勘查专业土力学实验教学改革探索

钱晓丽,张建勋,林智勇

(福建工程学院土木工程系,福建福州350108)

随着我国高等教育的发展,越来越重视对学生的实践能力和创新意识的培养。而土工试验是学习土力学基本理论的一个重要教学环节,它不仅起着巩固课堂理论、增强对土的各种工程性质的理解等重要作用,而且是学习科学的实验方法和培养实验技能的重要途径。除土的各种物理力学性质指标需要通过试验测定外,土的各种工程性质、地基的工作形状和破坏机理等都需要通过试验观测发现其规律,在此基础上再上升到理论。

勘查专业性质决定了土力学基础课程的重要性,特别是土力学的系列室内试验及模拟的原位试验。如岩土工程现场勘察中的钻孔取样,要求学生对土性极其熟悉,能在现场描述土的颜色、状态、包含物、光泽反应、摇震反应、颗粒形状,指出需要测试的基本物理性质指标等,并给出土的定名与分类。土的基本物理性质指标和基本力学性质变化规律及其参数确定都离不开土工实验。培养学生亲自动手测试,分析试验结果,编写试验报告,这不仅有助于学生理解、加深教学内容,还有助于培养学生了解土性的方法和原理。

1 目前土力学试验中存在的问题

1.1 土力学试验以演示性试验为主

由于学生数量的增加,以及教学学时的压缩、试验条件、仪器设备等硬件设施的限制,很多理论的相关试验无法进行,不利于学生对理论知识的理解和掌握。急需扩大试验的覆盖范围,增加实践教学的比重。

目前土力学课程的实验学时偏少,参照高等学校土木工程专业本科教学培养目标和培养方案及课程教学大纲,土力学课程应完成6个实验。而目前实验课仅安排6学时,仅能较紧凑的完成4个常规实验。且一个教学班级需分成2～3批次进行实验。实验课时就远远不够,使得相关教师不得不利用自己的休息时间来额外指导学生完成实验。

1.2 分散开设土力学实验课的弊端

以往的土力学试验采取分散开设方式,只是一个个单独的知识点,穿插、分散于课堂教学过程之间,以验证课堂的理论。学生在一次实验课结束之后,只测得了一个试样某个土性指标,而该试样的其他指标还需在别的实验项目中测得。而实验室为各次实验课准备的土试样含水量、密度等不一致,使各实验项目的结果之间缺少连续性,不能培养和提高学生综合分析实验数据的能力,缺少针对土样进行综合分析的能力,也和实际工程脱节。如几次试验的液塑限值、抗剪强度指标及压缩性指标,如果汇总成一个土样的物理力学性质室内成果统计,肯定会不一致,甚至有强烈的冲突,导致学生对土性指标的宏观概念无法把握。且现有试验室是单个土样的试验,而工程中要做六个土样,且平行试验,从中得到符合误差的结论。因此,有必要对以上四个常规实验进行整合,形成土的物理性质指标和力学性质指标综合性实验。

1.3 集中开设土力学实验的优点

综合性实验的集中开设,就是将几次实验课所开设的实验项目集中在某一段时间内进行。首先,集中开设实验会使时间安排更合理。土力学实验课中有许多实验项目,如固结试验、击实试验等的实验过程往往很长,在时间安排上容易造成时紧时松,使学生们在有些时间段内无事可做,白白浪费时间。若采用集中开设方式,使多个实验项目交叉进行,节省了不少时间,亦即可将由于分散开设多个实验项目而造成的零散时间集中利用,使各实验项目之间在时间上互补长短,提高了工作效率。

其次,学生在较为集中的短时间内完成所有实验项目的操作和数据测试等工作,对每一环节都了解清楚,便于对所有实验数据及它们之间的相互联系进行综合分析。如学生可把由界限含水量试验测得的含水量、液限和塑限,固结试验中测得的压缩系数和压缩模量,剪切试验中测得的内聚力和内摩擦角值等作一全面分析和比较,最后在教师的指导下对实验数据的合理性作出判断,并决定其取舍或补做,这样做会使学生综合分析问题解决问题的能力得到锻炼和提高。

2 土力学实验教学改革措施

改革现有《土力学》试验教学体系,变验证性试验为设计性试验,增强学生的主动性,从而激发学生的学习兴趣。具体措施如下：

⑴观看土工实验教学录像,通过现场的讲解以让学生掌握土力学实验的工作原理,更为关键的是使学生能够根据实际工程情况来拟定试验方案。如对于挡土墙模型试验。针对设计中不同区域土压力的变化情况,尝试去确定不同的试验方案及试验设备的改装方案。让学生利用课下时间提前参与与实验有关的各项准备工作,从室外取土到制备土样、准备实验所需的器材等,以调动学生学习的积极性。

⑵现有试验室是单个土样的试验,而工程中要做六个土样,且为平行试验,经统计分析得到符合误差的结论。我们改革以往由试验室提供现成土样的做法,将学生分为6～10个小组,每组独立进行实验。且在室外一定范围内由学生自由选取每组土样,并尽力保持其不被扰动的状态。对6～10组的实验结果,要求学生对离散形数据进行分析,通过计算每组数据的平均值、极差、均方差和变异系数,从而得到数据的标准值。

<1)，且各件产品是否为不合格品相互独立．

⑶综合性实验项目

常规的土力学试验,如液塑限、含水率、固结、剪切等均为单独的试验,每组试验之间没有联系,学生只是提交一个个单独的数据给教师。而实际上,所有的试验都可反映到土的物理、力学指标中,如工程现场的勘探试验,在所有试验的基础上,经分析,提出土的承载力指标值。这里面包含了综合分析、去粗取精的过程。

根据理论教学和生产实践情况,我们按照土木工程实际生产对土工试验的程序进行。要求学生必须做的试验有含水量、密度、比重、塑限、液限、击实、直剪及压缩等八个基本试验。其中有些试验的详细种类,如直剪中选取快剪还是慢剪,要根据拟定的现场条件来确定,按照固结条件、土层排水情况来选取试验类型。试验前要给学生讲清这次综台试验的目的和要求,要求学生严格按照“土工试验操作规程”去完成每个试验,不符合误差要求的要重做。

2.4 学生自主设计选择试验项目

以某一工程问题为依托,将实验教学与工程实践教学有机结合起来,提高实验教学质量。要求学生根据所学理论与实验方法,对现场土体进行全面、综合的实验分析与研究,提交关键土性参数并进行评价。要求学生对自行采取的土样或实验室指定的土样进行简易鉴定,为土样定名并制定具体的实验方案,经指导教师审核后确定具体实验项目,独立完成实验过程与数据分析,提交土样定名报告。

2.5 改革实验成绩考核方法

学生试验成绩的评定是衡量学生知识、技能、能力和素质的重要步骤。试验的整理是非常重要的,实际上土力学试验的结果是非常离散的,怎样得到合理的结论,需要学生进行深入的分析,我们所重视的也恰恰是这个集中展示学生自主性的过程。

试验结束后,要求每名学生给出土样命名、承载力值和预期的最终沉降量。每名学生还要公开讲解自己的试验设计、方法、误差分析和结论,并接受教师和全体学生的提问。同时对每个学生进行口试,口试范围包括基本理论和实际操作。

调整试验课的管理方式,紧抓试验成果资料分析。在试验报告中增加试验结果的误差分析。在整理的过程中,除了能够掌握一种试验方法的应用外,关键是让学生能够切实体会到试验操作的精确、人为因素等对于试验结果的影响,培养学生实事求是的工作态度和一丝不苟的科学精神。

3 结论

学习土力学知识的需要和培养解决实际问题能力的需要都要求在教学过程中狠抓实践性环节。通过狠抓实验课,强化学生的实践意识和能力,使同学们深深体会到由于土的工程性质的千差万别,必须通过室内试验和现场试验测试土的各项物理性质指标和力学性质指标,培养学生严谨、严肃、认真负责的工作态度。并且针对试验中的相关问题展开讨论,对试验结果进行分析。通过这一训练,对培养和提高学生解决实际工程的基本能力,大有好处。

对于勘查技术与工程专业学生,室内土力学实验还应结合其他实验实训环节,如能对某地土质条件,在室内试验的基础上,结合校内原位测试实习,给出原位测试指标,如标准贯入实验、十字板剪切试验、浅层平板载荷试验,对学生建立工程观念,提高综合分析和处理数据的能力大有裨益。

[1] 李广信,杜修力.2006土力学教育与教学：第一届全国土力学教学研讨会论文集[M].北京：人民交通出版社,2006.172-175.

[2] 刘金龙,任小琴.“土力学”实验教学的改革探索[J].合肥学院学报,2009,19(1)：90-92.