戴北冰 趙紅芬 常丹 劉建坤 林凱榮

摘要：土力學(xué)是一門實(shí)踐性學(xué)科。傳統(tǒng)課堂理論教學(xué)存在知識點(diǎn)繁多、內(nèi)容體系復(fù)雜、與實(shí)際脫節(jié)等問題，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)也有課時(shí)、場地、設(shè)備等時(shí)間、空間和資源等方面的限制和約束，導(dǎo)致整體教學(xué)效果欠佳。中山大學(xué)土力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)秉持“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)理念和方法，開展土力學(xué)教學(xué)改革探索。一方面，在課堂理論教學(xué)中引入實(shí)體教學(xué)模型，強(qiáng)化學(xué)生對理論模型、抽象概念以及工程實(shí)際的理解和認(rèn)識；另一方面，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)平臺，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空局限性和資源約束?；凇疤搶?shí)結(jié)合”的教學(xué)手段，可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提升土力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量和效果。

關(guān)鍵詞：土力學(xué)；虛實(shí)結(jié)合；實(shí)體模型；虛擬仿真

中圖分類號：G642.0? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2909（2023）04-0112-08

一、土力學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀

（一） 土力學(xué)課程特點(diǎn)

土力學(xué)是一門以土這種天然材料為研究對象，研究土的基本力學(xué)性質(zhì)，如滲透、強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定性等，及其工程應(yīng)用的學(xué)科，是力學(xué)的一個(gè)重要分支，屬于工程力學(xué)范疇，具有很強(qiáng)的理論性、實(shí)踐性和應(yīng)用性等特點(diǎn)。土力學(xué)課程是一門土木工程、勘查技術(shù)與工程、地質(zhì)工程等專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門知識面廣，理論、技術(shù)與實(shí)踐結(jié)合緊密的課程。在土木工程專業(yè)課程體系中，土力學(xué)是一門承上啟下的重要專業(yè)課程。該課程的學(xué)習(xí)需要上承高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)等數(shù)學(xué)和力學(xué)課程，也是基礎(chǔ)工程、基坑工程、邊坡工程、地基處理等后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生需要熟悉了解土的基本物理力學(xué)性質(zhì)、掌握土力學(xué)的基本理論和一般土工實(shí)驗(yàn)方法，學(xué)會綜合運(yùn)用土力學(xué)的基本原理、概念和方法解決實(shí)際工程中有關(guān)土體強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性等問題。土力學(xué)及課程具有如下特點(diǎn)［1-2］。

（1）研究對象比較復(fù)雜。土是一種天然材料，具有三相性、非連續(xù)性、結(jié)構(gòu)性等有別于一般連續(xù)介質(zhì)的獨(dú)特性質(zhì)，其賦存狀態(tài)還受到時(shí)空分布、荷載條件、溫度以及其他外界因素的影響。因而，土的物理力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜，一般難以得到精確描述和準(zhǔn)確預(yù)測。

（2）課程內(nèi)容知識點(diǎn)多。土力學(xué)課程內(nèi)容一般可分為基礎(chǔ)和專題兩大部分?；A(chǔ)部分主要介紹土的基本物理力學(xué)性質(zhì)，包括土的基本物理性質(zhì)與工程分類、土的滲透性、土和地基中的應(yīng)力及分布、土的變形及地基沉降計(jì)算、土的抗剪強(qiáng)度。專題部分則主要介紹經(jīng)典土力學(xué)實(shí)際問題，包括地基承載力、擋土墻土壓力、邊坡穩(wěn)定性、地基處理等。內(nèi)容豐富、布局嚴(yán)謹(jǐn)，但知識點(diǎn)比較多，在有限的時(shí)間內(nèi)教好學(xué)好存在一定的難度。

（3）學(xué)科交叉性強(qiáng)。土力學(xué)知識面廣，涉及多個(gè)學(xué)科知識背景，學(xué)科交叉性強(qiáng)。作為一門特殊的力學(xué)課程，土力學(xué)與高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)、流體力學(xué)等數(shù)學(xué)力學(xué)課程聯(lián)系緊密，也需要有土質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、建筑材料等課程作鋪墊和支撐。此外，作為一門實(shí)踐性強(qiáng)的學(xué)科，土力學(xué)還涉及工程設(shè)計(jì)原理、方法和規(guī)范等方面的知識內(nèi)容。

（4）實(shí)踐性強(qiáng)。土力學(xué)主要研究土體在不同受荷情況下的力學(xué)性質(zhì)，看土體強(qiáng)度是否足夠、變形量是否滿足要求、土體或土工筑物是否穩(wěn)定，如經(jīng)典的地基承載力、土壓力和邊坡穩(wěn)定性等問題。本質(zhì)上，關(guān)注的這些問題都源于實(shí)際工程需求，如何在經(jīng)濟(jì)合理的范圍內(nèi)保證地基基礎(chǔ)工程和建（構(gòu)）筑物的安全是首要解決的問題。因此，土力學(xué)的知識構(gòu)架和理論體系是以實(shí)際工程需求為出發(fā)點(diǎn)，為解決建（構(gòu)）筑物在地面以下或與土相互作用的穩(wěn)定安全問題而建立的。

（5）經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)。土是一種三相、非連續(xù)介質(zhì)，受時(shí)空分布的影響其性質(zhì)具有很強(qiáng)的變異性，因此，土力學(xué)中基于理想數(shù)學(xué)力學(xué)模型建立的理論很難周全考慮土這種材料的復(fù)雜性、特殊性及工程的實(shí)際情況。根據(jù)理論推導(dǎo)模型提出研究假設(shè)，使用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)對理論計(jì)算公式進(jìn)行修正，或直接使用經(jīng)驗(yàn)公式。另外，基于工程設(shè)計(jì)原則，一般采用安全系數(shù)來保證實(shí)際工程有足夠安全額度，而安全級別的界定和系數(shù)值大小的確定都需要憑借一定的經(jīng)驗(yàn)。

（6）應(yīng)用性廣。土力學(xué)的應(yīng)用極其廣泛，建筑、橋梁、隧道等工程領(lǐng)域都離不開土力學(xué)。除了土木工程領(lǐng)域，地質(zhì)、材料等領(lǐng)域也有土力學(xué)的應(yīng)用。例如，有效應(yīng)力原理和非飽和土力學(xué)相關(guān)理論在地質(zhì)、石油、化工等涉及多孔介質(zhì)的領(lǐng)域都有應(yīng)用和拓展。

（二） 理論教學(xué)的困難與不足

當(dāng)前，土力學(xué)課程課堂理論教學(xué)方面存在的困難主要有以下幾點(diǎn)。

（1）授課形式單調(diào)。在傳統(tǒng)課堂理論教學(xué)中，教師仍采用多媒體結(jié)合板書的教學(xué)方法。然而，土力學(xué)知識點(diǎn)復(fù)雜且枯燥，很難通過多媒體形象地展示土力學(xué)中的理論框架，如土的滲流定律和流網(wǎng)的基本性質(zhì)等。土力學(xué)課程中相關(guān)理論的公式推導(dǎo)較為繁瑣，且大部分基于一系列的假設(shè)條件和半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法，學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)效率不高、學(xué)習(xí)效果較差，很難通過課堂掌握課程的基本理論體系。

（2）內(nèi)容體系復(fù)雜。與其他力學(xué)學(xué)科相比，土力學(xué)的基本理論體系還不夠成熟完善，各個(gè)章節(jié)的內(nèi)容之間相對獨(dú)立，知識點(diǎn)瑣碎，公式較多，邏輯系統(tǒng)性和依賴關(guān)系不強(qiáng)［3］。學(xué)生在學(xué)習(xí)后面章節(jié)時(shí)，很容易忘記前序章節(jié)的內(nèi)容，學(xué)習(xí)效果不好。同時(shí)，土力學(xué)學(xué)科知識體系復(fù)雜，涉及的先修課程較多且大多屬于比較難學(xué)的專業(yè)課程，如材料力學(xué)、理論力學(xué)等。若先修課程掌握不扎實(shí)，學(xué)習(xí)土力學(xué)課程時(shí)則發(fā)現(xiàn)難度較大［4］，影響課程的教學(xué)和學(xué)習(xí)質(zhì)量。

（3）課堂教學(xué)與工程實(shí)踐脫鉤。土力學(xué)課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性，通過學(xué)習(xí)相關(guān)的工程實(shí)踐和工程案例，學(xué)生可以更好地理解土力學(xué)的基本概念、基本理論及應(yīng)用。而目前教師在課堂上大部分時(shí)間需講授土力學(xué)的基礎(chǔ)理論，涉及的工程實(shí)踐內(nèi)容較少，不能很好地將基本理論與工程實(shí)際問題相結(jié)合，導(dǎo)致土力學(xué)課程與巖土工程實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)。

（三） 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困難與不足

在大部分高校的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于多種影響因素的存在，其教學(xué)效果欠佳，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）實(shí)驗(yàn)課時(shí)偏少。目前，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)基本上都安排在理論課程中，由于理論課內(nèi)容較多且復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)課時(shí)偏少，大多集中在8～12課時(shí)左右，很難在有限時(shí)間內(nèi)充分開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生對部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容掌握不全面。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在整個(gè)土力學(xué)課程成績中占比不高，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課不夠重視。

（2）學(xué)生參與度不夠。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備少而學(xué)生人數(shù)多，實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本都是分組進(jìn)行的，每組人數(shù)較多，例如，土力學(xué)中的三軸實(shí)驗(yàn)，安排5～8人一組，部分學(xué)生不能參與實(shí)驗(yàn)操作，甚至有些情況下，教師只進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生課下處理數(shù)據(jù)和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，參與度不夠，教學(xué)效果較差。教師也不能準(zhǔn)確評估學(xué)生的實(shí)驗(yàn)掌握情況。同時(shí)，有些高校相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊老化，損壞較多，影響教學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程。

針對以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺陷，雖然可通過錄制相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻，讓學(xué)生反復(fù)觀摩和學(xué)習(xí)［5］，但學(xué)生不能在線上進(jìn)行實(shí)際操作，對于實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的把握仍達(dá)不到較好的效果。

二、“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)模式

土力學(xué)是一門具有很強(qiáng)理論性、實(shí)踐性和應(yīng)用性的學(xué)科。然而，由于土力學(xué)知識點(diǎn)多，理論教學(xué)仍占據(jù)主導(dǎo)地位，理論教學(xué)課時(shí)一般要兩三倍于實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐課時(shí)，但土力學(xué)又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性，單純采用傳統(tǒng)滿堂灌的方式，在課堂教學(xué)過程中對基本理論假設(shè)、抽象概念、公式推導(dǎo)等事無巨細(xì)地講解，不一定會產(chǎn)生預(yù)期的教學(xué)效果，學(xué)生對相關(guān)知識點(diǎn)的理解并不會因?yàn)榻處熤v得細(xì)而更透徹。因此，在課堂教學(xué)過程中需要從實(shí)踐性和應(yīng)用性出發(fā)，采取合適的教學(xué)手段輔助理論教學(xué)，提升學(xué)生對知識點(diǎn)的理解和運(yùn)用水平。

本著“虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)、以實(shí)促教”的原則［6-7］，一方面基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，開發(fā)土力學(xué)常規(guī)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)，通過開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間和空間上的限制，幫助緩解在場地、設(shè)備等方面的壓力，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充；另一方面，從理論和實(shí)踐背景出發(fā)，開發(fā)制作物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢⒗碚撃Ｐ蛯?shí)體化、工程實(shí)際微縮化，為課堂理論教學(xué)提供直觀的輔助教具，促進(jìn)學(xué)生對理論模型和抽象概念的理解，以及對工程實(shí)際情況的認(rèn)識（圖1）。

三、實(shí)體模型在理論教學(xué)中的應(yīng)用

針對土力學(xué)課程理論性與實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)，在課堂教學(xué)中引入實(shí)體模型實(shí)驗(yàn)。物理模型實(shí)驗(yàn)比較直觀，可定性或定量反映土體的變形特征、失效機(jī)理和失效模式等，讓學(xué)生通過觀察描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并分析原因，提高學(xué)生對理論知識的理解和記憶。為此，以邊坡穩(wěn)定性與自然休止角的模型實(shí)驗(yàn)和地基承載力為例，介紹物理模型實(shí)驗(yàn)在土力學(xué)理論教學(xué)中的應(yīng)用。

（一） 無黏性土邊坡穩(wěn)定性與自然休止角

無黏性土邊坡的穩(wěn)定性分析是土坡穩(wěn)定性分析一章中的重要內(nèi)容?；痉治鏊悸肥牵槍o黏性土邊坡坡面附近的土單元體，根據(jù)受力平衡分析建立土體抗剪強(qiáng)度，即內(nèi)摩擦角，與邊坡坡面傾角α的關(guān)系。如果邊坡傾角α達(dá)到某一極限值，使土中的剪應(yīng)力達(dá)到土體抗剪強(qiáng)度，即該單元體達(dá)到極限平衡狀態(tài)，此時(shí)的極限坡面傾角α稱之為自然休止角。因此，自然休止角是衡量無黏性土邊坡穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，也是表征土體抗剪強(qiáng)度的間接指標(biāo)。為增強(qiáng)學(xué)生對無黏性土邊坡穩(wěn)定性和自然休止角的認(rèn)識和理解，采用如圖2（a）所示的實(shí)體模型生成初始的無黏性土堆積體，然后通過側(cè)孔釋放顆粒形成無黏性土斜坡，如圖2（b）所示，模擬無黏性土邊坡的極限平衡狀態(tài)，闡釋自然休止角（圖中α角）與無黏性土邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系。這樣，以實(shí)體模型和物理實(shí)驗(yàn)來促進(jìn)學(xué)生對無黏性土邊坡穩(wěn)定性和自然休止角等理論和概念的理解和運(yùn)用。

（二） 地基承載力破壞模式

地基在建筑物荷載作用下產(chǎn)生附加應(yīng)力，當(dāng)?shù)鼗心滁c(diǎn)產(chǎn)生的剪應(yīng)力超過此點(diǎn)土體的剪切強(qiáng)度時(shí)，這點(diǎn)就發(fā)生破壞，當(dāng)足夠多的破壞點(diǎn)連在一起形成滑動面時(shí)，滑動面以上的土體發(fā)生相對滑動，地基喪失穩(wěn)定性，導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生傾倒、塌陷等災(zāi)難性破壞。在演示模型實(shí)驗(yàn)中（圖3），通過千斤頂逐漸施加荷載，讓學(xué)生形象地觀察到塑性變形區(qū)先在基礎(chǔ)地面邊緣處產(chǎn)生，然后逐漸向側(cè)面向下擴(kuò)展，最終地基土中形成連續(xù)的滑動面，并延伸到地表面，土從基礎(chǔ)兩側(cè)擠出，并造成基礎(chǔ)側(cè)面地面隆起，整個(gè)地基產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。學(xué)生可觀察到整體剪切破壞過程中經(jīng)歷的壓密階段、剪切階段和破壞階段及其整體剪切破壞的失效模式。

將物理模型實(shí)驗(yàn)引入理論教學(xué)中，獲得了學(xué)生的一致好評，證實(shí)了實(shí)體模型在理論教學(xué)中應(yīng)用的必要性和可行性，這種新型教學(xué)模式提高了學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的主動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課程教學(xué)效果。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

中山大學(xué)土木工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心設(shè)立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，并進(jìn)行了一系列教學(xué)實(shí)驗(yàn)的仿真建設(shè)。下面以土工三軸實(shí)驗(yàn)為例，介紹虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的研發(fā)和應(yīng)用。

三軸實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)介紹、儀器介紹、實(shí)驗(yàn)過程和考試評測幾部分組成（圖4）。實(shí)驗(yàn)介紹是對三軸實(shí)驗(yàn)的概念、原理及應(yīng)用進(jìn)行概述，通過該部分學(xué)生可以回顧土力學(xué)課程理論部分的內(nèi)容，對土體抗剪強(qiáng)度有更深刻的認(rèn)識。儀器介紹部分是對三軸儀各個(gè)部件進(jìn)行說明，可在實(shí)驗(yàn)前了解各個(gè)部件的主要用途。考試評測是測評學(xué)生對三軸實(shí)驗(yàn)的原理、設(shè)備和整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程的把握情況，可作為課程實(shí)驗(yàn)評分的依據(jù)。

三軸實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)的整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程包括試樣制取與飽和、試樣安裝、固結(jié)與剪切實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。

1.試樣制取與飽和

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以重塑土試樣為例對三軸實(shí)驗(yàn)的制樣過程進(jìn)行說明，如圖5（a）所示。試樣的剪切強(qiáng)度、變形與其干密度、含水率、各向異性緊密相關(guān)，受制樣過程的影響較大。根據(jù)試樣的密度和制樣含水率要求，分別稱取一定質(zhì)量拌合后的土樣在三瓣膜內(nèi)分層擊實(shí)，每層擊至預(yù)定高度后刮毛。學(xué)生點(diǎn)擊相應(yīng)的小工具，就可完成拌合土樣、安裝三瓣膜、錘擊等操作。擊完最后一層后，稱取試樣質(zhì)量，并測得其高度。將制備好的試樣放入飽和罐內(nèi)，抽真空飽和，如圖5（b）所示。對不同類型的土體，分別設(shè)置靜置時(shí)間，保證試樣達(dá)到預(yù)定飽和度。

2.試樣安裝

待試樣飽和完成后，通過點(diǎn)擊橡皮膜、承膜筒、吸氣球等小工具，將試樣放入。然后分別點(diǎn)擊透水石、濾紙，將其放入三軸儀底座上，如圖5（c）所示，再放上土樣和濾紙、透水石。將橡皮膜扎緊且各部件接觸穩(wěn)定后，點(diǎn)擊壓力室將其置于底座之上，并擰緊螺母。通過點(diǎn)擊閥門，往壓力室中注水，并在水滿之后，將壓力室上部的螺母擰緊。試樣安裝完成后，可進(jìn)行下一步的固結(jié)和剪切操作。

3.實(shí)驗(yàn)過程

待試樣安裝完成后，選擇實(shí)驗(yàn)類型（3種），設(shè)置固結(jié)圍壓、剪切速率，開始三軸剪切實(shí)驗(yàn)。根據(jù)選取實(shí)驗(yàn)類型的不同，可以輸出位移、排水體積、超靜孔隙水壓力等的變化情況（圖6），同時(shí)系統(tǒng)可自動給出相應(yīng)的變化曲線，如應(yīng)力應(yīng)變曲線、體變曲線和超靜孔隙水壓力時(shí)程曲線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)輸出結(jié)果，學(xué)生可在平臺上通過處理數(shù)據(jù)得到抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

虛擬仿真技術(shù)可以一定程度上緩解實(shí)驗(yàn)效率低、儀器設(shè)備可能受損、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足等問題。學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺隨時(shí)隨地訪問，提高實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間利用率［8-10］。在一些特殊時(shí)期，如新冠疫情流行期間，學(xué)生可以通過仿真平臺深入學(xué)習(xí)土工實(shí)驗(yàn)的原理和操作等內(nèi)容，避免學(xué)生聚集在實(shí)驗(yàn)室?guī)淼囊恍╋L(fēng)險(xiǎn)。

通過仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生操作整個(gè)流程，加深對實(shí)驗(yàn)原理和步驟的理解，提高學(xué)習(xí)的主動性。學(xué)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后再去實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際操作，對儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)流程認(rèn)識更加清晰。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還可通過添加一定的試題來考查學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的掌握情況，在一定程度上避免完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)的抄襲現(xiàn)象，更好地檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

五、教學(xué)效果與評價(jià)

為評估“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)效果，同時(shí)了解學(xué)生對虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)、意見和建議，筆者針對虛擬三軸實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了調(diào)查問卷，問卷內(nèi)容如圖7所示?？陀^選擇題主要用于了解學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的掌握程度，開放問題則主要了解學(xué)生對“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)模式的意見和評價(jià)。問卷調(diào)查在學(xué)生實(shí)際操作三軸實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行。共發(fā)放問卷50份，回收問卷48份，其中有效問卷45份。

五道選擇題中，除第二道正確率為93.3%外，其他正確率均為100%?？梢钥闯觯?0%以上的學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)處理等方面有較好的理解。第二題得分率稍低，主要因?yàn)樵擃}考核的知識點(diǎn)是關(guān)于剪切原理方面的，而目前在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中并不能直觀觀察到試樣變形和最終破壞的形態(tài)，導(dǎo)致學(xué)生對該知識點(diǎn)的掌握稍有欠缺。80%的學(xué)生認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以幫助預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，更好地理解實(shí)驗(yàn)原理和操作流程。部分學(xué)生針對現(xiàn)有的操作系統(tǒng)提出了優(yōu)化建議：（1）在系統(tǒng)中進(jìn)一步補(bǔ)充一些實(shí)驗(yàn)指引和說明；（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和直觀實(shí)驗(yàn)曲線相結(jié)合，以便更好地理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？傮w來說，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理和操作的理解，方便學(xué)生進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作和掌握知識原理。

六、結(jié)語

基于“虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)、以實(shí)促教”的教學(xué)理念和原則，積極探索土力學(xué)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方法?！疤搶?shí)結(jié)合”理念中的“虛”和“實(shí)”有更為廣泛的含義。一方面，通過“虛擬現(xiàn)實(shí)”的技術(shù)手段來建設(shè)“土力學(xué)實(shí)驗(yàn)”的仿真平臺，將實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察等通過仿真技術(shù)形象化、生動化和趣味化，擺脫傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間、空間和設(shè)備資源等方面的限制和束縛；另一方面，“虛”也指“理論概念、模型的抽象和復(fù)雜”，將抽象化和公式化的理論知識附著于“實(shí)體教學(xué)模型”，強(qiáng)化學(xué)生對理論知識和工程實(shí)際的認(rèn)識和理解，提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力?！疤搶?shí)結(jié)合”教學(xué)理念和方法為培養(yǎng)理論知識扎實(shí)、創(chuàng)新實(shí)踐能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的復(fù)合型土木工程人才提供了有力保障。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 金亮星，鄭國勇.基于土木工程專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的土力學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.高等建筑教育，2019，28（2）：53-57.

［2］ 徐慧，王瀷霏.新工科背景下“土力學(xué)與地基基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革實(shí)踐［J］.安徽建筑，2021，28（2）：128-129.

［3］ 趙成剛，白冰.土力學(xué)原理［M］.2版.北京：清華大學(xué)出版社，2019.

［4］ 吳珺華.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下交通工程專業(yè)土力學(xué)教改探討［J］.教育教學(xué)論壇，2020（51）：193-195.

［5］ 何建新，劉亮，楊海華.土力學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)組織的探索［J］.教育教學(xué)論壇，2020（45）：251-252.

［6］ 曹培，張陳蓉，錢建固.土力學(xué)虛擬三軸實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的開發(fā)及應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（1）：127-130.

［7］ 王培濤，任奮華，蔡美峰.基于虛擬現(xiàn)實(shí)和3D打印技術(shù)的“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)模式在巖土工程課程中的應(yīng)用探索［J］.高等建筑教育，2020，29（1）：156-161.

［8］ 陳劍為，田君華，陳曦，等.土力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K的開發(fā)與建設(shè)［J］.高等建筑教育，2018，27（6）：155-160.

［9］ 畢曉茜.虛擬仿真技術(shù)在土木工程類本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.當(dāng)代教育實(shí)踐與教學(xué)研究，2015（7）：15-16.

［10］ 王淑嬙，賀行洋，鄒貽權(quán)，等.土建類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源持續(xù)建設(shè)與實(shí)踐［J］.高等建筑教育，2018，27（5）：159-165.

Abstract： Soil mechanics is a practice-oriented subject. There are a number of tricky problems for the conventional classroom theory teaching， including the diverse knowledge points， complicated content system and disjunction between theory and practice， and the experiment teaching is also constrained by the factors of time， space and resources （e.g. teaching hours， site and equipment）， which lead to an overall poor teaching effect. Enlightened by the principle of virtual-actual combination， the soil mechanics teaching team at Sun Yat-sen University carry out the teaching reformation exploration. On the one hand， we introduce the physical model into the theory teaching， which helps promote students comprehension and recognition of the theoretical model， abstract concept and engineering practice. On the other hand， we construct the simulation platform with the use of virtual reality technology， which helps overcome the limitation of time， space and resources in traditional experiment teaching. The virtual-actual combination based teaching means is able to aid in stimulating students initiative and enthusiasm for learning， cultivation of their innovative thoughts， promotion of the teaching quality and effectiveness of soil mechanics.

Key words： soil mechanics; virtual-actual combination; physical model; virtual reality

（責(zé)任編輯? 周沫）

基金項(xiàng)目：教育部第二批新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目（E-TMJZSLHY20202140）；中山大學(xué)本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目（202193-797）

作者簡介：戴北冰（1980—），男，中山大學(xué)土木工程學(xué)院副教授，博士，主要從事巖土工程研究，（E-mail）daibb@mail.sysu.edu.cn；（通信作者）趙紅芬（1984—），女，中山大學(xué)土木工程學(xué)院副教授，博士，主要從事巖土工程研究，（E-mail）zhaohf7@mail.sysu.edu.cn。