土力學(xué)課程教學(xué)中的趣味性、啟發(fā)性及思政融入型教學(xué)實踐

孫曉輝 蘇棟 姬鳳玲

摘要：土力學(xué)課程既包含科學(xué)原理，又與日常生活、工程實踐密切聯(lián)系。如何深入淺出、結(jié)合工程實踐開展教學(xué)活動至關(guān)重要。教師可從日常生活中提煉既有趣味性，又與土力學(xué)課程原理相通的事物，通過引導(dǎo)學(xué)生觀察和聯(lián)想展開課堂教學(xué)，從而達到活躍氣氛、提高學(xué)生學(xué)習(xí)專注力的目的。通過開發(fā)演示教具，將復(fù)雜原理具象化演示，提高教學(xué)效率，并發(fā)揮土力學(xué)課程與思政緊密相連的天然優(yōu)勢，在課堂中融入歷史文物、重大事件、重大工程等信息，最終達到輕松趣味、具象演示、融入思政的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：土力學(xué) ;趣味性;啟發(fā)性;課程思政;課程教學(xué)

中圖分類號：G640;TU43 ? 文獻標(biāo)志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2021）06-0093-08

土力學(xué)是土木工程專業(yè)本科生的必修專業(yè)課程。土力學(xué)所解決的主要問題包括土的強度、變形和滲流問題，相關(guān)問題在地基基礎(chǔ)、地基處理、擋土結(jié)構(gòu)、邊坡、堤壩等具體工程中均有體現(xiàn)。作為一門貼近工程實踐的課程，該課程充滿了哲學(xué)性、科學(xué)性、實踐性和趣味性[1]。不少學(xué)者在土力學(xué)教學(xué)中開展了諸多教學(xué)改革和創(chuàng)新實踐，力求提升教學(xué)效果[2-5]。李廣信指出，土力學(xué)教學(xué)應(yīng)重視實踐，包括必選教學(xué)實驗、觀摩演示性實驗、研究訓(xùn)練項目等，引入有新意、有趣味、有深度的實踐教學(xué)活動[6]。繆林昌指出，教學(xué)中應(yīng)注重學(xué)生學(xué)習(xí)興趣培養(yǎng)、手腦并用和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)[7]。王安明等總結(jié)了趣味性、互動性及實驗環(huán)節(jié)在土力學(xué)教學(xué)中的重要性[8]。賀瑞霞等提出土力學(xué)教學(xué)中應(yīng)重概念、重理解、重實驗、重案例分析等[9]。姚笑青認為，善于總結(jié)教學(xué)脈絡(luò)、注重啟發(fā)性與互動性、增強藝術(shù)性與趣味性是教學(xué)成功的關(guān)鍵[10]。可見，在土力學(xué)的教學(xué)中注重概念的理解和原理的演示，增加課程教學(xué)的趣味性和啟發(fā)性得到廣大土力學(xué)教育工作者的一致認可。

正如大量學(xué)者所描述，土力學(xué)與工程實踐結(jié)合十分密切，只有將復(fù)雜問題簡化才能更加貼近其本質(zhì)。如何將抽象問題具象化還有待進一步提煉總結(jié)。一方面，將現(xiàn)實生活中所遇到的問題與土力學(xué)關(guān)知識相結(jié)合并應(yīng)用于課堂，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、活躍課堂氣氛，寓教于樂;另一方面，對于一些較為抽象、難以直觀感受的原理，可通過特殊設(shè)計但又簡單易懂的教具展示，將復(fù)雜原理具象化，使學(xué)生在直觀感受中體會科學(xué)原理，加深對原理的理解，并形成持久印象。此外，土力學(xué)課程天然具有眾多思政素材，并且與我國眾多歷史文物、重大工程、重大事件緊密相連，在教學(xué)中適當(dāng)引入思政案例不僅可以激發(fā)學(xué)生的愛國熱情，而且還可加深學(xué)生對于相關(guān)知識的理解。

一、源于生活的趣味性

土力學(xué)作為與工程實踐密切結(jié)合的課程，相關(guān)原理或知識點可在現(xiàn)實生活中常見事物的基礎(chǔ)上進行形象化描述，以增強課堂教學(xué)的趣味性和啟發(fā)性。

（一）土基本概念中的趣味性

在描述土的基本結(jié)構(gòu)時（包括單粒結(jié)構(gòu)、絮狀結(jié)構(gòu)和蜂窩結(jié)構(gòu)等），如圖1所示，對土的基本結(jié)構(gòu)進行具象化聯(lián)想教學(xué)。通過引入形象化的彩色卵石說明土的單粒結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示。通過引入生活中常見的玉石手鏈描述土的絮狀結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示;多層絮狀結(jié)構(gòu)相互疊加最終形成類似蜂窩結(jié)構(gòu)，如圖1（c）所示。

再如，在描述土顆粒的具體形狀參數(shù)時，有球形度和磨圓度兩個基本概念，如圖2所示。其中，球形度是指顆粒形貌接近球體的程度，磨圓度是指顆粒在搬運過程中經(jīng)沖刷、滾動、撞擊等，棱角被磨圓的程度。在教學(xué)中采用學(xué)生最為熟悉的荔枝品種（桂味和糯米糍）進行描述。其中，桂味品種的荔枝更圓，但表面刺尖更加尖銳，說明其球形度更高，磨圓度不高。而糯米糍品種的荔枝更長更扁，但表面的凸起較為圓潤，因此，其球形度不高而磨圓度更高。通過舉例加深了學(xué)生對土顆粒具體形狀的認識，活躍了課堂氣氛，課堂教學(xué)效果甚佳。

又如，土的比表面積概念，其定義為單位質(zhì)量的物體的總表面積。它決定著土的吸附性能。以單個西瓜為例，其表面積為整個外表面積，而在切成小塊之后，在總重量不變的情況下，其總表面積大幅增加?？梢?，土顆粒粒徑越小，其比表面積越大。

（二）正常固結(jié)土和超固結(jié)土的區(qū)別

正常固結(jié)土是指其歷史上所受的最大固結(jié)應(yīng)力，即為當(dāng)前所承受的固結(jié)應(yīng)力的土體。超固結(jié)土是指歷史上所承受的固結(jié)應(yīng)力大于當(dāng)前固結(jié)應(yīng)力的土體。兩者的差別在于，超固結(jié)土受到過較大的固結(jié)應(yīng)力，然后有卸載過程，相對于正常固結(jié)土，超固結(jié)土的孔隙比更小，強度、壓縮模量等可能更高。為幫助理解相關(guān)概念，以嫩豆腐和豆腐皮為例，進行趣味聯(lián)想比較，如圖4所示。嫩豆腐歷史上所受的固結(jié)應(yīng)力即為（或接近）其當(dāng)前自重應(yīng)力，因此，含水量較高、孔隙較大，表現(xiàn)出強度較低的特性。而豆腐皮在制作過程中，經(jīng)歷了高壓作用，豆腐中水分被擠出（可看作是排水過程），造成顆粒排列更加緊密，孔隙比大幅降低。相對而言，豆腐皮更加有嚼勁，說明豆腐皮的抗剪強度更高。且對其進一步擠壓，相對于嫩豆腐，較難產(chǎn)生更大的變形，說明其壓縮性更低。如此，在教學(xué)中，正常固結(jié)土和超固結(jié)土的區(qū)別和主要特征更加通俗易懂。

（三）剪縮和剪脹的輔助理解

土體剪切過程中會發(fā)生體積變化，即所謂土的剪脹性。土的剪脹性實質(zhì)上是由于剪應(yīng)力引起土顆粒間相互位置和排列發(fā)生變化，從而使顆粒間的孔隙加大（或減?。?，最終導(dǎo)致體積變化。在授課過程中，筆者以兩個拳頭相對，骨頭凸起部分（簡稱骨凸）代表土顆粒，如圖5所示。在初始剪切階段，若在排列最緊密時，骨凸之間犬牙交錯，無縫隙，代表土顆粒處于最緊密狀態(tài)，此時孔隙比最小。當(dāng)骨凸錯動時，代表剪切過程中發(fā)生了土顆粒排列變化，導(dǎo)致顆粒間孔隙增大，體積發(fā)生膨脹，即為剪脹現(xiàn)象。而若初始階段為孔隙最大的狀態(tài)時，即骨凸一一對應(yīng)，代表土的疏松狀態(tài)。在剪切作用下，骨凸發(fā)生錯動，導(dǎo)致孔隙減小，發(fā)生剪縮現(xiàn)象。

需要指出的是，在排水條件下，上述剪脹、剪縮體積確實發(fā)生了變化，因為孔隙的變化可迅速被外部的水充滿或?qū)⒖紫吨械乃懦?，而對于不排水條件，由于體積沒有發(fā)生變化，所謂的剪脹和剪縮則成了一種體積變化趨勢，而非真正的體積變化。在剪脹趨勢下，孔隙具有增大的趨勢，而其內(nèi)部所充滿的水體積無法膨脹，即產(chǎn)生負的孔隙水壓力來克服這種體脹趨勢所帶來的拉應(yīng)力。而在剪縮趨勢下，孔隙具有縮小的趨勢，而其內(nèi)部充滿水無法被壓縮，則對孔隙水產(chǎn)生正的壓力。

經(jīng)過上述趣味性解讀，學(xué)生瞬間理解了剪脹性的內(nèi)涵，以及其對土體內(nèi)部孔隙水壓力的影響。此外，鼓勵學(xué)生在課堂上積極參與試驗，形成師生之間的積極互動。

二、復(fù)雜原理的啟發(fā)式具象演示

在土力學(xué)教學(xué)中，借助簡單教具將科學(xué)原理淺顯易懂地進行演示對于提升教學(xué)效果具有重要的作用。筆者通過制作一系列教具，將土的滲流作用、土工合成材料加筋作用、成層地基沉降等難以直觀解釋的原理通過教具進行直觀演示，達到輔助教學(xué)的目的。

（一）滲流、液化的具象演示

由于滲流的存在，地基土中的有效應(yīng)力、孔隙水壓力將發(fā)生變化。具體而言，垂直向上的滲流將導(dǎo)致土中孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力降低甚至消失，達到一種液化狀態(tài)，從而不再具有承載建筑物的能力。本教具為直徑0.2 m的填滿砂的有機玻璃柱，主要用于模擬地層，其下方留有與水龍頭相連的水管接口。當(dāng)水龍頭打開時，可在砂層中產(chǎn)生向上的滲流。砂中埋設(shè)一根直徑為1 cm的鋼棒，用于模擬建筑物的樁基，如圖6所示。

當(dāng)無滲流作用時，如圖6（b）所示，學(xué)生可觀察到鋼棒穩(wěn)穩(wěn)立在砂中，用手下壓時，難以將其壓入。這說明樁基具有一定的承載力，主要來自側(cè)壁的摩擦和端部的阻力。當(dāng)滲流存在時，如圖6（c）所示，滲流力抵消了砂的有效應(yīng)力，使地層處于一種液化狀態(tài)，導(dǎo)致內(nèi)部承載力喪失，鋼棒輕易陷入砂中，以此模擬建筑物的破壞過程，從而向?qū)W生展示滲流作用帶來的巨大危害。在演示過程中，可對相關(guān)知識點進行詳細講解。

（二）加筋作用的演示

土工合成材料加筋墊層是一種常見的巖土體加固手段，其原理在于通過對巖土體施加側(cè)向約束作用，從而提升土體的抗變形能力。但這種作用難以直觀描述，學(xué)生們無法獲得直觀體驗。通過制作四壁可開合的立方體模具，填筑土體，形成試樣進行加筋作用演示，如圖7所示。其中圖7（a）試樣中間加入兩層土工格柵，圖7（b）試樣中間加入兩層土工布，圖7（c）試樣不加筋，然后讓學(xué)生們站立在巖土體頂部，并撤掉四周擋板。對于不加筋的試樣圖7（c），當(dāng)擋板被撤掉后，巖土體隨即垮塌，表明其無法承載一個人的體重。而對于加入土工格柵的試驗，當(dāng)擋板撤掉后，土塊仍然直立，可承受一個人的重量且不垮塌，說明土工格柵對土體施加了側(cè)向約束作用，提高了土體的總體剛度，以此直觀清晰地說表明加筋的作用。

（三）層狀地基變形性能演示

成層地基的沉降量與各層地基的彈性模量分布有密切關(guān)系。對于垂直方向上，不同模量的地層分布對地基變形量的影響如何，學(xué)生難以有直觀感受，為此，研制如圖8所示教具，可通過采用不同硬度的材料模擬不同類型的地層。在上部施加相同荷載后，觀察不同模量分布的地層變形。而在實際教具演示下，可明顯看到當(dāng)模量較高的土層處于上方時，整個土層沉降更小?？紤]極端情況，將模量最低的土層放置在最表層，則得到最大沉降。相反，將模量大的土層放置在最表層，則得到最小沉降。表明當(dāng)模量大的土層靠近表層，則可更大幅度承受外荷載，土層的壓縮沉降量更小。其主要原因為土中應(yīng)力自上而下逐漸降低，模量更高的土層更靠上時可抵抗更大的應(yīng)力，從而使壓縮變形量更小。

三、思政素材的融入

（一）中國歷史文化融入

土力學(xué)課程教學(xué)可與中國歷史文化緊密聯(lián)系。如：黏土礦物由多種礦物成分組成，包括高嶺石、伊利石、蒙脫石。如果僅僅將三種枯燥的礦物名稱告訴學(xué)生，很難在學(xué)生的腦海中留下深刻印象，而將這三種主要黏土礦物與地名聯(lián)系起來，則可大幅提高學(xué)生的興趣。除了伊利石和蒙脫石均為美國地名外，高嶺石因最早發(fā)現(xiàn)于中國江西景德鎮(zhèn)附近的高嶺村而得名，如圖9所示。高嶺土作為一種制瓷原料，有力地支撐了我國古代景德鎮(zhèn)制瓷手工業(yè)的發(fā)展壯大。從教學(xué)效果看，學(xué)生對此種教學(xué)方式產(chǎn)生了濃厚興趣，極大地激發(fā)了民族自豪感。

在講述由于土體變形，地基發(fā)生不均勻沉降引發(fā)工程問題時，引入中國大量的古建筑保護案例來闡述此類問題發(fā)生的原因及其解決方案。例如：著名的虎丘塔、大雁塔等中國古建筑（如圖10所示），由于地下水開采、地基土厚薄不均等，導(dǎo)致地基不均勻沉降，從而引發(fā)塔體傾斜，這些都是典型的土體變形問題。在此，可從虎丘塔和大雁塔等著名古建筑的建造年代和歷史淵源切入，體會古人智慧的結(jié)晶，培養(yǎng)學(xué)生對中國歷史與文化的自豪感，增強民族自信心。

（二）以重大事跡為素材

管涌是滲透破壞的一種，也是堤壩潰決的主要原因之一。其發(fā)生機理主要在于土中的細顆粒在粗顆粒形成的孔隙通道中被滲透水流帶出，從而造成孔洞越來越大，最終發(fā)生潰壩。管涌作為一種漸進性的破壞形式，其發(fā)生的主要機理有兩個方面：一是水力坡降的存在，此為外部原因;二是土顆粒自身的不均勻性，導(dǎo)致細顆粒可以從粗顆粒的孔隙中被帶出。在教學(xué)中，引用抗洪搶險中解放軍戰(zhàn)士采用的“養(yǎng)水盆”方式進行管涌對抗舉例，如圖11所示。當(dāng)?shù)虊瓮鈧?cè)有水流滲出并伴有細顆粒外冒時，可認為有發(fā)生管涌的前兆，需要立刻采取措施。此時，向?qū)W生明確指出，在無法快速改變壩體土顆粒自身性質(zhì)的前提下，可通過“養(yǎng)水盆”的方式快速改變滲流水力坡降的大小。以抗洪搶險舉例，在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的同時使學(xué)生更加全面了解我國以人民生命、財產(chǎn)安全為中心的搶險救災(zāi)安排部署，深切感受解放軍戰(zhàn)士的偉大，從而厚植愛國情懷，增強學(xué)生對社會主義優(yōu)越性的認同。

（三）以重大工程為背景開展教學(xué)

土力學(xué)相關(guān)知識點均可與我國重大工程建立聯(lián)系，如港珠澳大橋、高鐵網(wǎng)絡(luò)、三峽工程等，包含眾多與土力學(xué)直接相關(guān)的知識?；诖祟愔卮蠊こ瘫尘?，可進行包括水位升降引起滑坡、地基壓縮沉降、邊坡錨固等知識要點的講解。

（四）樹立正確的價值觀和工程倫理

巖土工程中隱蔽性的地下工程居多，從業(yè)工程人員必須堅守工程質(zhì)量底線，樹立正確的人生觀和價值觀。因此，在土力學(xué)教學(xué)中，應(yīng)結(jié)合相關(guān)工程事故，講述問題產(chǎn)生機理，并警示學(xué)生筑牢安全意識和職業(yè)道德底線，從而達到工程倫理教育的目的。

四、結(jié)語

土力學(xué)課程特點鮮明，盡管理論抽象，但較為貼近實際工程和生活，有天然的趣味性、啟發(fā)性特點，具有良好的思政教學(xué)基礎(chǔ)，因此，可在課堂上形成有效互動，促使學(xué)生集中注意力、提高理解力，最終達到提高教學(xué)效果的目的。

（1）通過將趣味性十足的土的基本性質(zhì)融入教學(xué)中，促使學(xué)生快速理解概念，加深印象，避免死記硬背。同時，教師要善于聯(lián)想，善于從日常生活中挖掘既有趣味性又與土力學(xué)教學(xué)密切聯(lián)系的例子，并融入教學(xué)中。

（2）通過直觀、淺顯的教具演示和啟發(fā)，展示難以表述的土的滲流作用、加筋作用和成層土的沉降變形特征。在未來教學(xué)中，教師仍需精心構(gòu)思，抓住主要矛盾，制作更多易于操作且可將復(fù)雜原理直接、直觀演示的教具。

（3）土力學(xué)課程與思政聯(lián)系緊密，不僅可將中國豐富的歷史文化融入課堂，而且還可從現(xiàn)代超級工程及搶險事跡中挖掘思政元素，在闡述專業(yè)知識的同時，厚植家國情懷，培養(yǎng)學(xué)生的愛國熱情。與此同時，在土力學(xué)課程中開展工程倫理教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的價值觀。

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Abstract： The course of soil mechanics not only contains in-depth scientific principles， but also closely relates to daily life and engineering practice. It is important to combine the teaching with engineering practice. In fact， on the premise of being good at observation and association， teaching staff can extract interesting things from daily life through observation， so as to activate the atmosphere and improve students’ concentration. And through the development of teaching aids， the complex mechanism can be demonstrated concretely， so as to improve the teaching efficiency. We should take advantage of the natural advantages of the close connection between soil mechanics and ideological and political education， and integrate historical relics， major events and major projects into the classroom. Finally， it can achieve the teaching effect of relaxed and interesting， concrete demonstration and integration into ideological and political education.

Key words： soil mechanics; interesting; enlightening; curriculum ideological and political education; course teaching

（責(zé)任編輯 梁遠華）

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