土力学实验教学中存在的问题与改革建议

高 磊, 龚云皓, 宋涵韬

(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室, 江苏 南京 210098；2. 河海大学 岩土工程研究所, 江苏 南京 210098)

实验课程改革

土力学实验教学中存在的问题与改革建议

高 磊1,2, 龚云皓1,2, 宋涵韬1,2

(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室, 江苏 南京 210098；2. 河海大学 岩土工程研究所, 江苏 南京 210098)

针对目前土力学实验教学实践中的现实情况,从课时安排、课程设置、授课方式、试验条件、人员配置、支持力度6个方面分析了目前土力学实验教学中存在的问题,并结合多年土力学实验课程教学和实验室管理经验,从领导决策、教师实践、学生反馈3 个方面提出了关于土力学实验教学实践改革的几点建议,以提高土力学实验教学质量,更好地培养工程专业学生应用理论与动手操作的能力,提升学生的创新能力,培养全面发展的复合型工程人才。

土力学试验； 教学实践； 改革建议

土力学是将固体力学和流体力学等学科的基本原理应用于土体的一门应用学科[1],主要研究土体的物理、力学和工程性质等,用于工程建设与社会发展。土力学试验是土力学学科的重要组成部分,实际工程中的岩土设计参数就是由设计合理、条件相似、方法恰当、操作正确的土力学试验获得[2-3]。土力学试验作为土力学基本理论与实际工程建设之间的“桥梁”,促进了土力学基本理论的发展,丰富了土体在工程实践中的应用。土力学实验课作为土力学理论课的配套实践动手课程,旨在通过具体的试验操作,加深学生对课堂知识的理解与感悟,锻炼学生的动手实践能力与基本的试验操作技能,提高其发现和解决问题的能力[4],培养学生成为“知理论懂实践会操作能分析”的综合型人才。针对土力学教学实践中遇到的一些实际问题,必须开展土力学试验的教学改革,而土力学实验教学改革的核心问题是如何通过课程设置、人员安排、条件改善等措施,充分发挥土力学实验课程的基本作用,使其更好地帮助学生学习土力学这一重要课程,掌握和理解土力学的基本概念与基本原理。

1 土力学实验教学现状及问题

(1) 实验课时安排过少,试验仪器数量不足,学生实际操作的机会少、时间短[5]。目前国内大多数土木类院校的土力学实验课课时设置为5～8个学时,多集中在动手操作土的颗粒分析、液塑限、渗透、压缩和直接剪切试验,个别单位开设了三轴、击实、相对密实度等试验[6],由于课时压缩,最直接的影响就是学生动手操作时间的减少。在实际的土力学实验教学中,一般2个课时教授一门试验,在90 min的课程时间中,教师对试验原理、操作要点的讲解约为30 min,在余下的1 h时间里,对于简单的试验学生尚可完成,但遇到较复杂的试验学生往往做得比较匆忙,即使完成了也只是简单的机械操作,没有时间仔细地观察试验现象、思考试验中出现的问题。而且由于试验仪器数量有限,上课的学生一般分为小组完成试验,这固然可以加快试验速度、提高试验成功率,但也导致了学生操作机会和时间的减少,对于培养学生的试验技能和实践能力十分不利。同时由于时间不充足,一些从土的筛分、土的比重、土的含水率、饱和土样的制备等试验操作,学生没有能够理解和掌握操作规程和方法,导致学生进入研究生阶段,仍然无法独立开展土的基本物理力学性质试验,甚至对一些结果的判别缺少足够的认识,试验步骤和数据分析错误,导致试验结果错误。

(2) 理论课与实验课分离,模块化教学不明显。所谓模块化教学,通俗地表述就是把培养目标中学生应具备的各种知识、能力、素质,按其性质、作用等划分为不同构成要素,围绕这些要素构建若干个教学单元,即“教学模块”,然后有序实施逐块达标的教学活动[7-8]。目前在土木类高校的土力学实验教学中,模块化教学不明显主要有以下2个原因：一是实行土力学理论课与实验课分开教学。分开教学，一方面使得土力学实验课提前或者滞后于理论课的学习,学生在学习的过程中难以获得“趁热打铁”的连贯性学习体验,一定程度上也影响了学生理论联系实际的能力扩展；另一方面,理论课和实验课由不同教师进行讲授,由于不同教师具有不同的讲课风格,对土力学试验知识点的讲解思路也不尽相同,在一定程度上造成学生理解上的困惑,不利于学生由书本知识到实际操作的顺利迁移。二是在课程设置和安排上没有对相关的试验进行归纳整合,学生总是进行单个的试验,无法将琐碎的知识点整合。例如同样是剪切试验,可以将直接剪切试验和三轴剪切试验同时进行,这样可以让学生体会两者在操作、原理、工程应用等方面的异同,便于学生加深对书本理论知识的理解,系统认识土体抗剪强度指标这一概念。同时如直接剪切试验又分为快剪、固结快剪和慢剪。实验课程中一般选快剪为实际操作试验,选择砂土来做土样,这样就与土力学教材和土工试验规程中略有不同,容易造成学生的混淆,而且学生对于粘土样的制备过程仍然不清楚。

(3) 授课方式单一,多媒体教学不足。目前土力学试验的授课方式仍为传统的“填鸭式”教学,“教师站着讲,学生坐着听”或者“教师做演示,学生围着看”,这种“听与看”的传统课堂模式容易造成课堂气氛沉闷,不利于调动学生的积极性,教学效果不突出[9]。在知识点的具体呈现方面,土力学实验课多采用黑板板书的方式,这种方式讲解效率低,缺乏课堂趣味性。多媒体教学以其内容丰富、形式新颖、功能多样化等特点受到学生的广泛欢迎,教师通过在多媒体课件中放置图片、制作动画,并配备音效,不仅能够活跃课堂气氛,调动学生的学习兴趣,而且能够通过生动形象的展示,深入浅出地阐明试验的原理、现象和相关操作。在具体的授课模式方面,可以采取一些目前很受学生欢迎的新模式,例如通过“微课”向学生展示规范的试验操作和过程,通过“慕课”进行线上教学、互动讨论等,这些新颖的教学模式符合现代学生利用手机、计算机获取知识的学习习惯,能够提高学生的兴趣,而且学生能够利用碎片化的时间随时随地进行学习。移动课堂的方式能够很好地提高学习效率,提升教学效果。

(4) 实体课堂占主体,虚拟实验室使用率不高。实验课与理论课的一个重要区别就是实验课的开设需要配套的试验仪器和试验场地。目前,由于各土木类院校土木工程学生人数较多,试验场地面积较小和试验仪器数量紧缺,普遍采取的解决措施是组织学生分批进行实验课,实验课教师经常需要分不同班级上课,同一个试验需要多次授课,在一定程度上造成了师资、场地和时间的浪费,而且由于不同班级学生的理论课是同步进行的,分批进行相应的试验也会造成部分学生实验课与理论课之间的脱节,不利于学生对所学知识从理论到试验系统的掌握。此外,分批进行试验会增加仪器清洁、摆放、维护等方面的工作量。虚拟试验总体设计思想是通过虚拟现实技术、多媒体技术等实现的计算机辅助教学,可向学生提供直观的、交互式体验的教学平台[10]。在虚拟实验室中,学生不仅可以像在现实实验室中一样在虚拟实验台上动手操作,而且可以根据需要自主设计试验,自己动手配置、连接、调节和使用试验仪器设备,学生通过虚拟实验室不仅能学会土力学试验的基本操作流程和实施要点,而且有利于培养设计试验的能力和创新思维。在虚拟实验室中,学生也更易获得科学的指导和敏捷的反馈。

(5) 实验室人员配置不齐全,素质不够高,待遇也有待改善。实验室作为教师和学生进行试验的地方,从环境的清洁、器皿的摆放、仪器的维护、试验垃圾的清理到一般的日常管理都需要专门的人员。目前国内高校实验室普遍存在人员不足的现象,通常都是一人兼多职,由于个人精力有限,难以面面俱到,经常有意外情况发生,影响实验教学的进度。此外,实验室工作人员还存在素质不够高的问题,主要体现在3个方面[11]：一是试验辅助教学的专业素质不够,非专业出身人员较多,未经过专门实验教学培训的人员较多,不能规范地进行样品的制作和处理、仪器的摆放与操作等试验内容；二是缺少仪器维修的专业知识与技能,一些仪器的维护和修理通常需要联系仪器厂商,相关实验教学会因此受到影响；三是责任意识不够,在试验中或试验结束后不能对试验仪器进行仔细的检查,相关的清洁措施也做不到位,经常造成试验器皿的损坏和试验仪器的故障,导致后期无法使用。值得一提的是,目前国内高校实验室工作人员的薪水和待遇普遍偏低,这也是造成实验室人员不足和工作人员素质不高的重要原因。实验室工作人员多倾向于参与科研项目获得报酬解决生存问题,而不愿意甘于在实验室做教书匠。同时,固化的管理和评价模式也使得实验室工作人员缺乏积极性,工作效率不高、责任意识不强。

(6) 学校和学院层面对实验室工作缺少足够的重视与支持。一方面,院校领导在政策制定时缺少对实验室建设的重视。在学校和学院的规划中,实验室的战略地位被逐渐边缘化,实验室的发展与改善得不到校院主要领导的重视,一些改革措施始终难以提上日程,这样就导致了实验室的管理质量上不去,人员数量与质量上不去。另一方面,实验室的发展缺少资金的支持,实验室既有仪器的修理维护和新仪器的采办都需要资金的支出,发展资金的缺少不仅导致既有仪器的维修滞后,影响实验教学的开展,而且在新式仪器的购买方面也捉襟见肘,使得实验室设备落后于现有技术的推广,实验室发展缺乏动力[12]。实验室工作人员的职称晋升与级别的提升始终处于弱势地位,难以提供良好的发展平台,导致实验室人员流动性大,缺少足够的政策倾斜扶持与照顾。

2 土力学实验教学改革的建议

为了解决上述的土力学教学实践中的问题,土力学试验应进行教学体系的改革[13],首先要明确改革涉及到的3个主体(学生、授课教师和院校领导)的责任与义务,其次要理清这3者之间的关系。院校领导是课程改革的统筹者与策划者,负责课改的大方向以及提供必要的人员、物资等方面的支持；授课教师是课程改革的践行者与实施者,负责课改的具体操作与细节上的完善；学生是课程改革的接受者与评价者,负责积极配合课改的实施并以恰当的方式进行教学反馈。任何改革只有由上至下才能顺利地进行,只有广泛采纳改革受众的意见才能长久留存。土力学实验教学改革也是如此,顺利的改革必须从院校两级的教学负责人和领导开始,成功的改革必须根据具体的实施情况和反馈意见积极调整。

(1) 院校领导方面。要观念改变。首先,在课时安排上应该增加土力学实验课时,课时的增加有助于学生掌握试验的基本操作和操作要点；另一方面,有利于试验数量的增加，便于学生能够接触到不同的土工试验,发现与比较不同试验的异同,更为全面地了解土工试验。其次,在具体试验的安排上要体现模块化教学的思想,将目的相近、操作类似、原理相同的试验安排在一块,并安排理论课教师进行实验教学,便于学生能够对同一类试验有一个系统的了解和掌握,培养学生触类旁通、举一反三的逻辑思维与创新能力。再者,要对实验室建设加以关注与支持,这样的支持包括政策和经费上的支持。政策上要坚持陆续引进各类配套人才,并进行定期考核与培训,提高工作人员的数量与质量。同时应切实提高实验室工作人员的工资和待遇,激发他们工作的积极性,吸引高层次人才的加盟。经费上要进行先进仪器的采购,定期进行仪器的检修与维护,提高试验仪器的数量与质量,为土力学试验改革提供坚实的硬件基础。

(2) 教师方面。第一要增加授课手段,丰富授课方式。在常规的板书教学基础上,适度增加多媒体授课的比例,精心制作授课的多媒体课件,要求图文并茂、有声有色,而不仅仅是简单的知识点罗列。第二要转变传统的实验教学模式,将新技术与新科技引进土力学实验教学,如进行“慕课教学”“微课演示”等,同时引导学生进行虚拟实验室的使用。第三要提高自身的专业素质,一方面要提高自身试验操作技能,能给学生进行规范的演示和指导,另一方面要提高自身的讲解能力,能对相关试验原理和知识点进行深入浅出的讲解与剖析,并能结合具体的项目和实际工程,使学生通过试验不仅能学会基本操作还能了解具体的工程应用,为土力学试验改革提供坚实的基础。

(3) 学生方面。首先要积极配合相关的改革措施,遵守相应的实验规章制度。学校和学院进行教学改革的初衷都是为了课程的设置能更好地发挥作用,为学生服务。其次要积极尝试教师提出的新模式、新方法,适应和接受新的授课方式和授课手段。再者,要根据自身感受和学习效果为教学改革建言献策,通过恰当途径合理反映对实验教学改革的意见和建议。

只有坚持“领导统筹,教师推进,学生反馈”这样三位一体的改革机制,以“领导大力支持,教师乐于实施,学生喜于接受”为目的,实行上下一心的改革,才能真正激发教学活力,使学生真正从土力学实验课中获得知识的积累与能力的培养。

3 结语

土力学实验课作为土力学理论课的配套课程,在学生理解土力学基本理论和掌握土力学试验基本操作之间起着极其重要的纽带作用,对学生今后的深入学习和工程实践有着重要影响。土力学实验课的课程改革要坚持以学生为主体、以能力培养为导向、以授课效果为指标,教学方法上求新、教学模式上求变,同时要提升实验室人员的素质、完善实验室仪器设备,实现土力学教学效果与水平的稳步提高。

References)

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[13] 左明汉,李利,张伟.本科院校土木工程专业土力学实验教学改革探索[J].实验室科学,2012,15(2):20-22.

Problems and reform suggestions for experimental teaching of Soil Mechanics

Gao Lei1,2, Gong Yunhao1,2, Song Hantao1,2

(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2. Research Institute of Geotechnical Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

According to the reality of the current experimental teaching practice of Soil Mechanics,the analysis on the problems existing in the experimental teaching of the soil mechanics and its test is carried out from the following six aspects: class hours arrangement,curriculum,teaching methods,test conditions,personnel allocation and necessary support. Based on many years of teaching and laboratory management experience of Soil Mechanics Experiment course,some suggestions for the teaching reform of the soil mechanics experiment are put forward from the three aspects of leadership decision-making,teachers’ practice and students’ feedback so as to improve the teaching quality of the soil mechanics experiment, better train the engineering students’ ability to apply theory with practice,improve their innovative ability,and cultivate the all-round development of engineering talents.

soil mechanics experiment； teaching practice； reform suggestion

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.052

2017-01-07

国家自然科学基金项目(51508159)；江苏高校品牌专业建设工程一期项目(PPZY2015B142)；2014年度河海大学水利学科专业国家级实验教学示范中心资助教改项目(26)；2016年河海大学创新性教学实验项目(08)；河海大学第一期多样化教学方式改革立项课程(04)

高磊(1984—),男,宁夏银川,博士,副教授,从事环境岩土和地质工程方面的研究.

E-mail：jacob6521@163.com

G642.423

A

1002-4956(2017)07-0200-03