浅谈土力学教学的几点体会

刘钢+张英+李娅+舒志乐+王文奇

摘要：土力学作为土木工程专业的一门主干专业基础课，其重要性是不言而喻的，同时也是学生公认的学习难度大的课程之一。在借鉴同行宝贵经验基础上，结合自身在教学中的感受，从土力学理论教学内容安排、实践教学环节以及课堂教学中如何增加趣味性三个方面浅谈一下体会，以供参考。

关键词：土力学;理论教学;实践教学;教学趣味

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）22-0195-02

一、引言

土力学与岩石力学、工程地质并称为岩土工程学科三大专业基础课[1]，是土木工程专业必修的主干课程。学好该课程，将为基础工程、路基工程等专业课的学习奠定良好的基础。就土力学这门课程本身而言，大学教材所涉及的经典土力学部分（1925—1963年）大多还是基于直觉、经验和宏观现象学而建立的，各章节之间缺乏有机和统一的理论基础[2]，使得土力学这门课程具有内容相当广泛、综合性强，知识点琐碎、公式众多等特点。同时，该课程还涉及材料力学、水力学、工程地质、弹性力学等相关知识，涉及学科领域多，跨度大，使其成为一门较难掌握的课程。在教学过程中，就有学生感叹土力学与先前所学的理论力学、材料力学、结构力学等课程差别太大，颠覆了他对力学的认识;也有部分学生在学习的过程中因理解困难、跟不上进度等原因失去了学习这门课程的兴趣。

二、理论教学内容的安排

目前，国内出版的土力学教材版本较多，但内容大致相同。从课程内容上看，可以划分为两大部分，一是土的基本物理力学性质部分，物理性质部分主要包括土的三相组成、土的物理状态的描述、土的结构性以及工程分类等内容，力学性质部分主要涵盖了土的强度、变形以及渗透三大特性;二是与工程实际问题紧密结合部分，如地基的变形与承载力、边坡的稳定以及支挡结构上的土压力等，如图1所示。

由于各学校教学学时安排不同，土力学理论部分教学内容也存在一定的差异。若理论教学课时较少，相应的教学内容就会有所减少，通常来讲，渗流与流网、土体的渗流固结等往往是基础理论部分首先被删减的内容，一些与工程问题结合部分也不能够较深入全面地讲解，比如渗流或地震荷载作用下边坡稳定性分析、复杂挡墙结构条件下的土压力分布问题等。总言之，不管课时的多少，理论教学内容应该在呈现出经典土力学基本框架的同时，注意突出重点。有以下几点建议：（1）土的基本物理性质在很大程度上决定了土的力学性质，应注重该部分内容的讲解，尤其是土的三相性、土的结构性等内容对土的力学特性的认识具有重要的作用。（2）理论教学内容应该围绕土的变形、强度和渗透三大问题展开。对于不同的专业方向，侧重点可有所区别，比如水利专业方向，土的渗透特性部分课适当增加学时。（3）教学内容的安排还应该重点突出。比如土的强度特性部分在整个经典土力学理论部分具有相当重要的地位，是地基极限承载力和边坡稳定分析、土压力计算的理论基础，务必作为教学重点内容让学生掌握。（4）应适当地拓展解决工程实际问题方面知识的介绍。（5）理论教学部分学时最好在40学时以上才能够满足相应的教学要求。

三、实践教学环节的探讨

土力学是一门实践性、应用性很强的学科，土力学的很多知识通过动手才能够找到“感觉”。因而，实践教学环节是学生理解土力学基本概念、检验土力学基本原理、探讨土力学工程应用的主要途径[3]，其重要性是不言而喻的。

实践教学主要包括以下形式：（1）室内教学实验。实验是土力学实践教学环节的主要形式，土力学课程可以安排室内教学试验的内容较多，包括容重、含水量、液塑限测定、颗粒分析、渗透系数测试、固结试验、直剪试验、三轴剪切试验等。但由于学时的压缩，绝大多数院校的实践教学课只有8学时，加之当前学生人数众多，部分试验所需的时间较长，全部安排所有试验具有相当大的难度。因而，室内教学实验的安排应该是在有限的教学时间内尽可能地让学生多动手、让爱动手的学生有机会动手，这就需要采取行之有效的措施才实现这一目标。首先，可以精心安排设计实验教学内容。比如容重、含水量以及液塑限的测定实验可以在融合为一次教学实验同时进行;严格按照规范要求进行固结实验所需时间太长，在教学实验中可以缩短加载间隔时间，使学生能够在2个课时的教学时间内体验固结实验的全过程。其次，可以将实验教学内容划分为必选实验和自选实验，必选实验在正常的教学学时内进行，自选实验可以让学生在课余时间进行，当然，开设自选实验需要实验室相应地开放管理机制。比如三轴剪切试验，该实验在土力学学习中本具有举足轻重的地位，但试验设备较为昂贵，一般实验室拥有的三轴剪切仪数量较少，实验本身操作复杂，大多数院校将其作为必选实验并不现实，可考虑列为自选实验部分。（2）现场试验观摩。本科土力学教材所涉及的原位测试试验主要包括现场井孔抽水或井孔注水试验、载荷试验、旁压试验等。显然，将这类现场试验作为实践教学大纲的必修环节是相当困难。可收集相关的视频或动画素材，在课堂内进行讲解。若条件具备，最好能让学生现场观摩。（3）课程设计。课程设计可使学生在课堂上理解相对肤浅、薄弱的知识点，在课程设计中加深印象。

总体而言，土力学的教学应该十分重视实践环节，这或许会对教学设备、教师本身的工作提出更高的要求，但是其作用也应该会是显著的。

四、课堂教学中的趣味融入

土力学向来被学生认为时一门很难学的课程。在平时的教学以及与学生的交谈中发现，学生之所以认为土力学难，主要难在对一些基本概念的理解，不能较为透彻地理解土力学中的一些基本概念，逐渐地失去学习的兴趣，从而造成了这门课程很难的“假象”。鉴于此，增加土力学教学中的“趣味趣性”不失为一种好的教学方法[4～5]，清华大学就提出了“寓教于乐、寓研于玩”的土力学教学理念，通过讨论、比喻、讲故事、案例等环节来活跃课堂气氛，从而培养学生兴趣。endprint

将“趣味性”融入到土力学的教学中，包含两方面的含义：（1）土力学中的基本概念采用日常生活中的体会进行生动的比喻，比如李广信教授以挤公交车对三种不同类型土压力概念的生动诠释。土力学教材中一般根据挡土结构物的位移情况，将土压力分为静止土压力、主动土压力和被动土压力。即“当挡土墙不发生任何移动，作用在挡土墙上的土压力称为静止土压力;当挡土墙随着土体向临空面移动，并达到极限状态，作用在挡土墙上的土压力称为主动土压力;而当挡土墙背离临空面移动，并达到极限状态，作用在挡土墙上的土压力称为被动土压力”。这种严谨的描述并不能给初学者一个直观的认识。但若用这样的比喻来解释三种土压力，可能会有意想不到的效果。即“有时要挤上一辆拥挤的公交车实属不易。使劲向上挤，甚至都要把前面的人挤冒起来（‘土体破坏），自己才能挤上去，这时相当于对上面的人群施加了被动土压力，显然是相当吃力而辛苦的;之后，自己刚挤上去，司机关上车门，自己贴在静止的车门上动弹不得，虽比先前好受些，但被静止的车门顶住亦还难受，这相当于受到静止土压力;好容易熬到一个站台，车门打开（身体向外有位移），自己瞬间轻松许多，此时我们受到的便是主动土压力，感到压力小多了，但要稳住脚跟，防止跌落车下”。（2）日常生活中的现象可采用土力学的基本原理进行解释，比如采用有效应力原理对过度抽取地下水引起地面沉降进行解释。即抽水的过程就相当于固结排水过程，抽水使得孔隙水压力逐渐减小，有效应力增加，进而导致土体压密，引起地面沉降。

当然，将这些“趣味”恰当地引入到土力学的教学中也并非易事，对于老师而言，要做一个生活中的有心人，勤于思考。另外，多阅读是加强这方面能力的有效途径，李广信教授所著的《岩土工程50讲》[6]、高大钊教授所著的《土力学与岩土工程师》[7]以及众多的期刊论文都是很好的参考资料。

五、结语

土力学作为土木工程专业的一门主干专业基础课，有其自身鲜明的特色。在教学过程中，理论与实践教学两个方面都要引起足够的重视，二者相辅相成，不可或缺。理论教学内容可制定学时安排做好教学内容规划，但应注意在呈现整个土力学理论框架的同时注意重点突出;实践教学环节在重视室内试验的同时，有条件的情况下可与现场试验观摩以及课程设计并举。同时，在教学过程中，最好能紧密结合教学内容，增加教学的“趣味性”，提高学生学习的主观能动性。

参考文献：

[1]李广信，吕禾，张建红.土力学课程教学中的实践教学[J].实验技术与管理，2006，23（12）：13-14（23）.

[2]赵成刚，韦昌富，蔡国庆.土力学理论的发展和面临的挑战[J].岩土力学，2011，32（12）：3521-3540.

[3]李广信.奇谈怪论土力学[J].岩土工程界，2003，6（6）：25-28.

[4]李广信，杜修力.土力学教育与教学[M].北京：人民交通出版社，2006.

[5]马时强.比喻法在土力学教学中的应用[J].聊城大学学报：自然科学版，2012，25（1）：108-110.

[6]李广信.岩土工程50讲[M].第2版.北京：人民交通出版社，2010.

[7]高大钊.土力学与岩土工程师[M].北京：人民交通出版社，2008.endprint