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土力学课程特点与课堂教学方法探讨
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资源描述：高等建筑教育 2 0 0 7 年第 1 6 卷第 4 期JOURNAL OF ARCHITECTURAL EDUCATION IN INSTITUTIONS OF HIGHER LEARNING Vol. 16 No. 4 2007 81土 n? 课酲特蓓与课邕教芽方法mm姚笑青(同济大学地下建筑与工程系，上 海 2 _ 2 )摘要 ：土力学是土木工程专业学生必修的一门很重要的专业基础课，在研究对象和研究方法、课程内容和教学体系等方面都有其自身的特点。文章针对这些特点，结合作者多年的教学经验，对相应的课堂教学方法进行了有益的探讨。关键 词 ：土力学;课程;教学方法中图分类号: TU4 - 4 文献标志码: A 文章编号 :07)04^0081"05土力学是为土木工程专业学生开设的专业基础课，是一门很重要但同时又 较难掌握的课程。土力学的研究对象和方法与其它力学课程有较大不同:理论 推导及基本假定较多;课程内容多而杂，且与工程实践紧密联系，强调实用性和 技术性。为了提高教学质量和教学效率，教师应研究此门课程的特点，采取科学 有效的教学方法，引导学生尽快适应教学特点并更好地掌握课程要求的知识技 能。一、引导学生尽快适应新的学习阶段土力学是土木工程专业的专业基础课，开课时间是大学三年级，此时正是基 础课向专业课过渡的学习阶段，要求学生在思维方式及学习方法上都要跨上一 个新的台阶。学生从高中跨进大学校门到毕业离开学校，课堂学习一般要经历三个阶段，跨 上三个台阶。这三个阶段为基础课学习阶段、专业基础课学习阶段、专业课学习阶 段。对应这三个阶段必须要跨越三个台阶:⑴从高中到大学的跨越。课程内容从 少到多，而课时从多到少，学习从被动到主动。（2)从基础课到专业基础课的跨越。 此时要将所学的基础课作为工具应用，学习内容从抽象向具体过渡，理论模型及简化 假定增多，要逐步认识理论计算值与实际值之间的误差，要接受和了解经验公式o，同 时还要求了解和掌握一些专业知识，去图书馆的时间增多，需查阅课外有关资料。 (3)从专业基础课到专业课的跨越。学习内容更加具体化，完全进人专业理论和实 践的空间。去图书馆的时间更多，需查阅大量专业资料和最新动态。此阶段要求建 立理论联系实际的设计思维，灵活掌握具体的设 m 十算方法。收稿日期 : -21基金项 目：同济大学教学改革项目“土力学课程教学方法探讨与多媒体课件制作”作者简介 :姚笑青（ 1964 - ) , 女，安徽黄山人 同济大学地下建筑与工程系副教授，主要从事土力学研究。82 高等建筑教育 2007年第16卷第4 期对土力学这门专业基础课而言，它研究的是具 体的对象—— 自然界中的土。而在土力学课程之前 的基础课学习阶段，学生所学的经典数学和力学中， 对象被高度理想化，与真实事物距离很远。这些经 典的理论会使学生们产生误解，以为这些公式和计 算手段可以精确地解决一切问题，因而学生在刚接 受和理解复杂事物和规律时常常会茫然无措。为 此 ，在土力学教学时，首先要强调“土”这个具体研究 对象的特殊性—— 碎散性、多相性和地质历史形成 的变异性，不能用纯数学、纯力学的观点去分析，没 有统一的力学体系。必须从具体工程问题的实际出 发 ，通过不同的角度建立假设和分析。而且在土力 学各部分中采用的假设有的是相互矛盾的。如在沉 降分析时，求荷载作用下地基土中的附加应力时将 土体视为线形弹性体，而在稳定分析中又将土体视 为刚塑性体。其次还要强调土力学理论与岩土工程 实际之间的差距，由于土力学理论推导中所做的理 想化假定,其计算结果与实际值并不完全吻合，这就 需要让学生接受计算误差和经验公式。需要指出的是,土力学中的一些简化假设计算是不得已而为之， 这是人们认识事物的正常过程，还有待于未来的发 展进步，从而激发学生的学习兴趣和挑战欲望。总 之 ，开课伊始应让学生了解土力学课程的特点，引导 他们建立新的思维方法和观念，从而顺利进入新的 学习阶段。二、 把握土力学课程的教学脉络土力学课程内容虽然多而杂，但也具系统性。 土力学研究内容可概括为:土的三个特性、土的三个 工程问题、土力学三大主要理论。土是漫长的地质 历史的产物，有着区别于其它介质的三个特性，即具 有碎散性、多相性和变异性。土的特性导致了土的 三大工程问题，即强度问题、变形问题和渗流问题。 土力学中解决土的三大工程问题的重要定律形成了 土力学的三大重要理论，即强度理论、固结理论和渗 流理论。针对土力学的教学内容多而杂的特点,课堂教 学中应注重把握知识体系,形成清晰的教学脉络，用 教学主线将课程内容紧密串连（图 1 )。土中应力计算人渗透性质与渗流问题 压缩性质与变形问题 抗剪强度性质与强度问题(沉降计算） (土压力计算、土坡稳定分析、地基承栽力计算）图1 课程脉络主线为使学生不断加深对土力学知识体系的认识和 理解，不仅要在课程绪论中展示此脉络主线，而且在 每章开头都可再次展示该主线，以使学生搞清楚繁 杂的学习内容之间的关系，在学习知识细节时不忘 知识整体。土的生成固相液相一门课程有其脉络主线，同样每章内容也有其 脉络联系，每章中的各小节内容也应有连线将其紧 密串连。如 ，第一章内容的脉络连线如图2 所示。总之，教师应在绪论中介绍课程脉络主线，且在 每章开始时再重复展示该主线。同时，在每章内容气相土的形成及 其物理性质土的三相 组成物质物理状态指标土的物理 性质指标土的力学性质及 其三个工程问题土的工程分类图2 第一章脉络连线姚笑青土力学课程特点与课堂教学方法探讨 83讲授之前，应介绍本章概况和本章知识脉络连线。 这样不仅能使学生知识脉络清晰、把握课程精髓，而 且能起到提高学生的总结和分析能力的作用。三、注重启发式和互动式的课堂教学方式大学与中学的最大区别在于大学是培养能力而 不仅仅是灌输知识。这种能力包括学习和归纳的能 力 、思考问题与解决问题的能力、科研与创新的能 力。实现对学生能力的培养就是启发式教学的主要 内涵。课堂教学是启发式还是注人式，不在于形式而 在于内容。例 如，不能认为课堂上的名词解释类的 提问就是启发式教学,而有思维深度的设问和讲解 就不是启发式教学，关键是要使讲授的过程能引导 学生产生思维的共鸣。如果教师能揣摩学生的思路 及疑问，层层推进，一环扣一环，引人人胜，就能调动 学生的兴趣和思维，在学习知识的过程中提高各项 能力。启发式教学的基本要点有三:一要精心备课，做 好课堂设计。这就需要参阅大量的参考资料，弄清 基本理论的来龙去脉，融汇贯通各知识点，同时要安 排合理的教案结构,注重严格的逻辑推理，先提出问 题 ，然后启发性地指出研究思路，再讨论解决问题的 方法，最后得出结论。通过这一过程，不仅使学生很 好地掌握了知识，更是培养了学生思维和创新的能 力 。二 要懂得心理学，采取换位思考，从初学者角度 出发来探索问题并寻求解决途径 。 三 要采用互动式 的课堂教学方法，如采用课堂提问、课堂讨论等形 式 ，但不能拘泥于形式，目的是要真正达到启发式教 学的效果。土力学中的理论推导及应用较多，易于实现启 发式教学。如 ，在讲授“土的极限平衡条件”内容时， 可以按如下过程进行启发式授课（图 3)。“土的极限平衡条件”启发式授课过程有7 个 基本环节:（1)介绍概念定义。土中一点的极限平衡 状态为该点在某一方向平面上的剪应力等于其抗剪 强度时的状态。强调该点各方向平面上的剪应力大 小是不同的，只要有一个方向的平面上的剪应力达 到其抗剪强度，则该点就处于极限状态了，该点将沿 此方向剪坏。（2)提出问题:如何判断该点是否处于 极限状态？（3)通过讨论，研究方案是:一方面求该 点的应力状态—— 任一方向平面上剪应力和正应力 的大小，另一方面求该方向的抗剪强度，并与相应的图3 启发式授课过程剪应力比较，相等则是极限状态。（4)进行方案的具 体实施。对于某方向平面上的应力计算，让同学们 回忆以前所学的材料力学中的计算公式，同时介绍 摩尔应力圆图解法。对于该方向的抗剪强度，让同 学回答按上次课所学的库仑定律计算。（5)提出研 究过程中出现的问题—— 如果该计算点在某一方向 平面上的剪应力等于抗剪强度，能说明该点处于极 限平衡状态吗？通过讨论得出，因为有可能在其它 方向剪应力已大于抗剪强度而达破坏状态，所以要 验算该点所有方向上的情况后才能确定。接着提 出:如何考虑该点所有方向上的情况？让同学们思 考解决。（6)通过思考和讨论，提出极限应力圆方法 (图解法），并发现可能的剪切破坏面是与大主平面 成450 + 9/2,指出只要验算该方向平面上的情况就 可判断该点状态。进而再由极限应力圆的解析几何 推导得到土的极限平衡条件—— 达到极限平衡状态 时该点的大小主应力和土的抗剪强度指标之间的关 系。（7)留下问题让学生课后思考:最大剪应力面与 大主平面成450，为何土体不是沿该最大剪应力面剪 切破坏？四、增强课堂教学的艺术性、趣味性土力学课程中有些内容较枯燥、有些概念较难 理解，为提高教学效果，可以采取一些方法来增加授 课的艺术性和趣味性，不仅可提高学生的学习热情， 还有助于学生对一些知识点的理解。84 高等建筑教育 2007年第16卷第4 期教学是一门艺术,其艺术性主要体现在教案设 计和课堂演绎两方面,好比剧本创作和舞台表演。 一方面,要精心_ 计教案的结构:提出问题、引出开 头要激发学生兴中间思维过程的展开，要做到深 人浅出，一环扣一环〈引人人胜;结束时把结论精辟 地总结给学生，要使他们顿觉大悟或意犹未尽。另 一方面,要保证授课的艺术性还要注重课堂“表演” 相关资源
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土力学课程特点与课堂教学方法探讨_姚笑青
　　　　　　　　　　　　　　　　高等建筑教育　　　　　　　　　　　　　　　2007年第16卷第4期　　　84
教学是一门艺术, 其艺术性主要体现在教案设
计和课堂演绎两方面, 好比剧本创作和舞台表演。
一方面, 要精心设计教案的结构:提出问题、引出开
头要激发学生兴趣; 中间思维过程的展开, 要做到深
入浅出, 一环扣一环、引人入胜; 结束时把结论精辟
地总结给学生, 要使他们顿觉大悟或意犹未尽。另
一方面, 要保证授课的艺术性还要注重课堂“表演”,
使教案的生命力活化:第一要脱稿讲解、自信演绎。
做到胸有成竹、思维敏捷、得心应手、运用自如; 第二
要充满激情、富有感染力。做到语速语调适当、抑扬
顿挫, 不能面无表情、好像例行公务。
课堂上采用生动的比喻和幽默风趣的语言, 可
以增加讲课的趣味性、活跃课堂气氛, 并且加深学生
对知识的理解和记忆。譬如在对塑性指数I P 和液
性指数I L 这两个指标进行比较时, 先指出I P 是由土
性决定的, 常用于土的分类, 而I L 是由当前的含水
量决定的, 反映粘性土的软硬状态。对某一种粘性
土而言, 前者是不变的, 后者是可变化的; 然后可作
一个通俗的比喻, 即塑性指数I P 如同你的姓, 属于
哪一家是不变的, 而液性指数I L 如同你的年龄, 反
映你的“状态”, 是随时间而变化的。又譬如讲解砂
土的密实程度指标时, 首先指出孔隙比e 只能反映
同一种砂土在不同情况下的密实程度, 却不能比较
两种具有不同颗粒级配的砂土的密实程度。然后作
一个生动的比喻, 即好比对学生考试成绩的分析。
第一种情况是对同一位同学进行分析, 他第一次考
试成绩为70分, 第二次类似考试的成绩为90分, 说
明他第二次考试发挥程度较第一次好; 第二种情况
是在甲乙两位同学之间作比较分析, 甲乙两位同学
考试成绩都为80分, 但并不能说明两位同学考试发
挥程度一样。比如甲同学平时基础差, 以往成绩为
60分左右, 而乙同学平时基础好, 以往成绩为90分
左右, 那么这次考试的发挥程度应是甲好于乙。在
学生理解了以上概念之后, 进而再引出相对密实度
D r 的概念。
提高教学的艺术性和趣味性还可借助先进的多
媒体教学手段。当然, 多媒体的优势还不仅于此。
五、合理有效地使用多媒体教学手段
多媒体的应用是提高教学方法先进性的重要手
段。第一, 多媒体的应用使得教学信息丰富而清晰,
一方面对一些板书不易完成的公式图表, 都可以通, 可以收集教材之外的相关图片、曲线等资料, 以补充和说明教材内容、扩大学生视野。第二, 多媒体在动画设计方面具有独到的优势。可以将课件的文字和图表制作成动画形式, 以生动反映讲课的思路; 同时还可另外增加一些趣味动画以放松课堂气氛。第三, 多媒体能使课件内容反复循环播放。可以在每次课的开始简单回放上次课的内容, 起到承上启下的作用; 同时在每次课的结束时段可以简单回放本堂课的主要内容, 以使学生整体把握该堂课的知识体系和脉络。但是, 要使多媒体教学手段的运用切实提高教学效果, 必须合理正确地使用该手段。第一, 多媒体应与板书相结合使用。传统的板书教学有其独到之处, 一方面在黑板上写画的速度不会太快, 可让学生有较充裕的时间思考和理解; 另一方面有利于师生互动, 譬如有时可让学生上台图示自己的见解, 有时对于学生临时提出的问题, 利用板书进行解释效果更好。第二, 制作多媒体课件要精心。一方面, 课件制作应建立在认真备课的基础之上, 课件内容应该是反映讲课的主要思路, 而不是简单扫描拷贝课本图文, 否则会使学生思维力不能集中、抓不住重点与主线, 好似“在大屏幕上看课本”。另一方面, 课件制作时还要注意一些细节。譬如, 文字不宜太多, 最好多用框图、示意图等; 不宜将整页内容全部同时放映, 而最好采用动画反映讲课过程和绘图步骤, 但同时也要注意动画应适中, 过多也会分散注意力; 颜色对比度要强, 但同一片子中颜色不宜太多, 另外字体不能太小太草、字体可选用黑体、宋体等。第三, 多媒体课件放映要预先合理设计。上课不是放电影, 教师不是解说员。教师不能跟着放映的课件走, 而是课件跟着教师的思路走。这就要求课前认真备课、仔细梳理思路、合理安排放映节奏。切不可认为制作好课件就万事大吉、课前不必再备课了。总之, 多媒体的应用给教学带来了许多便利和良好效果, 但是一定要注意合理有效地运用这种先进的教学手段, 切不可滥用误用, 否则会适得其反。六、结语每门课程都具有一般课程的共性和各课程自身的特性, 其教学方法也应遵循一般的教学规律和适应各课程自身的特点。每门课程教学的目标和理念都是一致的, 那就是,
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　　[摘 要] 在总结《土力学与地基基础》课程多次教学基础上，通过分析现有文献和调研现行行业企业对该门课程知识的需求，并结合与该门课程相关的最新规范和国家执业资格考试，，总结出《土力学与地基基础》的课程特点，提出适合高职学生的教学方法和考评机制，并有针对性地设计实践教学环节，通过这些举措有望使学生更好地学习、掌握并应用好该门课程，从而达到提高教学效果和培养学生创新能力以及综合素质的目的。对于从事该课程教学的教师同行或从事岩土工作的工程技术人员具有一定的参考意义。
　　[关 键 词] 土力学；地基基础；课程特点；教学方法；改进措施
　　[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] （6-02
　　土力学与地基基础课程是土木大类及相关专业学生的专业基础课，我校在建筑工程学院、矿业与环境工程学院、地质与测绘工程学院等二级院系相关专业开设该课程。作者调研行业企业需求，广泛学习相关院校教学经验，结合最新规范和国家执业资格考试，修订课程教学大纲，加强实践教学，并在教学实践中取得了一定的成效，为持续深入研究该课程奠定了一定的基础。
　　对工程地质及相关专业的教师同行教学设计或岩土工程类工程技术人员的继续学习具有一定参考意义。
　　一、土力学与地基基础课程的特点及所面向的高职学生特点
　　（一）《土力学地基基础》课程特点
　　1.课程定位
　　土力学与地基基础是一门主要研究土的物理力学性质和工程应用以及地基基础工程问题的土木类专业基础课程，其理论性与实践性均较强。该课程在我院水文与工程地质专业人才培养课程体系中起到承上启下的重要作用，如下图所示。
　　2.课程应用
　　土力学与地基基础是一门源于工程实践又应用于工程实践的学科，到现在已发展得比较成熟。该课程是培养学生解决工程实践中遇到的岩土问题的核心基础课程，为走上工作岗位后学习《建筑地基基础设计规范（GB）》《建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）》《建筑地基处理技术规范 （JGJ79-2012）》等规范和参加国家注册土木工程师（岩土）专业考试奠定了坚实的基础。
　　（二）该课程所面向的高职学生特点
　　1.高职学生生源
　　目前，我校高职主要有“全国普通高考”“3+2”“省内单招”三条招生途径，不同途径学生之间差异比较明显，即使同一途径生源的学生也有差异。
　　2.高职学生特征
　　据调研相关院校，目前高职学生较多存在差异性较大、个性化特征明显等特征，部分学生数理基础较差、学习自主性较差，如何组织好差异性较大的学生学好该门理论性和实践性均较强的课程是该课程任课教师长期思考的问题。
　　二、土力学与地基基础传统教学存在的问题
　　（一）学时矛盾
　　土力学与地基基础包含土力学和地基基础两大部分内容，土力学主要用工程力学、土质学理论和土工实验解决工程建设中与土体有关的变形、强度和稳定性问题，地基基础属于更专业的内容，是基础工程的导论。据调研相关院校，该课程总学时多在44～64学时之间，其中实训（实践教学和实验教学）多占到22～32学时，在该课程理论和实训均重要的前提下，需要解决好理论教学和实训教学的矛盾。
　　（二）教学内容受到限制
　　1.该课程理论教学不能持续吸引学生学习
　　以讲解土力学中土的应力计算为例，它涉及工程力学应力应变的概念和工程岩土学土的重度概念，还涉及对数学公式和函数曲线的理解，在讲到附加应力的时候，部分学生往往会出现注意力不集中等现象，如果只讲土中应力的工程实践应用，学生也难以理解，故如何选择适合的授课内容是必须考虑的问题。
　　2.教学内容更新与行业技术和规范更新不同步
　　高职中也有部分学生数理基础较好，他们希望学习的内容能反映最新的技术，希望学到的知识能够直接应用到工程实践中去，而据查阅相关土力学教材，少部分教材所引用的规范并非是最新的，甚至部分教材讲的实验方法已经被淘汰或者与现行行业技术不符，故选择一本能反映最新技术动态和行业规范的教材比较重要。
　　3.实践教学内容受到实践教学条件的限制
　　鉴于土体的复杂性，实际中遇到的土力学地基基础问题要复杂得多，实验室不可能完全模拟出土体的真实状况，有时候也可能不具备到施工现场的条件，故部分实践教学内容受到条件限制。
　　4.实验硬件不能完全满足需求
　　据调研和查阅文献，目前高职开展土体动三轴试验项目的院系较少，部分存在设备有限、实验人数集中的现象，从而导致实验分组较少，每组人数多，不能使每位学生都能充分参与到实验中。
　　三、对提高该课程教学效果途径的探讨与实践
　　（一）调整教学内容
　　调整教学内容要安排好理论和实训（实践教学和实验教学）的学时比例。理论教学上要注意和工程力学、数学等课程相衔接，必要时先复习涉及的基本概念，删除繁琐的公式推导过程，直接应用于实践，比如讲附加应力计算公式时直接讲如何应用。任课教师尽量选择学生感兴趣又能学习知识、技能的教学内容。
　　（二）改进教学方法与手段
　　随着计算机技术的发展和应用，教师可以选择越来越多的教学方法和手段。目前我校自主开发的云平台就是一种较好的教学手段，可以把视频、图片、动画、案例、教学互动等融入。教师也可以让学生关注岩土微信公众号、岩土网站等，从而开阔视野，提升学习兴趣。
　　（三）加强实践教学与岩土工程案例分析
　　应充分重视实训（实践教学和实验教学），土力学可以开设的实验包括土的物理性质和力学性质实验、原位实验等，在选择实验项目时要和工程岩土学衔接，避免重复实验，实践教学可以通过实际工程案例比如挡土墙进行设计、计算。
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