土力學實驗教學中存在的問題與改革建議

高 磊, 龔云皓, 宋涵韜

(1. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室, 江蘇 南京 210098；2. 河海大學 巖土工程研究所, 江蘇 南京 210098)

實驗課程改革

土力學實驗教學中存在的問題與改革建議

高 磊1,2, 龔云皓1,2, 宋涵韜1,2

(1. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室, 江蘇 南京 210098；2. 河海大學 巖土工程研究所, 江蘇 南京 210098)

針對目前土力學實驗教學實踐中的現實情況,從課時安排、課程設置、授課方式、試驗條件、人員配置、支持力度6個方面分析了目前土力學實驗教學中存在的問題,并結合多年土力學實驗課程教學和實驗室管理經驗,從領導決策、教師實踐、學生反饋3 個方面提出了關于土力學實驗教學實踐改革的幾點建議,以提高土力學實驗教學質量,更好地培養工程專業學生應用理論與動手操作的能力,提升學生的創新能力,培養全面發展的復合型工程人才。

土力學試驗； 教學實踐； 改革建議

土力學是將固體力學和流體力學等學科的基本原理應用于土體的一門應用學科[1],主要研究土體的物理、力學和工程性質等,用于工程建設與社會發展。土力學試驗是土力學學科的重要組成部分,實際工程中的巖土設計參數就是由設計合理、條件相似、方法恰當、操作正確的土力學試驗獲得[2-3]。土力學試驗作為土力學基本理論與實際工程建設之間的“橋梁”,促進了土力學基本理論的發展,豐富了土體在工程實踐中的應用。土力學實驗課作為土力學理論課的配套實踐動手課程,旨在通過具體的試驗操作,加深學生對課堂知識的理解與感悟,鍛煉學生的動手實踐能力與基本的試驗操作技能,提高其發現和解決問題的能力[4],培養學生成為“知理論懂實踐會操作能分析”的綜合型人才。針對土力學教學實踐中遇到的一些實際問題,必須開展土力學試驗的教學改革,而土力學實驗教學改革的核心問題是如何通過課程設置、人員安排、條件改善等措施,充分發揮土力學實驗課程的基本作用,使其更好地幫助學生學習土力學這一重要課程,掌握和理解土力學的基本概念與基本原理。

1 土力學實驗教學現狀及問題

(1) 實驗課時安排過少,試驗儀器數量不足,學生實際操作的機會少、時間短[5]。目前國內大多數土木類院校的土力學實驗課課時設置為5～8個學時,多集中在動手操作土的顆粒分析、液塑限、滲透、壓縮和直接剪切試驗,個別單位開設了三軸、擊實、相對密實度等試驗[6],由于課時壓縮,最直接的影響就是學生動手操作時間的減少。在實際的土力學實驗教學中,一般2個課時教授一門試驗,在90 min的課程時間中,教師對試驗原理、操作要點的講解約為30 min,在余下的1 h時間里,對于簡單的試驗學生尚可完成,但遇到較復雜的試驗學生往往做得比較匆忙,即使完成了也只是簡單的機械操作,沒有時間仔細地觀察試驗現象、思考試驗中出現的問題。而且由于試驗儀器數量有限,上課的學生一般分為小組完成試驗,這固然可以加快試驗速度、提高試驗成功率,但也導致了學生操作機會和時間的減少,對于培養學生的試驗技能和實踐能力十分不利。同時由于時間不充足,一些從土的篩分、土的比重、土的含水率、飽和土樣的制備等試驗操作,學生沒有能夠理解和掌握操作規程和方法,導致學生進入研究生階段,仍然無法獨立開展土的基本物理力學性質試驗,甚至對一些結果的判別缺少足夠的認識,試驗步驟和數據分析錯誤,導致試驗結果錯誤。

(2) 理論課與實驗課分離,模塊化教學不明顯。所謂模塊化教學,通俗地表述就是把培養目標中學生應具備的各種知識、能力、素質,按其性質、作用等劃分為不同構成要素,圍繞這些要素構建若干個教學單元,即“教學模塊”,然后有序實施逐塊達標的教學活動[7-8]。目前在土木類高校的土力學實驗教學中,模塊化教學不明顯主要有以下2個原因：一是實行土力學理論課與實驗課分開教學。分開教學，一方面使得土力學實驗課提前或者滯后于理論課的學習,學生在學習的過程中難以獲得“趁熱打鐵”的連貫性學習體驗,一定程度上也影響了學生理論聯系實際的能力擴展；另一方面,理論課和實驗課由不同教師進行講授,由于不同教師具有不同的講課風格,對土力學試驗知識點的講解思路也不盡相同,在一定程度上造成學生理解上的困惑,不利于學生由書本知識到實際操作的順利遷移。二是在課程設置和安排上沒有對相關的試驗進行歸納整合,學生總是進行單個的試驗,無法將瑣碎的知識點整合。例如同樣是剪切試驗,可以將直接剪切試驗和三軸剪切試驗同時進行,這樣可以讓學生體會兩者在操作、原理、工程應用等方面的異同,便于學生加深對書本理論知識的理解,系統認識土體抗剪強度指標這一概念。同時如直接剪切試驗又分為快剪、固結快剪和慢剪。實驗課程中一般選快剪為實際操作試驗,選擇砂土來做土樣,這樣就與土力學教材和土工試驗規程中略有不同,容易造成學生的混淆,而且學生對于粘土樣的制備過程仍然不清楚。

(3) 授課方式單一,多媒體教學不足。目前土力學試驗的授課方式仍為傳統的“填鴨式”教學,“教師站著講,學生坐著聽”或者“教師做演示,學生圍著看”,這種“聽與看”的傳統課堂模式容易造成課堂氣氛沉悶,不利于調動學生的積極性,教學效果不突出[9]。在知識點的具體呈現方面,土力學實驗課多采用黑板板書的方式,這種方式講解效率低,缺乏課堂趣味性。多媒體教學以其內容豐富、形式新穎、功能多樣化等特點受到學生的廣泛歡迎,教師通過在多媒體課件中放置圖片、制作動畫,并配備音效,不僅能夠活躍課堂氣氛,調動學生的學習興趣,而且能夠通過生動形象的展示,深入淺出地闡明試驗的原理、現象和相關操作。在具體的授課模式方面,可以采取一些目前很受學生歡迎的新模式,例如通過“微課”向學生展示規范的試驗操作和過程,通過“慕課”進行線上教學、互動討論等,這些新穎的教學模式符合現代學生利用手機、計算機獲取知識的學習習慣,能夠提高學生的興趣,而且學生能夠利用碎片化的時間隨時隨地進行學習。移動課堂的方式能夠很好地提高學習效率,提升教學效果。

(4) 實體課堂占主體,虛擬實驗室使用率不高。實驗課與理論課的一個重要區別就是實驗課的開設需要配套的試驗儀器和試驗場地。目前,由于各土木類院校土木工程學生人數較多,試驗場地面積較小和試驗儀器數量緊缺,普遍采取的解決措施是組織學生分批進行實驗課,實驗課教師經常需要分不同班級上課,同一個試驗需要多次授課,在一定程度上造成了師資、場地和時間的浪費,而且由于不同班級學生的理論課是同步進行的,分批進行相應的試驗也會造成部分學生實驗課與理論課之間的脫節,不利于學生對所學知識從理論到試驗系統的掌握。此外,分批進行試驗會增加儀器清潔、擺放、維護等方面的工作量。虛擬試驗總體設計思想是通過虛擬現實技術、多媒體技術等實現的計算機輔助教學,可向學生提供直觀的、交互式體驗的教學平臺[10]。在虛擬實驗室中,學生不僅可以像在現實實驗室中一樣在虛擬實驗臺上動手操作,而且可以根據需要自主設計試驗,自己動手配置、連接、調節和使用試驗儀器設備,學生通過虛擬實驗室不僅能學會土力學試驗的基本操作流程和實施要點,而且有利于培養設計試驗的能力和創新思維。在虛擬實驗室中,學生也更易獲得科學的指導和敏捷的反饋。

(5) 實驗室人員配置不齊全,素質不夠高,待遇也有待改善。實驗室作為教師和學生進行試驗的地方,從環境的清潔、器皿的擺放、儀器的維護、試驗垃圾的清理到一般的日常管理都需要專門的人員。目前國內高校實驗室普遍存在人員不足的現象,通常都是一人兼多職,由于個人精力有限,難以面面俱到,經常有意外情況發生,影響實驗教學的進度。此外,實驗室工作人員還存在素質不夠高的問題,主要體現在3個方面[11]：一是試驗輔助教學的專業素質不夠,非專業出身人員較多,未經過專門實驗教學培訓的人員較多,不能規范地進行樣品的制作和處理、儀器的擺放與操作等試驗內容；二是缺少儀器維修的專業知識與技能,一些儀器的維護和修理通常需要聯系儀器廠商,相關實驗教學會因此受到影響；三是責任意識不夠,在試驗中或試驗結束后不能對試驗儀器進行仔細的檢查,相關的清潔措施也做不到位,經常造成試驗器皿的損壞和試驗儀器的故障,導致后期無法使用。值得一提的是,目前國內高校實驗室工作人員的薪水和待遇普遍偏低,這也是造成實驗室人員不足和工作人員素質不高的重要原因。實驗室工作人員多傾向于參與科研項目獲得報酬解決生存問題,而不愿意甘于在實驗室做教書匠。同時,固化的管理和評價模式也使得實驗室工作人員缺乏積極性,工作效率不高、責任意識不強。

(6) 學校和學院層面對實驗室工作缺少足夠的重視與支持。一方面,院校領導在政策制定時缺少對實驗室建設的重視。在學校和學院的規劃中,實驗室的戰略地位被逐漸邊緣化,實驗室的發展與改善得不到校院主要領導的重視,一些改革措施始終難以提上日程,這樣就導致了實驗室的管理質量上不去,人員數量與質量上不去。另一方面,實驗室的發展缺少資金的支持,實驗室既有儀器的修理維護和新儀器的采辦都需要資金的支出,發展資金的缺少不僅導致既有儀器的維修滯后,影響實驗教學的開展,而且在新式儀器的購買方面也捉襟見肘,使得實驗室設備落后于現有技術的推廣,實驗室發展缺乏動力[12]。實驗室工作人員的職稱晉升與級別的提升始終處于弱勢地位,難以提供良好的發展平臺,導致實驗室人員流動性大,缺少足夠的政策傾斜扶持與照顧。

2 土力學實驗教學改革的建議

為了解決上述的土力學教學實踐中的問題,土力學試驗應進行教學體系的改革[13],首先要明確改革涉及到的3個主體(學生、授課教師和院校領導)的責任與義務,其次要理清這3者之間的關系。院校領導是課程改革的統籌者與策劃者,負責課改的大方向以及提供必要的人員、物資等方面的支持；授課教師是課程改革的踐行者與實施者,負責課改的具體操作與細節上的完善；學生是課程改革的接受者與評價者,負責積極配合課改的實施并以恰當的方式進行教學反饋。任何改革只有由上至下才能順利地進行,只有廣泛采納改革受眾的意見才能長久留存。土力學實驗教學改革也是如此,順利的改革必須從院校兩級的教學負責人和領導開始,成功的改革必須根據具體的實施情況和反饋意見積極調整。

(1) 院校領導方面。要觀念改變。首先,在課時安排上應該增加土力學實驗課時,課時的增加有助于學生掌握試驗的基本操作和操作要點；另一方面,有利于試驗數量的增加，便于學生能夠接觸到不同的土工試驗,發現與比較不同試驗的異同,更為全面地了解土工試驗。其次,在具體試驗的安排上要體現模塊化教學的思想,將目的相近、操作類似、原理相同的試驗安排在一塊,并安排理論課教師進行實驗教學,便于學生能夠對同一類試驗有一個系統的了解和掌握,培養學生觸類旁通、舉一反三的邏輯思維與創新能力。再者,要對實驗室建設加以關注與支持,這樣的支持包括政策和經費上的支持。政策上要堅持陸續引進各類配套人才,并進行定期考核與培訓,提高工作人員的數量與質量。同時應切實提高實驗室工作人員的工資和待遇,激發他們工作的積極性,吸引高層次人才的加盟。經費上要進行先進儀器的采購,定期進行儀器的檢修與維護,提高試驗儀器的數量與質量,為土力學試驗改革提供堅實的硬件基礎。

(2) 教師方面。第一要增加授課手段,豐富授課方式。在常規的板書教學基礎上,適度增加多媒體授課的比例,精心制作授課的多媒體課件,要求圖文并茂、有聲有色,而不僅僅是簡單的知識點羅列。第二要轉變傳統的實驗教學模式,將新技術與新科技引進土力學實驗教學,如進行“慕課教學”“微課演示”等,同時引導學生進行虛擬實驗室的使用。第三要提高自身的專業素質,一方面要提高自身試驗操作技能,能給學生進行規范的演示和指導,另一方面要提高自身的講解能力,能對相關試驗原理和知識點進行深入淺出的講解與剖析,并能結合具體的項目和實際工程,使學生通過試驗不僅能學會基本操作還能了解具體的工程應用,為土力學試驗改革提供堅實的基礎。

(3) 學生方面。首先要積極配合相關的改革措施,遵守相應的實驗規章制度。學校和學院進行教學改革的初衷都是為了課程的設置能更好地發揮作用,為學生服務。其次要積極嘗試教師提出的新模式、新方法,適應和接受新的授課方式和授課手段。再者,要根據自身感受和學習效果為教學改革建言獻策,通過恰當途徑合理反映對實驗教學改革的意見和建議。

只有堅持“領導統籌,教師推進,學生反饋”這樣三位一體的改革機制,以“領導大力支持,教師樂于實施,學生喜于接受”為目的,實行上下一心的改革,才能真正激發教學活力,使學生真正從土力學實驗課中獲得知識的積累與能力的培養。

3 結語

土力學實驗課作為土力學理論課的配套課程,在學生理解土力學基本理論和掌握土力學試驗基本操作之間起著極其重要的紐帶作用,對學生今后的深入學習和工程實踐有著重要影響。土力學實驗課的課程改革要堅持以學生為主體、以能力培養為導向、以授課效果為指標,教學方法上求新、教學模式上求變,同時要提升實驗室人員的素質、完善實驗室儀器設備,實現土力學教學效果與水平的穩步提高。

References)

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[4] 錢建固,黃茂松.卓越課程土力學教改實踐探討[G]//第四屆全國力學教學研討會論文集.武漢:中國土木工程學會,2014.

[5] 王述紅,范澤.巖土力學實驗課程的教學改革與實踐[J].土木建筑教育改革理論與實踐,2009(11):329-331.

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[13] 左明漢,李利,張偉.本科院校土木工程專業土力學實驗教學改革探索[J].實驗室科學,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

國家自然科學基金項目(51508159)；江蘇高校品牌專業建設工程一期項目(PPZY2015B142)；2014年度河海大學水利學科專業國家級實驗教學示范中心資助教改項目(26)；2016年河海大學創新性教學實驗項目(08)；河海大學第一期多樣化教學方式改革立項課程(04)

高磊(1984—),男,寧夏銀川,博士,副教授,從事環境巖土和地質工程方面的研究.

E-mail：jacob6521@163.com

G642.423

A

1002-4956(2017)07-0200-03