以科研促进“土力学”实验教学的改革与实践

张俊然 姜彤 贾艳昌 潘旭威 王少凯

[摘 要] 随着土工试验技术的发展，传统试验仪器很难满足当前“土力学”实验教学的需要，因此开展以科研促进“土力学”实验教学的改革与实践显得非常必要。依托科研项目和省重点实验，将先进试验仪器和实验方法引入实验教学实践当中、将最新的科研成果融入实验课的理论教学中。通过近两年实验教学的实践，指导学生获批国家级、省级和校级的大学生创新实验项目4项和获得优秀毕业设计荣誉称号2项，指导学生发表科研论文7篇，编写实验手册9本，制作实验教学课件5项。既达到了教学目标，又拓宽了学生视野，并显著提高了学生的科研基本素质、创新思维能力和综合解决问题的能力。实现了科研反哺教学，达到了教研相长的效果。

[关键词] 土力学；实验教学；创新性实验；科研成果；毕业设计

[基金项目] 2019年度华北水利水电大学教育教学研究与改革项目“以科研促进‘土力学’实验教学改革与实践”（2019JYGG-060）；2020年度河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目“高吸力下考虑结构性影响的非饱和黄土水力力学特性研究”（2020GGJS-094）；2021年度河南省高等教育教学改革研究与实践项目（学位与研究生教育）“专业学位研究生校内质量保障体系建设研究与实践”（2021SJGLX075Y）

[作者简介] 张俊然（1984—），男，河南漯河人，博士，华北水利水电大学地球科学与工程学院副教授，硕士生导师，主要从事岩土工程方面教学与研究；姜 彤（1973—），男，浙江天台人，博士，华北水利水电大学地球科学与工程学院教授，博士生导师，主要从事岩土工程方面教学与研究；贾艳昌（1986—），男，河南平顶山人，博士，华北水利电大学地球科学与工程学院讲师，主要从事土力学方面的教学与研究。

[中图分类号] C229.29 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）02-0156-04 [收稿日期] 2021-09-01

“土力學”作为地质工程、土木工程等专业学生的专业基础课，是认知土体工程力学性质的一门技术核心课程[1]。由于土力学课程的特殊地位和作用，其中土力学的实验教学显得非常重要。土力学实验实践环节应具有可操作性、工程性，基本概念清晰，工程应用背景强，从而完善理论教学效果，提高学生主观能动性，培养创新思维和综合解决问题的能力[2，3]。但随着土工试验技术高速发展，传统试验仪器很难满足当前土力学实验教学的需要，因此开展以科研促进土力学实验教学的改革与实践显得非常必要。该论文依托科研项目和省重点实验，将先进试验仪器和创新性实验方法引入到土力学实验教学，将最新的科研成果融入实验课相关的理论教学等方面进行了实验教学的改革与实践，以便达到拓宽学生视野，提高学生的创新思维和综合解决问题能力的目的，实现科研反哺教学，达到了教研相长的效果。

一、先进试验仪器和创新性实验方法引入

笔者最近几年获得授权国家发明专利10项，均与创新性的实验方法及实验设备相关。将具有自主知识产权的创新性实验方法及仪器引入到实验教学中，可拓宽学生视野，同时掌握先进的实验技术。

（一）先进试验仪器和创新性实验方法引入的实践情况

1.先进试验仪器。先进的仪器主要有：Shear Trac-II全自动直剪和残余剪切试验系统，该系统有水平和垂直方向上的2个力传感器和2个位移传感器。与普通直剪仪相比，该系统具有自动采集数据、操作灵活、采集数据多和实验数据准确等优点。美国GCTS公司设计研发生产的动三轴试验仪，它可量测土体的动力特性参数，动剪切模量、阻尼比、动强度等。同时可加装为非饱和土动三轴试验。HUST型非饱和土三轴试验仪，是GDS公司开发的第三代产品。该仪器可进行吸力控制下的非饱和土三轴试验。最核心创新为采用了开敞式的双压力室和Wet-Wet压差传感器可实现精确量测非饱和土的体变。从试验仪器的不断研发创新历程，可激发学生的创新意识。微观结构测试所涉到仪器主要有：JSM-7500F场发射扫描电镜和AutoPoreV9600全自动压汞仪。可让学生从微观角度探讨土力学宏观现象的内在机理，培养学生的科研基本素质[4]。WP4C露点水势仪可量测土样的吸力，其测量原理为通过平衡样品的液相水和封闭样品室头部的气相水，测量样品室头部的蒸汽压来测量水势。Soil Moisture公司生产的压力板法，测量吸力范围0～1500kPa。联合运用WP4C仪和压力板可量测全吸力范围内土体的土水特征曲线，可扩展学生对非饱和土持水特性的认识。

2.创新性实验方法或改装的仪器。改装实验仪器主要有：非饱和土渗透仪，是由国产FSY30型非饱和三轴试验仪器改装成的。利用上下高进气值陶土板以及上下排水孔保证渗透试验的正常进行，通过提高或降低施加的气压力增加或减少试样的基质吸力，实现吸力的控制。

基于PIV系统设计了直接拉伸试验和劈裂试验装置，可研究土体抗拉强度特性，可为实际工程的设计和施工提供重要的试验数据和科学指导建议。基于PIV技术自行研发的直接拉伸试验装置需多人协作完成，因此可调动学生的主观能动性，对土体抗拉强度的直接测量和间接测量方法有了深入的了解[5]。

用全自动固结仪和Settle3D数值分析软件相结合来进行工程沉降固结分析[6]。其中Settle3D是一款新型的固结沉降分析软件，它可分析复杂模型和荷载工况引起的土体固结沉降。用物理实验和数值分析可激发学生的兴趣和主动性，提高学生解决工程实际问题的能力。

（二）先进试验仪器和创新性实验方法引入的实践效果

通过近两年的教学试验的实践教学，取得了效果案例具体如下。

1.2020年度河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目凝练的子课题，成功申报为2020年校级大学生创新实验项目，同时获批为2021国家级大学生创新实验计划项目。题目为：广吸力范围内豫西黄土直剪/残余剪试验研究。本课题主要研究广吸力范围内三门峡黄土的抗剪强度/残余强度，研究成果将对广吸力下疏松多孔结构的非饱和黄土在地质灾害问题防治等方面的研究具有重要的指导意义和实用价值。

2.由国家自然科学基金项目（41602295）凝练的子课题，在成功申报为2020年省级大学生创新训练计划项目和2019年校级大学生创新训练计划项目，题目为：不同制样方法对非饱和膨胀土微观结构和力学性质的影响。研究不同制样方法对土体结构和力学特性的影响。研究成果将可为膨胀土相关的岩土工程提供科学依据。

3.由2020年度河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目凝练的子课题，成功申报为2020年校级大学生创新训练计划项目，题目为：豫西黄土控制吸力的渗透实验研究。本课题以国道G310三门峡西至豫陕界段的黄土为研究对象，用改装后的非饱和仪进行渗透试验，系统研究在控制吸力下非饱和黄土渗透特性及其預测方法。研究成果将对豫西地区相关工程建设过程中地质灾害防治具有重要的理论意义和实用价值。

4.由国家自然科学基金项目（41602295）凝练的2019届毕业生宋陈雨的毕业论文——《土体结构性对其土水特征曲线影响的试验研究》，获得2019届优秀毕业设计二等奖。通过SEM试验分析其微观结构、压力板和滤纸法量测土水特征曲线，提出了考虑结构性影响的土水特征曲线预测模型。

二、科研成果融入实验理论教学实践与效果

传统饱和土的相关理论与实际工程间存在较大偏差，以笔者主要研究方向非饱和土力学相关的科研成果，将土力学有效应力原理表达式进行了更新[7]，同时将一般状态的非饱和土有效应力原理表达式融入土力学实验课的理论教学当中。由一般情况到特殊情况的教学方式，降低了学生接受知识的难度，同时提高了学生认识事物的能力和解决问题的创新意识。具有非常好的学术价值和推广应用价值。

采用WP4C仪、压力板法、全自动直剪仪和GDS非饱和土三轴仪，在广吸力范围内对路基黄土进行了水力力学特性实验研究[8，9]。同时提出了可预测广吸力范围内非饱和黄土的抗剪强度理论模型。将该理论模型融入土力学的直剪试验和三轴试验理论教学当中，学生反映强烈，有效地拓展了学生的知识面，同时培养了学生的创新意识和基本的科研素养。

基于PIV技术对压实膨润土进行了一系的列劈裂试验和直接拉伸试验，探求快速且准确获得膨润土抗拉强度的试验方法，同时基于PIV劈裂试验对膨润土抗拉强度公式进行修正[10]。相关理论成果融入土体抗拉强度试验的理论教学当中，使学生深入了解土体抗拉强度的直接测量方法和间接测量方法区别与联系，起到了良好的实验教学效果。

基于PIV技术对非饱和粉土进行了静压桩沉桩模型试验，观测沉桩过程中桩周非饱和粉土的变形场，深入分析不同含水量粉土的细观变形特征和沉桩挤土效应内在机理，研究成果可为解决相关岩土工程问题提供试验依据[11]。将相关理论成果融入静压桩沉桩模型试验理论教学中，使学生扩展了相关的理论知识，同时通过先进的PIV技术引入，极大激发了学生兴趣，取得了良好的试验教学效果。

三、主要成果与特色

将上述的先进试验仪器和创新性实验方法具体操作已经编制成了9本试验手册，同时将上述最新科研成果编制成实验教学PPT课件5项，并将它们融入实验教学和理论教学当中。通过近两年对地质工程、土木工程和水利水电工程专业本科生的实验教学的改革与实践，学生反映强烈，取得了良好的教学效果。达到了实验教学得基本目标，拓宽了学生视野，提高了学生的科研基本素质、创新思维能力和综合解决问题的能力。通过近两年的实验教学实践与改革，指导学生申报并获批了国家级、省级和校级的大学生创新实验项目4项，获得本科生优秀毕业设计荣誉称号2项，指导学生发表相关科研论文7篇。笔者以第一作者身份发表教改论文2篇。通过以科研促进土力学实验教学改革和实践，实现了真正意义上的科研反哺教学，达到了教研相长的效果。

四、存在的问题及改进设想

目前土力学关于实验的课时量相对比较少，大部分土力学实验的实际操作学生仅是走一个过程，导致学生缺乏对实验细节的深刻理解，从而导致实验数据的准确性存在很大问题。因此建议学生按照科研实验所需的时间进行操作，增加土力学实验的课时量或将其增加时长记为学生的社会实践时长。另外由于本科生的学业任务重，参与试验和社会实践有限，建议可让研究生参与指导和协助。

由于疫情的影响，土力学理论教学可通过上网络课程进行，但“土力学”的实验教学往往被推迟。因此研发“互联网+”的虚拟仿真土力学实验教学平台[12]，让学生在网上就可以做虚拟的实验势在必行。随着土工试验技术科研成果的日新月异，更多的创新性试验仪器、方法及其创新科研成果，有待进一步融入土力学实验教学改革与实践当中，实现土力学实验教学的与时俱进。

结语

依托科研项目和省重点实验，将先进试验仪器、创新性实验方法和最新科研成果引入到土力学实验教学的实践与改革。结果表明，以科研促土力学实验教学的教学模式不仅可达到实验教学的基本目标，而且拓宽了学生视野，并显著提高了学生的科研基本素质、创新思维能力和综合解决问题的能力。实现了土力学实验教学的与时俱进，科研反哺教学，达到了教研相长的效果。

参考文献

[1]王安明，李小根，姜彤，等.土力学课程教学改革与实践[J].华北水利水电学院学报（社科版），2009，25（4）：100-102.

[2]习近平.努力成为世界主要科学中心和创新高地[J].实践（思想理论版），2021（4）：4-10.

[3]吴能表，田红，黄麟，等.加强本科实验教学的探索与实践[J].实验室研究与探索，2005，24（11）：74-75.

[4]姜彤，王兴翠，张俊然.膨润土持水特性试验研究及其SEM微观定性分析[J].华北水利水电大学学报（自然科学版），2020，41（1）：90-96.

[5]姜彤，翟天雅，张俊然，等.基于粒子图像测速技术的黄土径向劈裂试验研究[J].岩土力学，2021，42（8）：2120-2127.

[6]史顏玲，霍继炜，张俊然，等.Settle3D软件在半填半挖黄土路基变形分析中的应用[J].中国安全生产科学技术，2020，16（11）：117-123.

[7]张俊然，姜彤，张昕，等.土力学教学过程中创新意识的培养—以有效应力原理为例[J].高教学刊，2021，07（34）：40-43.

[8]姜彤，宋陈雨，张俊然，等.广吸力范围内国道G310路基黄土水力力学特性试验研究[J].中国安全生产科学技术，2021，17（7）：117-123.

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[10]张俊然，王俪锦，姜彤，等.基于PIV技术的高吸力下压实膨润土径向劈裂试验研究[J].应用基础与工程科学学报，2021，29（3）：691-701.

[11]JIANG T， WANG L J， ZHANG J R， et al. Effect of water content on near-pile silt deformation during pile driving using PIV technology[J]. Geomechanics and engineering，23（2）：139-149.

[12]孙文静，刘珂，张孟喜，等.互联网+虚拟仿真在土力学实验教学中的应用初探[J].实验室研究与探索，2018，37（1）：181-185.

Reform and Practice of Experiment Teaching of Soil Mechanics Course Promoted by Scientific Research

ZHANG Jun-ran， JIANG Tong， JIA Yan-chang， PAN Xu-wei， WANG Shao-kai

（College of Geosciences and Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou， Henan 450046， China）

Abstract： With the development of geotechnical test technology， traditional test instruments can hardly meet the needs of current experiment teaching， so it is very necessary to carry out the reform and practice of experiment teaching of Soil Mechanics course promoted by scientific research. Relying on the scientific research project and provincial key laboratory， the experiment teaching reform and practice are carried out by introducing advanced test instruments and innovative methods into the experiment teaching of the course and integrating the latest research achievements into the theoretical teaching of the experimental course. Through nearly two years of practice and reform of the experiment teaching， students are guided to obtain a total of 4 state-level， provincial and school-level innovative experimental projects and two honorary titles of undergraduate excellent graduation projects， and publish 7 relevant research papers. At the same time， 9 experimental manuals are compiled， and 5 pieces of experimental theory courseware are produced. The reform not only achieves the basic teaching goal， but also broadens the students’ horizon， and significantly improves the students’ basic quality of scientific research， innovative thinking ability and comprehensive problem-solving ability， which realizes the goal of scientific research feeding back teaching， and teaching promoting scientific research.

Key words： Soil Mechanics； experiment teaching； innovative experiment； scientific research achievements； graduation design