。各類擋土結(jié)構(gòu)物在支擋土體的同時(shí)必然會(huì)受到土體的側(cè)向壓力作用，這就引出來了土壓力這一概念。根據(jù)基坑中擋土墻、場(chǎng)內(nèi)堆土擋土墻的位移情況和擋土墻后面土體的應(yīng)力狀態(tài)，可以引出為靜止土壓力、主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力的概念，并且可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析影響土壓力的因素?；由疃瘸^5 米就是深基坑，在基坑開挖之前必須對(duì)深基坑施工方案進(jìn)行安全驗(yàn)算，剛好可以選取懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算書中的土壓力計(jì)算這一部分內(nèi)容作為教學(xué)案例，給定土層參數(shù)，讓學(xué)生運(yùn)用朗肯土壓力理論和庫倫土壓力理論進(jìn)行主動(dòng)土壓力計(jì)算、被動(dòng)土壓力計(jì)算、基坑內(nèi)側(cè)土反力計(jì)算。待學(xué)習(xí)土坡穩(wěn)定性這一章節(jié)后，還可以給定荷載參數(shù)、計(jì)算系數(shù)讓學(xué)生運(yùn)用圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算。通過這兩章知識(shí)的學(xué)習(xí)讓學(xué)生具有單獨(dú)完成基坑懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的能力。

3.2 實(shí)例2：道路工程案例中學(xué)習(xí)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)

土力學(xué)課程中的土工實(shí)驗(yàn)包含了密度實(shí)驗(yàn)、含水率實(shí)驗(yàn)、土粒比重實(shí)驗(yàn)、顆粒分析實(shí)驗(yàn)、界限含水率實(shí)驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、滲透實(shí)驗(yàn)、固結(jié)實(shí)驗(yàn)、直接剪切實(shí)驗(yàn)、三軸實(shí)驗(yàn)10 種實(shí)驗(yàn)?？傮w而言，土工實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少、任務(wù)重。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式比較單一，實(shí)驗(yàn)時(shí)間少，學(xué)生要在短時(shí)間內(nèi)完成多種實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與理論課程內(nèi)容有一定程度的脫節(jié)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的時(shí)候已經(jīng)忘記理論知識(shí)，完全是機(jī)械地按照操作步驟去做實(shí)驗(yàn)，沒有自己的理解，更談不上用所學(xué)理論知識(shí)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)了。這就造成學(xué)生對(duì)教師依賴性較強(qiáng)，教學(xué)效果差，也無法激發(fā)學(xué)生的專研興趣。

在道路工程中，我國的工程師們對(duì)固化淤泥進(jìn)行了大量的研究，以獲得廉價(jià)、堅(jiān)實(shí)、耐用的筑路材料，且此技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。此方法下固化劑的選擇至關(guān)重要，需要進(jìn)行一系列的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。首先，研究人員需要對(duì)淤泥進(jìn)行密度實(shí)驗(yàn)、含水率實(shí)驗(yàn)、土粒比重實(shí)驗(yàn)、顆粒分析實(shí)驗(yàn)、界限含水率實(shí)驗(yàn)測(cè)出淤泥的基本物理性質(zhì)指標(biāo)；然后選擇固化劑對(duì)淤泥進(jìn)行三軸試驗(yàn)，選出固化劑合適摻量；最后通過剪切實(shí)驗(yàn)、固結(jié)實(shí)驗(yàn)探討固化劑或者其他因素對(duì)固化土剪切特性、固結(jié)特性的影響。此工程剛好可以貫穿整個(gè)土力學(xué)土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同時(shí)具有很大的自主性，可以激發(fā)同學(xué)們的科研興趣，表現(xiàn)得好的話，甚至可以發(fā)表一些優(yōu)秀的論文和專利。在實(shí)驗(yàn)過程中，還需結(jié)合相關(guān)章節(jié)公式進(jìn)行計(jì)算，剛好滿足土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初衷，鞏固了理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生下一步學(xué)習(xí)和發(fā)展。

4 教學(xué)實(shí)踐與反饋

在不影響正常教學(xué)的前提下，筆者于2022 年在武漢工程大學(xué)選取土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)（上述例二）進(jìn)行案例教學(xué)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)學(xué)生意愿將土木工程專業(yè)36 名同學(xué)分成傳統(tǒng)教學(xué)組和案例教學(xué)組，每組18 人。傳統(tǒng)教學(xué)組接受正常土工試驗(yàn)教學(xué)，案例教學(xué)組以筆者的國家基金項(xiàng)目（高靈敏性人工軟土地基打入樁承載力時(shí)變規(guī)律及可靠度設(shè)計(jì)研究）為背景，在研究生的帶領(lǐng)下根據(jù)理論教學(xué)進(jìn)度展開土工實(shí)驗(yàn)，一直到課程結(jié)束。為了解案例教學(xué)的實(shí)施效果，在課程結(jié)束時(shí)開展了兩項(xiàng)調(diào)查工作。第一項(xiàng)以學(xué)生對(duì)兩種教學(xué)模式的滿意度、學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的掌握程度等內(nèi)容組織了問卷調(diào)查，問卷調(diào)查內(nèi)容及統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果可知，學(xué)生對(duì)案例教學(xué)模式滿意度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)教學(xué)，興趣更高。二是課程所有環(huán)節(jié)結(jié)束后，針對(duì)兩種教學(xué)環(huán)境下學(xué)生的成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖1（p133）所示?？梢钥闯?，傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境下學(xué)生成績(jī)呈正態(tài)分布，案例教學(xué)打破了常規(guī)的教學(xué)成績(jī)分布規(guī)律，學(xué)生成績(jī)均達(dá)到了及格水平以上，更多學(xué)生取得高分成績(jī)，學(xué)生整體成績(jī)明顯提高。值得一提的是，在課程結(jié)束后，案例教學(xué)組的2 名同學(xué)向?qū)W校成功申請(qǐng)了校長(zhǎng)基金，開展了廢舊混凝土顆粒料—水泥固化淤泥力學(xué)特性的研究，均向《武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)》投遞了相關(guān)論文。

圖1 兩種教學(xué)環(huán)境下學(xué)生成績(jī)分布

表1 問卷調(diào)查部分內(nèi)容與統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5 結(jié)語

在土力學(xué)教學(xué)中，引入有針對(duì)性的工程案例，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科研探索精神，有助于學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S模式，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，對(duì)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)發(fā)展有很好的推進(jìn)作用。同時(shí)，工程案例教學(xué)法的探索是個(gè)長(zhǎng)期而又需要不斷革新的過程，教師應(yīng)該花費(fèi)更多時(shí)間在教案編制上，以適當(dāng)?shù)墓こ?、前沿的技術(shù)結(jié)合教材去傳授土力學(xué)知識(shí)，以理論與實(shí)踐結(jié)合、知識(shí)與能力并重的教學(xué)理念培養(yǎng)學(xué)生。