基于PBL模式的“土力学”课程教学探索与实践

贺敏 滕珂 欧蔓丽 吴晶晶 徐卓君

摘要为满足高校创新型、应用型人才培养需求，将PBL教学模式引入“土力学”课程教学，有利于培养学生的创新能力和实践能力。文章分析了“土力学”课程的教学现状，阐述了PBL教学模式结合实际工程案例在土力学课程教学中的应用，并以实际工程案例详细设计了教学实践全过程，以期为PBL教学模式在土力学课程中的应用提供一定借鉴与指导。

关键词 土力学；PBL模式；工程案例；实践能力；创新能力

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.12.046

PBL（Problem-Based Learning，简称PBL）学习法，也称问题导向学习法，于1969年由美国神经病学教授Barrow首创。与传统的以教师讲授为主的教学方法不同，PBL学习模式是以问题为基础，以学生为主体，以教师为导向的学习方法，其目标是以学生主动学习与构建知识体系，培养学生主观能动性和自主解决实际问题的能力。PBL学习法更有利于高校创新型和应用型人才的培养，更符合我国高校人才培养体系的构建目标。

杨光等[1]基于PBL模式针对“土木工程地质”课程进行了教学改革，并以边坡工程地质问题为例进行了教学案例设计；吴晶晶等[2]将PBL教学模式引入“市政工程计量与计价”课程教学中，并以道路施工图识读教学为例进行了教学设计；刘彬等[3]将PBL模式应用于地学专业本科学生“大学生创新创业计划”的实践中，培养了学生的科研能力和创新能力，效果良好；陈红梅等[4]将PBL教学模式引入“有机化学”实验课程的实践教学过程中，产生了良好的教学效果。目前，PBL模式在土力学课程教学中的应用还较少，璩继立等[5]提出了将PBL法引入“土力学”课程教学的具体实施步骤。

1“土力学”课程教学现状

“土力学”课程是研究土的物理力学性质的一门学科，是力学的一个分支，是为土木、地质、水利、交通等工程类专业本科生开设的一门专业基础必修课，其理论性、综合性和实践性均较强。文章以湖南工业大学（以下简称“我校”）土木工程专业为例，“大学物理”“理论力学”“材料力学”“工程地质”等是其选修课程，其后修课程为“基础工程”“边坡与基坑工程”“隧道工程”等专业课程，“土力学”课程良好的学习效果能为后续专业课程的学习奠定坚实的理论基础。

“土力学”课程以土的渗流、变形和强度为三条主线，通过学习土的物理力学性质和工程特征，使学生充分掌握并熟练提出、分析和解决实际工程中与土体相关的渗流、变形和强度等工程问题[6]。目前，我国本科阶段针对土体渗流、变形和强度的理论体系均基于大量的假设条件，且存在大量基于实际工程经验的计算公式，学生理解时会觉得抽象和模糊，且据此建立的应用于解决工程问题的计算方法与实际或真实的计算相差明显，具有较大的计算误差。这些都加大了课程的学习难度。

此外，我校“土力学”课程课时少，且仍采用单一的传统教学模式，教师的主要任务是传授理论知识点，学生的主要任务为学习理论知识、完成考试。教学过程普遍采用课堂面授+课后作业的模式，课堂面授大多为教师主讲和学生被动接受知识的形式，整个教学过程为“填鸭式”教学。从教学目标、教学内容与方法及考核体系均忽略或淡化了学生实践能力的培养，无法支撑一名合格的工程技术人员所需的知识和能力储备，这与国家和行业所需的应用型人才的培养要求还相差甚远。

本文以湖南工业大学土木工程专业“土力学”课程教学为例。基于PBL教学法，根据“土力学”课程特点，从实际工程案例入手引导学生自主学习，探索适用于地方院校本科生的教学模式，以期为其他院校的“土力学”教学模式提供借鉴和参考。

2 PBL模式在课程中的应用

基于创新型和应用型人才培养要求，将PBL教学模式引入“土力学”课程，有利于培养学生科学的思维方式和实践能力，培养学生发现问题、分析问题和解决实际工程问题的能力，更好地衔接学生毕业后的入职要求。

“土力学”课程的理论性、综合性和实践性均较强，课程知识体系与知识构架成熟，知识点清晰，各知识点的联系紧密，系统性强，教师在教学过程中需强调土力学解决实际问题的实用性功能[7]，建立课程知识点的宏观框架，基于问题导向模式适当引导学生主动学习，自主构建知识体系，可帮助学生较好地理解和掌握课程教学内容。

此外，“土力学”是半理论性和半实践性课程，一方面要求学生较好地掌握土的物理与力学性质的理论知识，另一方面，要求学生灵活运用理论知识解决具体的工程问题。因此，可以从实际工程案例出发，引导学生从理论知识逐步深入实际工程问题。

课前可引入工程实际案例，提出相关问题，要求学生自主预习，通过互联网资源，搜集工程案例相关资料，初步了解相关知识点；课中可播放事故发生的相关視频和图片，通过问题导向模式，采用学习通APP抢答形式，给予学生过程性考核加分，提高学生的学习主动性；通过学习通平台发布课堂练习和课后作业，客观题由学习通平台批阅，主观题要求学生进行生生互评（评分计入过程性考核），学生间可以交流不同观点；同时，在讨论板块发布主题，学生在讨论板块发表观点跟帖，给予过程性考核加分。

3 PBL模式教学设计与实践

PBL教学模式的关键在于以学生为中心，针对教学知识点提炼合适的问题来引导学生自主学习。“土力学”课程以土的渗流、变形和强度为三条主线，通过学习土的物理力学性质和工程特征，使学生充分掌握并熟练提出、分析和解决实际工程中与土体相关的渗流、变形和强度等工程问题。本文以“土的渗透性”“土的压缩性”和“边坡稳定性”三个工程案例为例具体阐述PBL模式教学的设计与实践过程。

3.1土的渗透性

在讲授“土的渗透性”教学内容时，引入案例“1998年九江大堤溃堤决口事件”，调研“事故发生的原因”“事故产生的损失”“如何有效防治？”引导学生初步了解地基土体的渗透性，分阶段设计问题如下。

课前预习问题设计：搜集相关资料，调研1998年九江大堤溃堤决口事件，探究事故发生的过程和原因。让学生初步了解土的渗透性，分小组搜集资料，并在课堂中口头汇报调研结果（过程性考核加分）。

课中讲授问题设计（学习通APP抢答，过程性考核加分）：问：为什么土体具有渗透性？答：由于土体是碎散的非连续介质，具有孔隙。问：土体发生渗透的条件是什么？答：具有一定的水头差，即势能。问：土的渗透性对于上游和下游的土体会产生什么影响？答：上游有利，下游不利。问：如果水头差过大，对于下游的土体会产生什么影响？答：发生渗透变形。教师据此引出流土和管涌的定义。问：发生渗透变形的条件是什么？答：渗透力足够大，大于土体重力，使土颗粒在渗透力的作用下浮起和被水流带走。为什么雨季更容易发生溃堤？答：从渗透变形发生机理的角度分析，一方面，雨季使水位上涨，水头差增加，渗透力增大；另一方面，雨水渗入下游土体，有效重力减小，抗渗性能减小。如何防止渗透变形？答：从渗透变形发生机理的角度分析，一方面，减小渗透力；另一方面，增大抗渗性能，据此采取相应的工程措施。

3.2土的压缩性

在讲授“土的压缩性”教学内容时，引入案例“比萨斜塔”和“虎丘斜塔”，引导学生初步了解地基土体的沉降变形，分阶段设计问题如下。

课前预习问题设计：查阅《建筑地基基础设计规范》，《规范》对基础沉降是否有要求？为什么？搜集相关资料，调研比萨斜塔、虎丘斜塔倾斜的原因。让学生初步了解地基土体在荷载作用下存在沉降变形，且存在不均匀沉降变形。

课中讲授问题设计（学习通APP抢答，过程性考核加分）：在世界上最深的太平洋海沟，水深为11000多米，相当于1100个大气压。问1：将一颗小碎石沉入海底，其体积会缩小吗？答1：几乎不会；问2：将一定体积的土体放到海底，其总体积有变化吗？答2：几乎不会；问3：将土体用橡皮膜包上呢（可排水）？答3：体积会减小。让学生理解土体具有压缩特性。问：土体体积包括哪些部分？答：包括土颗粒体积和孔隙体积，孔隙体积包括空气体积和水的体积。问：土体被压后体积减小，主要是哪部分的体积减小？答：土体压缩主要是空气和水的排出，孔隙体积减小的结果。问：不同的土体，为什么其e-p曲线存在差异？曲线的陡和缓分别说明什么？答：不同的土类，其压缩性不同，曲线平缓说明压缩性小，曲线陡说明压缩性大。教师引出定量考核土的压缩性的指标，定量评价土的压缩性高低。问：土体卸载再加载时的压缩性与原状土相比的高低？为什么？答：土体变形包括可恢复的弹性变形和不可恢复的残余变形，土体卸载后残余变形未恢复，再加载时土体的压缩性低于原状土。

3.3边坡稳定性

在讲授“边坡稳定性”教学内容时，引入案例“香港寶城滑坡”，调研“事故发生的原因”“事故产生的损失”“如何有效防治？”引导学生了解边坡的稳定性与滑坡地质作用，分阶段设计问题如下。

课前预习问题设计：搜集相关资料，调研“香港宝城滑坡”发生的原因，探究雨天更容易发生滑坡的原因。让学生了解土体抗剪强度低，较易发生剪切破坏，初步了解滑坡的形成机理，分小组搜集资料，并在课堂中口头汇报调研结果（过程性考核加分）。

课中讲授问题设计（学习通APP抢答，过程性考核加分）：问：滑坡的滑裂面在哪里？什么形状？答：假定为通过坡脚的圆弧滑裂面。问：滑裂面上的土体处于什么状态？答：滑裂面土体处于极限平衡状态，已发生剪切破坏。问：为什么雨季更容易发生滑坡？答：从滑坡形成机理的角度分析，雨水渗入边坡，一方面增大了边坡的重力，另一方面，含水率的增加降低了土体抗剪强度指标，使土体抗剪能力减小，此时，滑裂面上的土体向下的重力增加，而抵抗滑块向下滑动的抗滑力（抗剪能力）减小，发生滑坡。问：影响边坡稳定性的因素有哪些？答：从滑坡发生机理的角度分析，坡高、坡角土的种类、含水率、抗剪强度指标、外加荷载，等等。问：如何防止滑坡？答：根据影响边坡稳定性的因素提出相应的工程措施。

通过案例分析与问题导向式相结合的方式教学，帮助学生主动思考，自主学习，构建知识体系，培养了学生搜集、阅读和整理课外素材的能力，运用基本原理表达复杂工程问题的能力，有助于培养学生的创新能力和实践能力。

4结论

“授之以鱼，不如授之以渔”，基于PBL的教学模式有利于创新型和应用型人才的培养，可有效帮助学生建立自主学习的好习惯。本文阐述了PBL模式在土力学课程中的应用，并以课程教学中的三个工程案例详细设计了教学过程，以期为PBL教学模式在土力学课程教学中的应用提供一定借鉴。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51909086）；湖南省自然科研基金资助项目（2020JJ5131）；湖南工业大学教学改革研究项目（2021YB08）。

参考文献

[1]杨光，张志坚，唐响亮.基于PBL模式的土木工程地质课程教改应用[J].科教导刊（下旬），2019（24）： 28-29.

[2]吴晶晶，贺敏，徐卓君，等.基于PBL模式的教学初探——以《市政工程计量与计价》课程为例[J].魅力中国，2021（46）：256-257.

[3]刘彬，张贝，肖传桃，等.PBL模式在地学专业学生科研能力培养中的应用[J].大学教育，2021，（10）： 40-42.

[4]陈红梅，隋岩，黄伟.PBL教学模式在有机化学实验课程中的实践探索[J].科教导刊，2022（32）：120-122.

[5]璩继立，李陈财，刘宝石.PBL教学法在本科土力学教学中的应用[J].教师，2012（26）： 40-41.

[6]赵明华.土力学与基础工程[M].武汉：武汉理工大学出版社，2000.

[7]李广信.实用主义与土力学[J].岩土工程学报，2018，40（10）：1897-1904.