“新工科”背景下土力学实验特点与教学模式探讨

孔伟阳

（南京航空航天大学金城学院，江苏南京 211100）

一、引言

为应对新一轮科技革命和产业变革所面临的新机遇、新挑战而提出“新工科理念”，随着“新工科理念”的提出，土木工程专业的模式、内容、方法等已发生巨大的改变，相较于教学内容的更新，教学模式更值得关注[1]。传统的土力学实验教学模式和教学方式可以归纳为“流水线”模式，培养出来的人才是按标准化、流水线式批量推出，这样的人才已很难适应新时代发展的需求。工程教育进入快速和根本性变革，这也要求高校需要不断地进行改革以适应社会的发展变化，培养专业性的工程建设人员[2]。所以，新工科背景下应用型本科教学必须突出对学生实践应用能力的培养[3]。土力学课程是土木工程等专业的一门专业基础课，已广泛应用于土木、交通、水利等工程，而土力学实验属于土力学课程教学体系的重要组成部分，具有较强的应用性和实践性，可为实际工程的应用提供参数和依据。通过土力学实验课程的学习，有利于学生理解土力学的基本概念、基本原理，同时也是培养土木工程应用型人才和创新型人才不可或缺的重要环节[4-5]。

二、土力学实验特点

土力学课程中实验项目的教学任务在土力学全部课程中占有相当比例，它不同于其他学科的实验部分的教学，总的来说，土力学实验课有以下几个特点：

（一）工程应用性强

土力学实验与具体工程应用具有非常紧密的联系，通过土力学实验可确定岩土体的物理力学指标，从而为工程项目的设计、实施等提供依据[6]。同样，由于土的复杂性，在工程应用中很多重要的参数以及理论也都是通过土力学实验测定得到或总结而来，因此，土力学实验的教学需与工程实践应用相结合，有利于培养学生解决实际工程问题的能力。

（二）相对独立

土力学实验所涉及的实验项目来自于土力学课程的不同章节，具有相对独立性，每个实验项目只能测定土的某些特定的指标[7]。如直接剪切实验测定土的黏聚力和内摩擦角指标；固结实验测定土的压缩系数、压缩模量等压缩性指标；渗透实验测定黏性土的渗透系数指标；界限含水率试验测定黏性土的液限、塑限指标等，这些实验所测的指标均只能从单一的角度来描述或反映土的物理力学性质。这种分散独立的教学方式和相互缺少紧密关联的培养模式，很难使学生从一个个相对孤立的知识点中形成明确的学习目的，单个知识点和技能训练也很难在整体上实现知识向能力有效转变，从而达到“能力叠加”的目的[1]。实际工程应用中，并不能通过单一土力学实验所测定的指标来满足工程应用，而是需要一系列实验项目组合形成实验成果应用于工程中。

（三）时代性强

由于岩石土的复杂性，土力学很多内容是基于基本假设、理论推导、修正系数以及经验的基础上得到的。随着时代的发展，土力学内容不断扩展，基础理论不断完善，而土力学实验也需与时俱进，进一步完善和创新实验方法，去研究岩土体的客观规律和理论，为土力学理论的发展和工程实践的应用提供重要依据[4]。

三、土力学实验教学现状

对于土木工程、交通工程等于工程建设相关的专业，在课程设置上，土力学是一门专业基础必修课。例如我校土木工程专业、交通运输专业一般在大三上学期就会开设本课程，而相应的土力学实验项目也随着理论课程的进度随之开展。从目前的情况来看，土力学实验课主要有以下现状：

（一）实验教学不够重视，设备资源未充分利用

土力学实验项目并未单独设置成一门课程，属于理论课程的一部分，而实验成绩的考核只作为理论课程考核中的平时成绩，一般只占总成绩的20%～30%，对整个课程成绩的影响较小。其次，在实验课程教学过程中，学时被大大地压缩，进而导致部分实验项目由于时间不足而难以进行。以我校为例，目前土力学课程的实验项目只开设了界限含水率实验、固结实验、直接剪切实验这3种基础性实验，课时安排为8学时，而现行国家标准中，土木工程实验项目达30多项。由此可见，目前开展的实验项目较少，难以满足教学和人才培养的需求。另一方面，则是实验教学资源的闲置，例如，实验式配备了三轴试验、渗透实验、击实实验等有关的设备器材，由于课时安排不够，现实教学中并未开课，同时也导致了教学资源的让费。

（二）教学内容标准化、无创新型实验

目前每个土力学实验项目都是由课上老师先操作一遍，学生按部就班地重复老师的操作，实验的结论都已提前设定好或已知，导致实验结果千篇一律。

（三）教学内容独立、分散

每个实验项目都是在这部分理论课讲授完后随即进行该部分的实验教学，每个实验仅能测定某个指标，割裂了各个实验项目间的联系，不利于学生系统地掌握土力学实验知识[8]。此外，每次实验所采用的材料均是不同的土样或是土样的不同状态，如界限含水率试验采用的是黏性土、固结试验采用的是粉土、直剪试验则采用的是砂土，因此，难以对实验所测得的各指标间关系进行分析。

四、土力学实验教学模式

基于土力学实验特点，结合我校土力学实验教学过程中出现的问题，对土力学实验教学模式进行了一些探索：

（一）基础性实验

基础性实验课可设置为8学时，如图1所示，其中，粒径分析实验、界限含水率实验、固结实验、直接剪切实验、三轴实验作为必修实验项目；击实实验和渗透实验作为选修实验项目。为保证每位学生都能参与实验，避免有些学生在实验课上“躺平”，课后实验报告抄袭的现象，实验前对学生进行分组，每组学生为2～4人。基础性实验主要培养学生操作实验仪器的技能，让学生掌握土力学实验基本的操作步骤、方法及技术。同时，实验课是在学生学习了土力学理论的基础上进行，有利于学生加深对土力学理论的理解。

图1 土力学基础性实验

（二）工程应用型实验

工程应用型实验是基于基础必学实验课的学习，在学生对土力学中常规基本实验有了一定了解和掌握的基础上，再结合实际工程进行的一系列土力学实验。工程应用型实验课课时安排为4学时，每组学生为4～6人。例如，对某实际工程场地进行初步评价，学生可直接领取由实验室工作人员提前准备好的现场土样，通过目测初步判定土样的名称，接下来制订实验方案，然后进行一系列土力学实验，对于不同的土样，选择不同的实验项目，如黏性土做界限含水率实验、砂土做粒径分析实验、粉土做粒径分析实验和界限含水率实验，除此之外还包括击实实验、直接剪切实验、固结实验和三轴剪切实验等。最后，根据土力学相关理论和参考规范，分析实验结果，得出实验结论，最终完成一个简化的某实际工程土力学实验报告。工程应用型实验一方面有利于将分散独立的土力学实验串联起来，便于学生全面理解各个土力学实验间的联系；另一方面可以使土力学实验教学与实际工程相接轨，让学生直接参与到实际工程中去，培养他们的解决实际工程能力。

（三）现场观摩性实验

对于部分土力学实验项目由于实验设备或场地等条件的限制难以在实验室完成，但具体工程应用中常见且需要掌握的，这部分实验项目需要在现场实施。例如标准贯入实验、旁压实验、静力触探实验、十字板剪切实验，可安排1～2天的学习时间，根据条件可选择在校园内场地由实验技术人员操作演示，学生在一旁观看学习或组织学生到工程现场参观，让学生带着问题在现场实践中学习，培养他们的工程体系概念。

（四）创新型实验

通过教师的科研课题、大学生创新训练项目和学科专业竞赛来进行创新型实验，与基础性实验、工程应用型实验及现场观摩性实验相比，它属于更高层次的实验，对学生、指导老师、实验条件等提出了更高要求。具体可通过学生自愿报名、选拔等流程，让专业知识基础扎实、对实验项目感兴趣并具有创新思维的学生，鼓励学生申报省级、校级大学生创新训练项目，参加教师科研项目及学科专业竞赛。在实施创新型实验项目时，教师指导作用，而学生处于主体地位，教师不参与实验的具体操作，但当学生在遇到问题时及时给予指导。如将教师科研项目中的实验部分，拆解成实验室可以完成的实验项目，对于实验的设计、方案的制订、过程的操作、实验结果的处理与分析等均由学生自主完成；再如依托全国大学生岩土工程竞赛，设计实验模型、方案制订、实验准备、加载测试等全过程均由学生独立完成。通过科研类、竞赛类的实验项目，激发了学生的创新意识，同时也提高了学生对土力学实验的学习兴趣，锻炼了学生的动手实践能力和团队协作精神。

（五）实验对象及考核管理

针对基础性实验、工程应用型实验、现场观摩性实验和创新型实验这四种教学模式，由于教学内容具有层次性即由浅入深，对于培养对象应进行因材施教，即根据不同层次的实验项目培养对应的学生，如图2所示。

图2 实验培养对象

实施独立考核管理机制。将土力学实验从土力学课程体系中分离出来作为一门独立的实验课程进行考核，但不同专业、不同层次的学生所考核的侧重点有所区分。例如，土木工程各专业学生考核的重点为基础性实验，若部分优秀的学生参加了其余实验项目，可根据考核结果进行加分，额外加分占比不超过总分的20%；城市地下空间工程和岩土工程专业方向的学生考核重点则是工程应用型实验。

（六）实验室管理制度

实验室是实验项目实施的重要基地，是培养工程应用型、创新型人才的重要场所。为合理充分利用实验资源，提高实验教学的质量，可以开发实验教学软件或App，教师或学生可在学院实验教学系统预约实验课程和实验时间。针对部分复杂、耗时长或现有条件难以开展的实验，可以通过建设虚拟仿真实验中心，利用软件开发的虚拟实验室来模拟实验过程，同时，可根据需求开发设计些创新型的实验内容。

此外，可成立专门的工作室，为学生固定场所和仪器，用于学生开展竞赛训练、完成大学生创造项目等，同时鼓励学生根据自己的兴趣自拟科研活动课题，在创新工作室进行实验和研究，通过老带新的“传帮带”方式，建立良好的学习、竞赛和科研氛围。如我校土木工程专业2014年成立了土木工程创新工作室，并建立健全了工作室管理制度，以及学生选拔和滚动机制。创新工作室配备了专门的指导教师，实行教师和学生负责人双管理制度。

五、结束语

土力学实验是土力学课程教学体系的重要组成部分，对学生理解土力学基本概念、基本原理以及实现土力学工程应用起着重要作用。为响应国家推行“新工科”的建设，土力学实验教学模式需与时俱进，以达到培养工程应用型、创新型人才的目的。本文通过对土力学实验特点的分析，结合土力学实验教学现状，有针对性地提出了土力学实验可设置为基础性实验、工程应用型实验、现场观摩型实验和创新型实验等四个阶段的教学，该探讨对土力学实验在教学模式的选择上有一定的参考意义。