土力学教学方法的思考

发布时间：2019-10-23

　　摘 要: 土力学是土木工程、岩土工程以及地质工程等专业很重要的一门专业基础课，为这些领域其他后续专业基础课的学习提供了必要的理论知识。土力学教学不仅要侧重于基本概念及基本理论，同时更应注重与实际工程问题相结合。结合多年的教学经验，以及工程建设的不断发展带来的新问题、新技术对土力学教学方法进行了一些探索和思考。

　　关键词: 土力学，教学方法，测试技术，工程建设

　　0 引言

　　相比土木工程、岩土工程及地质工程专业其他专业基础课程，土力学课程概念性内容比较多，知识点比较分散，公式比较多、内容连贯性较差，学生学习起来头绪繁多，不具备材料力学的严谨性，不像《基础工程》类似课程具备较强的操作性，因此学习难度较大，学生学习的兴趣较低，给教师教学增加了难度，同时也给学生的学习增加了难度。

　　土力学教学中普遍存在的问题是，基本理论知识的学习与工程应用结合不紧密，教学过度注重于教材，缺乏向工程实践方面的延伸，这就容易给学生造成误解，认为课堂学习不重要，在将来工作中不会用到，从而缺乏学习的动力。而工程建设的对象也就是被我们称之为工程体的对象有三类，包括土体、岩体以及工程结构物。而工程建设中所遇到的关于土的问题基本可以归结为土的强度问题、土的变形问题以及土中的渗流问题。通过土力学课程的学习，学生对土力学基本概念以及基本原理的掌握不应仅仅作为课程学习的目标，而应使学生具备利用土力学基本原理及知识去分析、解决土力学问题的能力。随着工程技术、计算技术以及测试技术的飞速发展，土力学教学内容及方法也应随之进行创新和发展。下面结合作者的实际教学经验，谈一点教学体会和思考。

　　1 明确土力学研究对象的普遍性和特殊性

　　与其他经典力学相比，土力学以人们非常熟悉的土作为主要研究对象，它以力学基本理论知识为基础来研究不同应力状态下土的强度、变形以及渗流问题，当土体本身作为一种工程结构物时还要研究它的长期稳定性[1]。

　　1. 1 土的成因决定了土的特性，在系统教学中应该贯穿始终

　　土的普遍性体现在它在我们的生活中随处可见，《说文解字》里说过: “土”者，是地之吐生万物者也，彼时，土的重要性来源于它是万物生长的土壤，是为人们提供衣食住行的温床。然而随着人类社会和文明的发展，土已经不仅仅作为供万物生长的土壤，可以说现代社会的生产、生活以及工程建设都离不开土。自 1773 年 Coulomb 首开先河提出极大极小准则在若干静力学问题中的应用以来，土作为一种工程体或工程研究的对象，它的工程特性开始被关注，这也为土力学的发展奠定了基础[1]。土力学理论的发展经历了最开始的土体破坏理论，土体变形理论以及现代土力学的一个模型、三个理论和四个分支，随着理论的发展土工测试技术特别是原位测试技术和模型试验技术也有了很大的进展。近年来，随着大型工程建设的发展土力学理论分析和工程应用在我国取得了突飞猛进的发展，随着工程应用越来越广，测试技术越来越高我们对土的力学特性的认识愈加深入。

　　土的普遍性和特殊性是由土的成因决定的，土是岩石风化的产物这一成因即决定了土具有碎散性、三相性以及自然历史性的特点。而这些特性造成了土体在物理力学特性上的复杂性，因此与经典力学课程相比土力学这门课程内容比较多，连贯性和系统性比较差。另外，土的这些特性导致了当我们采用土力学理论解决实际工程问题时容易出现多解的情况，即对同一问题的分析可能会出现多个答案，因此土力学的目的是解决实际工程问题，工程实用性是土力学有别于其他力学的一个特点，因此，土力学的创始人太沙基晚年强调“土力学与其说是科学不如说是艺术”是对这门学科特点的阐述[2]。这就要求我们在教学过程中除了要注重概念的理解及基本原理的掌握，还应更注重工程经验、试验测试及分析技术以及各种适用条件。

　　1. 2 土的特殊性与土的工程特性密切相关

　　当土作为一种工程体或工程对象时，我们更关注的是土的工程特性，虽然土都是岩石风化的产物，但不同地质环境及地质历史年代形成的土其物理力学特性具有显著的差异。一个很典型的问题就是当我们课堂上讲土的物理力学特性时，首先让大家说出直觉上想到的土，很显然西北地区的同学说的是黄土、江赣地区的同学首先想到的是红黏土，东北地区的同学提到的是黑土，此外还有淤泥土，膨胀土等等。而在工程应用中这些土由于工程特殊性比较大因此归类于工程上的特殊土，因此，我们在土力学教学过程中对于土体基本概念和性质的讲解应该从土的成因出发，基于其物理力学特性并最终落脚于特殊土的工程特性。这也是土的工程应用最为关注的问题。因此，作者在土力学授课过程中，第一章土的物理力学性质讲解完毕增加了一部分课外拓展知识，即特殊土的工程性质，着重讲解了黄土、红黏土、膨胀土、冻土以及淤泥土等的工程特性，以及作为不同工程体时的处理方法。这也是土力学侧重工程应用的一个重要体现。

　　2 教学方法的改革是激发学生学习兴趣的必经之路

　　科技技术的发展以及工程建设的规模和难度的提高，带来了很多新的土力学问题，出现了许多应用传统土力学基本知识和原理无法解释的现象，这就要求对土的力学特性以及工程特性的讲解应结合土力学的一些新发现和新认识，需要我们在已有的土力学知识教学的基础上，探索新的方法思路激发学生的学习兴趣。

　　2. 1 教学过程中增加学生动手实践的机会

　　合理利用教学方法是提高学生学习兴趣的重要途径，土力学教学授课知识密度大，强度高，长时间的理论分析和讲解容易引起学生的疲劳和厌学心理[3]。土工试验及测试技术是土力学学习的基础，也是锻炼学生动手能力的重要途径，在土力学课堂教学过程中有效整合岩土工程原位测试技术以及土工试验技术教学资源，引导学生动手，掌握这些测试技术尤其是原位测试技术的目的、原理、操作流程以及数据处理和分析方法。土的碎散性和三相组成决定了土在变形、强度等特性上与连续介质都大为不同，仅靠基本的力学知识不能完全解决问题，这就需要采用必要的试验技术和手段去发现问题、解决问题[4]。随着科技的不断进步，新的测试技术层出不穷，教学过程应适时增加一些新的测试技术的讲解，例如光纤测试技术、三维激光扫描技术等，以此不断更新和拓宽学生的知识面，同时也能显著激发学生的学习兴趣。

　　2. 2 课堂知识的讲解应与重大工程建设相联系

　　许多教师在土力学绪论讲解过程中通过介绍一些著名的重大工程事故来引出土力学三大问题，如加拿大的特朗斯康谷仓、苏州的虎丘塔等等。而自课本第二章开始的理论知识和原理的讲解和学习往往比较枯燥，多种形式相结合的教学方式以及重大工程建设实例的引用能够有效提高教学效率。本人在教学过程中有效利用重大工程建设实例，搜索并利用相关资源，例如在讲解地基土的强度、地基沉降及变形问题时，穿插为同学们播放了央视纪录片《超级工程》中的路桥篇，结合这些路桥工程为同学们讲解了工程建设中经常遇到的地基强度和沉降变形问题。另外，相关学科知识点的交叉融合有利于学生举一反三，将专业相关知识进行串联并掌握，例如，课堂讲解第四章土的变形特性和地基沉降计算，第五章土的抗剪强度以及第六章挡土结构物上土压力的计算等时，渗透了后续基础工程课程中的地基处理问题的知识点，对于缺乏现场工作经历的本科生来说，这不仅能够增加学生对知识点的理解，同时也使他们对今后工作中要面对和解决的工程问题有新的认识。

　　3 土力学教学目的和内容也应该注重发展和创新

　　与《理论力学》《弹性力学》以及《材料力学》等课程相比，土力学研究对象更加复杂多变，而随着土木工程功能化、城市立体化和交通高速化的发展，新现象和新问题屡见不鲜，这就要求我们在课堂教学过程中，要结合工程建设的新发现和新问题对教学内容进行发展和创新。而人类生活不断向城市地下空间以及海洋空间的拓展带来了很多新的问题和挑战，需要我们在土力学教学过程中时刻做到概念、原理等的学习要与工程实际相联系，应该思考如何将土力学教学内容与分析新的工程问题，解决工程问题挂钩[5]。这就要求授课教师除了依据教材备课以外，还要有大量的关于工程实例的分析和积累，同时也应该注意实时把握相关的工程热点，抓住时机启发学生的学习兴趣和创造力。2018 年 12 月世界最长的跨海大桥港珠澳大桥经历七年的建设终于顺利通车，它不仅为两岸三地的贸易往来与感情交流建立起来纽带，同时也为土木工程、岩土工程等相关专业的学生带来了新的思考，为土力学、基础工程以及材料工程课程的学习创造了良好的素材。作者在授课前做了大量的课堂准备，查阅了相关文献，会议记录并全程观看了央视关于港珠澳大桥施工过程的纪录片，结合笔者的心得体会在课堂上为同学们讲解了如何应用土力学知识和原理解决实际工程问题，显著提高了学生的学习兴趣，提高了教学效率。

　　实际上，不仅仅是土力学，我们土木工程、岩土工程等学科课程的教学内容与工程建设的发展程度密切相关，同时各门课程之间是相互联系和发展的，一个港珠澳大桥的建设所产生的新的问题以及解决办法可能会为土力学、基础工程以及材料力学等相关课程带来挑战，没有一个大型工程的建设问题是可以用单独的一门课程的知识理论来分析和解决的，因此教学过程中我们应该更加注重与多门相关课程内容的交叉融合和渗透。例如土力学授课可以视为是基础工程这门课的前导性课程，而基础工程这门课又是土力学这门课的延伸，二者是自成体系的。教授在授课过程中应该进行发展和联系，以提高学生对知识的理解和运用能力。

　　4 结语

　　土力学是以土为主要研究对象，以力学理论为基础的一门课程，土力学这门课程的特殊性是由土的工程特性决定的，因此，土力学教学过程中，土作为工程体具有的普遍性和特殊性是贯穿始终的。土力学内容与土木工程建设息息相关，土力学的发展受工程建设水平以及科技水平发展的影响，这就要求土力学授课教师需要实时把握工程建设的前沿和热点，储备大量的实际工程经验，不断的在课堂中充实课本的教学内容，不断的拓宽学生的知识面。依据工程建设的需要土力学教学方法应该有创新和改革，传统的土力学授课以课堂教学为主，而土工试验及原位测试技术，尤其是新型测试技术如遥感技术、光纤以及三维激光扫描技术应该越来越多的受到重视和应用，同时教学内容应该更多的结合多种资源，如网络、电视等多媒体资源，让学生除了课本之外能够从多渠道多手段获得相关知识和经验，从而提高教学质量使学生奠定扎实的专业基础。

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