浅谈《土力学》课程的教与学

陈正发

摘 要：《土力学》作为土木工程专业必修的一门专业基础课程，具有理论性和实践性都很强的特点。文章首先分析了《土力学》课程的内容和特点，这些特点决定了在《土力学》的教学和学习的过程中，要注重基本理论的讲解与理解、重视对学生实践环节的锻炼、加强理论与实践相结合、培养学生判断和解决工程实际问题的能力。然后从《土力学》课程的教学方法和教学手段两个方面详细论述了如何提高《土力学》的课堂教学效果，激发学生对本课程的学习兴趣。

关键词：《土力学》；学习方法；教学方法；教学手段

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：2096-000X（2018）22-0074-04

Abstract： As a compulsory basic course of civil engineering major， Soil Mechanics has strong theoretical and practical characteristics. This paper first analyzes the contents and characteristics of the course Soil Mechanics. These characteristics determine that in the teaching and learning process of Soil Mechanics， we should pay attention to the explanation and understanding of basic theories， the training of students' practice session and the combination of theory and practice in order to develop the ability of students to judge and solve the practical engineering problems. Then this paper discusses how to improve the classroom teaching effect of Soil Mechanics from the two aspects of teaching methods and teaching means， so as to arouse the interest of students in the course.

Keywords： Soil Mechanics； learning method； teaching method； teaching means

引言

《土力学》是以土为研究对象，利用经典的连续介质力学的一般原理，研究非连续介质-土的特性及其受力后应力、变形、渗透和稳定性及其随时间变化规律的学科，是力学的一个分支[1]。《土力学》与《工程地质》是土木工程本、专科专业学习的岩土工程方向的两门基础课，是土木工程本、专科专业必修的主干课程。土木工程本、专科学生所学《土力学》课程的内容尽管不多，但涉及的学科领域却很多如《高等数学》、《工程地质》、《材料力学》、《流体力学》、《结构力学》、《弹性力学》等，从而使得《土力学》这门课程具有相当广泛的内容。因此，本门课程具有内容综合性强，知识点琐碎、经验与理论公式众多，学科领域多、跨度大等特点。学生刚接触《土力学》课程时，与土木工程其他课程的逻辑性关系不强，是一个全新的学科领域，很多学生会感觉《土力学》课程难学，和先前学习过的课程的逻辑性关系不强，原有的学习方法好像不太适用。尽管《土力学》的基本理论是经典的力学理论，但和前面学习的《理论力学》、《材料力学》和《结构力学》等经典力学课程的学习差别很大，一方面逻辑关系不强，另一方面假设太多，不同的地方还有差异，知识点多，不好记忆，因而会有一部分同学会对《土力学》的学习知难而退。

本人从事多年的《土力学》课程的课堂和实验教学，下面就对这门课程的教学和学习谈谈个人的一些体会。

一、《土力学》课程的内容和学习方法

（一）《土力学》课程的内容和特点

目前，国内出版了很多版本的《土力学》教材，经典的《土力学》教材有清华大学陈仲颐、周景星、王洪瑾主编的《土力学》，河海大学钱家欢主编的《土力学》，武汉大学冯国栋主编的《土力学》等。各版本《土力学》教材对学习内容的编排上都大体相同，总体上可以分为两大部分，一部分是土力學的基本理论部分，主要内容是土的基本物理力学性质，主要包括土的基本物理性能和工程分类，土的变形，土的强度和土的渗透性；另一部分是利用土力学的基本理论来工程实际问题部分，主要内容是确定地基承载力，边坡稳定性分析和计算挡土结构物上的土压力等[2]。

《土力学》的研究对象是土，土是地表岩石经过长期自然风化后，在自然力的搬运下，在不同地方沉积下来的碎散的颗粒堆积物， 因而具有多相性、非均质性和各向异性等特点，其物理力学性质不确定性大，因而内容多而散，连贯性、系统性差[3]。 《土力学》和其他力学课程相比，一是其他力学的理论体系都是建立在对对象的统一假定的基础上得到的，而《土力学》对研究对象（土体）没有统一的假定，主要是在土工试验、工程经验等基础上得到的半理论、半经验的知识体系。比如《土力学》中关于土的固结理论、地基沉降和土的渗流等各部分知识体系中对研究对象所作的假设是不完全一致的；二是在利用《土力学》的基本理论解决工程实际问题时，不同人会采用不同的分析方法，更会得到不同的设计或计算结果，同一个问题会有很多种解决方案或不同的答案[4]。同一种土，由于密度、含水量等不同，性质也可能存在很大差异，不同区域的土，其类型和性质同样会存在很大差异。太沙基被誉为近代《土力学》之父，他曾对这门学科的特点做出过准确描述：《土力学》与其说是科学不如说是艺术[5]。

（二）《土力学》的学习方法

土的性质的特殊性导致了《土力学》课程内容的复杂性和特殊性，从而本门课程的学习也会有其特殊性。所以就本学科自身的特点而言，首先要有正确的学习态度，学习《土力学》时要有放弃先前学习经典力学惯用的思维方式，不能把用理论公式和计算手段得到问题的精确解答的逻辑带到《土力学》的学习中。《土力学》的研究对象（土体）具有碎散性、三相性和自然变异性三大特性[5]与其他经典力学的研究对象如钢材、混凝土等有很大的差异性。因此，学习《土力学》的方法与经典力学的学习方法也具有特殊性，学习时要学会采用重视理解概念、联系工程实践、动手操作实验的学习方法。比如在学习土的抗剪强度内容时，首先要理解强度的概念，然后联系工程实际，要超越之前学习钢材、混凝土等工程材料的抗拉或者抗压强度只有一個而得出的认知。要结合工程实例认知同一种土体由于试验方法、试验条件不同会出现不同的抗剪强度，如直接剪切试验和三轴压缩试验，即使同时测定土的不固结不排水强度，由于两种设备在控制排水条件的精度上存在差异，从而会得到不同的强度值。同样，在三轴压缩试验中，固结和排水条件不同，会得到不同的抗剪强度值。要反复对比工程实践、理解抗剪强度的概念，改变利用理论公式严密推导一个问题只有一个答案的逻辑思维方式。一定要结合不同的工程实例学习土的抗剪强度，要理解根据不同的试验方法，不同的排水条件得到不同的强度结果，而每种试验方法和排水条件正对应着不同的实际工况，也有助于理解《土力学》是一门半经验半理论的学科。

二、《土力学》的教学方法

（一）加强《土力学》的系统性教学

针对《土力学》内容多而散，连贯性、系统性差的特点，在课堂教学过程中要注重《土力学》各章节内容之间的内在联系，让学生认识到《土力学》内容在多而散上整体性[6]。

鉴于土体本身性质的复杂性和特殊性质，《土力学》的强度问题、变形问题和渗流问题便是需要重点讲解的土体的三个工程问题[7]。而根据这三个问题，便可形成一个主体框架，第一章，土的物理性质及工程分类为全书的基础与主线，以土的三相组成，土的物理性质指标和土的物理状态指标作为课程的基础来讲解土的三个工程问题，即土的渗流、变形和强度问题。第二章，土中的应力计算，则以土体中的自重应力和附加应力的计算为重点，是解决土的三个工程问题的基础和预备知识。第三、四、五章内容分别是土的渗流问题，土体的变形计算，土的抗剪强度，则是与土体的三大特性即渗透性、变形特性和强度特性相关的三个工程问题，需要重点讲解。而第六、七、八章内容分别是挡土结构上的土压力计算，土坡稳定性分析和地基承载力则是与土有关的强度问题在工程中的应用。在这个体统的总体框架下，学生在学习《土力学》时，就会认识到本课程各章节内容之间的内在联系，大脑中对《土力学》在总体上有清晰认识，再结合土体本身性质的特殊性质来详细讲解每一部分的内容，将内容丰富起来[8]。

在详细讲解每章内容之前，老师仍需将本章的主要内容梳理清楚，形成一个思维导图，分层次、分角度讲解土体的各相关问题。每章内容讲解完成后，再以思维导图的形式系统地将各章节的要点内容串起来。这样会更加深学生对土的特殊性的认识，可使学生在学习每章内容时都经历从简到繁再从繁到简的过程，经历这样一个从发散到收殓的学习过程，学生对学习的知识掌握得更加牢固。其次，除了老师的讲解还需加强学生的练习，适量的课下作业结合课堂上的小练习把本章的重点与难点内容连起来，让学生加强练习以强化和巩固本章的重点和难点内容。

（二）丰富课堂教学方法

1. 案例教学

在《土力学》的第一次课上，在讲解与土有关的三大工程问题时，可以首先在PPT中用图片介绍众所周知的一些重大的工程事故（比如上海的倒楼事件），引导学生对这门课程的学习产生兴趣。在讲与土有关的强度问题时，可以引用四川汶川大地震的山体滑坡、加拿大的特朗斯康谷仓的整剪破坏以及日本新泻市的沙土地震液化楼房倒塌等一些工程实例来说明。在讲解土体的变形问题时，可以用非常著名的意大利比萨斜塔的实例、苏州的虎丘塔倾斜的实例等来吸引学生的学习兴趣[9]；在讲解与土有关的渗流问题时，用1998年中国九江大堤决口的实例以及美国teton坝破坏的实例，用视频或动画演示来告知学生由于土的渗透破坏而导致堤坝溃塌所产生的严重后果，学生会通过图片、视频或者动画深切感受到与土有关的三大工程问题的严重性，会对此产生深刻的印象，同时也会对《土力学》这门课程的学习产生浓厚的兴趣。

2. 情景教学

在课堂教学过程中，要多注意与学生之间的互动和沟通[10]。在讲解与土有关的原理和理论时，可以先提出为什么要讲，之后由简单的现象着手，而不是简单的先将这个原理和理论的内容先讲解出来。同时，在讲解理论的过程先要理清思路，突出分析方法，在详细讲解重点和难点问题的基础上，多引导学生进行积极思考。也可以在课堂教学中多设计一些启发性的问题从而鼓励学生进行独立思考，引导学生沿正确的思路得出问题的解答。比如在讲授土体的抗剪强度时可以首先提出问题“在荷载作用下土体产生的破坏为什么是剪切破坏而不是拉或压坏？”，“什么是土的剪切强度？”，“土的强度为什么不是指土的抗压或者抗拉强度”等类似的相关问题。联系第一章内容，通过土的基本特性——三相性和碎散性，分析土的固体颗粒与颗粒之间的位置变化情况引出土体的破坏机理，以引导学生建立本章的思维模式、思维框架。另外如讲到土有效应力原理时，在外部荷载作用下土的孔隙水压力向有效应力转化的过程，可以结合土的一维渗流固结弹簧模型提问 “孔隙水压力是怎么来的，为何是变化的，又是如何消散的”、“土体中的孔隙水压力和静水面下的水压力有什么不同”等相关问题，来引导学生把一些模糊的概念搞清[11]。

3. 课堂讨论

在课堂教学过程中要注重整体设计，可以通过实验现象和工程问题的引入，让学生分小组通过课堂讨论寻找问题的答案，老师和学生之间教学相长，学生与学生之间讨论共享观点，让学生主动积极参与课堂学习。例如，在讲解土的摩尔库伦强度理论时，可以通过同一坐标系下的摩尔圆与库伦公式之间的不同关系，让学生讨论土体所处的不同应力状态，让学生从概念上掌握如何利用土的极限平衡条件来判断土体的剪切状态是否破坏。同时，让学生之间不定期的对所学知识进行讨论，老师不提任何要求，让学生在开放式的环境下讨论学习，自由交换心得体会，让同学在课堂中讲出自己的想法和思路能够提高学生学习《土力学》的自信心。学生能够在课堂上勇于提出自己的想法和见解，有助于学生提高自己的自信和勇气，有助于他们提高适应社会的能力，有助于同学之间加强沟通、增进感情，增强团队合作意识。

三、《土力学》的教学手段

（一）完善多媒体课件，吸引学生的注意力

多媒体课件是现代课堂教学过程中必备的有效教学手段，相较传统的板书教学可以大大拓展课堂教学的信息量，节省授课学时，同时可以通过视频、动画和图片可以使课堂教学更加直观，增强了课堂教学的趣味性。利用多媒体教学可以把传统教学中很难描绘的复杂图像和表格以更加生动形象、图文并茂的形式加以展现，节省更多的时间和同学们进行交流。好的《土力学》多媒体课件应该具备：1.版式规整。在制作电子课件时，严格按书籍排版要求，精益求精。字体的大小、格式、符号的大小写、正斜体等细节部分都一一查证。2.文字精练。课件做得过于簡单，讲不清楚，课件做得过于详细，容易给学生照本宣科的感觉。因此，必须反复修改电子教案，力求详略得当。3.图片丰富。好的图片资料是反映教学内容的重要手段之一，它不仅可以辅助文字说明，它也是知识结构不可忽视的重要组成部分。在课程教学之余我们尽量制作了一些直观的图片或生动的示意图。还要亲自去拍摄了一些照片作为素材，由于照片内容是同学们身边的实际工程，使学生感到亲切，增加他们的学习兴趣。以图形为载体，有利于强化视觉认知、化解学习疑难，从而提高学生对问题的感性认识，增进学生对问题的基本概念、基本原理的理解和记忆。4.形式多样。在制作电子教案时，应尽可能运用动画、表格和视频等多种形式，使所学内容更加形象化、具体化，复杂学习的内容直接化、简单化。

（二）利用网络教学平台，加大学习交流

课外授课和交流主要通过网络教育平台进行，通过网络同学们可以随时进行网上练习、讨论和答疑。网上学习还可分为网络课程和在线讨论与答疑，建立班级学习QQ群或者微信群等。网络课程是在学校提供的网络教学平台上，上传《土力学》课程学习课件，创建互动答疑空间，通过在线学习、提问、讨论、答疑来提高学生的学习效果。班级学习QQ群或者微信群，也是通过这样的交流平台，老师上传《土力学》课程学习课件，学生下载课件课下学习，学生随时可以在群里提问，通过这样的交流平台，老师和学生之间可以在群里进行定期或不定期的互动，在线解决学生提出的问题。

（三）强化过程考核，提高教学效果

强化过程考核，不是不进行课程的结业考试，而是为避免一考定成绩的不公正和不合理性，采用课堂讨论、习题作业、实验报告以及课程考试等多种考核手段综合考察学生对《土力学》基础理论的掌握和学习情况。期末的课程考试可采取笔试和面试两种方式，面试能够考察学生对基本概念、基本原理的掌握情况，笔试可了解学生的计算能力和解决实际工程问题的能力。试卷尽可能做到覆盖面广、题量适中、题型多样、重点突出。通过两种方式的考试可以清楚的了解学生对于本门课程的学习情况。

《土力学》试验是检查学生的动手能力和加深学生对土力学直观认识的重要手段。《土力学》课程试验主要分为四方面，即必选实验，观摩试验，录像演示和自选试验。必选试验各学校根据自己的安排可能有所不同，但主要是密度、含水量试验，塑、液限试验，固结试验和直剪试验。观摩试验可根据学生和课程的实际情况安排1-2学时（比如三轴压缩试验），录像演示试验穿插在课程的课堂教学期间进行，自选试验由教师根据试验条件提供几个备选实验方案，由学生自主选择进行的试验。

四、结束语

《土力学》是土木工程本、专科专业的一门重要的专业基础课程，涉及到的学科领域和知识范围多而广，如高等数学等数学学科，《材料力学》、《结构力学》等力学领域，加上土体本身性质的复杂性和特殊性，使本课程的理论多、实践性强、内容连贯性差、公式的假定条件多等，给学生学好《土力学》、理解和掌握《土力学》理论带来困难，因此教师在教学的过程中，应该因材施教，注重学生的兴趣培养，从而为学生奠定坚固的专业基础。

论文从《土力学》课程的内容和特点出发引出学习本课程的特殊学习方法，又从教学方法和教学手段两个方面谈了如何上好《土力学》这门课程。

参考文献：

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