基于PBL教学法的《工程地质》课程教学设计

朱剑锋，陶燕丽，杨建辉，陈其志，郭小东

（浙江科技学院 土木与建筑工程学院，浙江杭州 310023）

《工程地质》是将地质学的原理应用于解决工程场地稳定性问题的一门课程，通过工程地质勘查，研究建筑场地的地形地貌、地层岩性、地质构造、岩土工程特性以及水文地质和地表地质作用等工程地质条件，论证和预测有关工程地质问题发生的可能性，并采取必要的防治措施，以确保建筑物安全稳定和正常运行。通过该课程的学习，学生可以了解和掌握地质学基础知识，包括矿物、岩石、特殊性土、地质构造、水的地质作用、不良地质现象和工程地质问题，具备矿物和岩石的鉴别能力，提高野外地质现象识别的能力，能够运用工程地质学基础知识对土木工程复杂问题进行分析[1-2]。同时，掌握工程地质勘查的内容、要求及方式等，会正确布置勘查任务，会阅读工程地质勘查报告，能够合理利用勘查成果资料对工程场地进行系统分析。

为了实现《工程地质》课程的教学目标，更好地培养工科生的科研思维能力以及创新意识，引入特定问题，通过以问题为中心的PBL教学法，全方位创新课程设计，可以有效促进科学研究与教学的紧密结合，培养学生的科研思维、创新意识以及自主学习能力。本文即以《工程地质》课程中滑坡教学点为例，通过设置滑坡的概念基本要素与形成条件等问题，引导学生制定分析解决问题策略，最后提出知识点拓展和引申问题，加深学生认识，以探讨基于PBL教学法的教学设计。

1 PBL教学法概述

PBL的全称是“Problem-Based Leaning”，于1969年由美国的神经病学教授Barrows在加拿大的麦克马斯特大学首创[3-4]，目前已成为在国内外、各学科均非常流行的一种教学方法。

PBL教学法通常以问题为导向，以学生为主体，通过教师的引导，就特定问题进行深入探究，在研究其解决方案的过程中实现教学目标。一般过程为确定学生需要掌握的重要问题，通过自主学习、教学实践、小组讨论、课堂点评等环节，理论与实践相结合，以培养学生探究精神、科学素养与自主学习能力。

2 基础知识学习的问题

2.1 滑坡概念

滑坡是斜坡土体和岩体在重力作用下失去原有的稳定状态，沿着斜坡内某些滑动面(或滑动带)作整体向下滑动的现象。与此同时，通过滑坡视频来给学生展示实际工程中发生的滑坡现象，从而让学生对滑坡有个基本的认识。

2.2 滑坡要素

结合实际的滑坡案例给学生介绍滑坡要素：滑坡体、滑坡壁、滑动面、滑动带等要素。向学生讲授实际的滑坡是三维的，但为了简化将三维滑动体简化为二维滑动面，同时提出两个问题：（1）如何评价一个给定滑动面的稳定性？（2）潜在的滑动面有无数个，如何判定哪个是最危险的滑动面？

2.3 滑坡形成的条件

根据已有的研究成果，滑坡形成条件如下：

（1）岩性。

滑坡主要发生在易亲水软化的土层中和一些变异性强的软岩中。

（2）构造。

斜坡内的一些层面、节理、断层、片理等软弱面容易失稳成为滑坡。

（3）斜坡外形。

斜坡的存在，使滑动面能在斜坡前缘临空出露。

（4）水。

水的作用可使岩土软化、强度降低，可使岩土体加速风化。

（5）地震。

地震可诱发滑坡发生，此现象在山区非常普遍。

（6）人为因素。

人为地破坏表层覆盖物，引起地表水下渗作用的增强，或破坏自然排水系统，泄水断面大小不合理而引起排水不畅，漫溢乱流，使坡体水量增加。在兴建土建工程时，由于切坡不当、斜坡的支撑被破坏等都会破坏原来斜坡的稳定条件。

此时给学生介绍每一个条件造成滑坡实际工程实例，比如：夏季下雨时，天气预报总会提醒人们要注意发生滑坡概率加大了。汶川地震时发生了多处山体滑坡，而且还会产生堰塞湖，形成二次地质灾害——山洪。又如为什么现在国家提倡在山区合理砍伐树木以及实际工程中因切坡不当而引起的工程滑坡事故，从而将滑坡主要的形成条件与实际工程对应起来，方便学生理解。与此同时，提出作为一名岩土工程师，在设计计算中如何考虑上述边坡形成条件？

3 小组讨论分析的问题

通过问题的自主学习，学生具备了基本的分析问题能力，通过小组成员间的沟通与分享，互通有无，针对特定问题提出切实可行的解决方案。

3.1 边坡稳定性计算

目前实际工程中通常采用极限平衡法（条分法）来计算边坡的稳定性，当边坡稳定性安全系数Fs≥1时，边坡稳定；当Fs＜1时，边坡失稳。假定滑动面上任何一点的剪应力均等于土体的剪切强度并满足Mohr-Coulomb破坏准则，然后将边坡离散化成n个土条，对每一条块进行受力分析，整个边坡合计共包括6n-2个未知量。而可建立的方程共计4n个，由于n＞1，因此，方程组无唯一解。如果要求解该方程组需要增加方程个数或者减少未知量的数目。工程中，通常通过人为引入条间力作用力的位置和大小假定来使得方程有解。于是演绎出了许多条分法。以图1瑞典条分法为例，不考虑土条两侧的作用力（Ei和Xi的合力与Ei+1和Xi+1的合力相抵消），对圆心取矩有

图1 瑞典条分法

鉴于已经修习《工程地质》的通常为大二学生，此时已经掌握《高等数学》《材料力学》的专业知识，完全可以理解基于条分法边坡稳定性计算原理，从而可以探讨下一步讲解具体的边坡稳定性计算方法。

3.2 边坡最危险滑动面的确定

在确定边坡安全系数计算方法之后，下一步工作最小安全系数及相应的滑面为目标函数，建立如式（2）所示最优化模型：

式中，FS(X)可以是某滑面的稳定性安全系数表达式（见式（1））。X=[x1,x2,…，xn]为与安全系数表达式对应的滑动面控制变量（以圆弧滑面为例，则n=3，x1,x2,x3可分别对应圆心的x坐标和y坐标以及半径），Ω为可行域。于是上述边坡最危险滑面确定这一实际工程问题就转化成了数学中的最优化问题，可以通过“遗传算法”“禁忌算法”及其混合策略进行求解[5-6]。虽然学生可能对优化问题接触不多，但此处可以结合具体的实际例子比如“黄金分割”“达尔文进化论”等进行补充说明，从而使学生对优化原理有一个基本概念。

3.3 边坡形成条件影响

如何在具体的计算中考虑边坡的条件是岩土工作者必须考虑的问题。对于岩性，比如存在软弱夹层，则滑动面无须搜索即可确定必须通过该夹层；对岩土变异性比较显著的边坡，可结合实际勘查资料和经验参数，开展边坡的可靠性分析，确定边坡滑动的概率及相应的最危险滑动面；根据岩体中节理数目和形态，来修正岩体完整性参数，从而确定对应的岩体Hoek-Brown参数m和s；斜坡外形对稳定性的影响通常用边坡坡度来考虑；水的影响可以通过有效应力原理以及渗流理论来考虑；地震的影响可通过对边坡施加水平或竖向地震作用力来考虑；最后人为因素的影响则通过构造措施来考虑。通过上述分析和讲解，学生则会对提出的计算模型有充分的自信并且有想掌握该计算模型的学习欲望。

3.4 边坡加固与监测

在确定了边坡危险滑动面及相应的最小安全系数之后，可以采用“排水”“锚杆加固”“抗滑桩加固”以及“锚拉抗滑桩加固”对边坡进行处理，使其满足规范要求的稳定程度，同时对滑坡位移、地下水位、支挡结构内力与位移进行长期监测。结合相关实际工程案例，向学生介绍边坡加固的原理、设计流程、加固处理措施及监测结果，从而使学生加深对滑坡的认识，形成滑坡起因、稳定性分析、加固处理到长期监测这一系统性设计思维。

4 课堂点评提出的问题

教师课堂点评阶段，需要提出具有争议的疑难问题，具有研究价值的探索性问题，使学生既看到学习的成果又能感受到成长的空间。

上述边坡稳定性计算方法、最危险滑动面搜索方法以及考虑边坡形成条件的方法均是基础性的。实际工程中的边坡影响因素众多，时至今日，滑坡事故时有发生，滑坡的准确预测仍然是一个世界性难题，因此需要岩土工作者开拓创新，可以提出的问题包括：

（1）目前边坡滑动面通常假定为二维，且二维条分法的研究已基本成熟。但如图1所示，实际工程中的滑坡通常呈三维特征，三维边坡条分法的研究有待开展[4]。

（2）极限平衡法只能给出一个边坡稳定的综合安全系数，无法计算边坡位置处的变形，亟待开展有限元、离散元等数值方法的研究，同时确定边坡的安全系数和变形，更好地为边坡设计和运营服务。

（3）水是影响边坡稳定性的一个重要因素，然而水对边坡稳定性影响机理的研究尚未成熟，从而导致降雨条件下边坡容易滑动，相关研究亟待开展。

（4）边坡工程的加固成本与边坡支挡的设计密切相关，如何在保证边坡稳定的前提下，实现边坡支挡设计的优化设计将是一个值得研究的课题。

通过提出上述问题，让学生对未来边坡稳定性分析及加固设计有一个清晰的认识，参观现场天然边坡及人工边坡的加固工程，同时通过布置诸如“试介绍一种三维边坡稳定性计算方法”“试介绍一种边坡加固方案”“降雨为什么引起滑坡”等课后大作业的形式，激发学生主动学习的能动性，调动其发散思维和解决实际问题的能力，对其后续开展科学研究奠定良好的基础。

5 结语

PBL教学法要求教师能够提出有价值的问题，成为学习过程的导师；学生能够积极主动学习，努力探索解决问题。PBL教学法对教师与学生的素质都提出了高要求，但是合理运用确实有助于知识的融会贯通与学生综合能力的提升。本文以《工程地质》教学中的滑坡为例，结合笔者多年的教学经验，提出了教学各环节的一系列问题，其基本的教学理念与教学内容可供相关课堂借鉴参考。