基于工程问题的土力学与基础工程课程建设探索
张艳美++杨文东++奕雅琳
摘要：针对高校土力学与基础工程课程现状，文章提出了“3333”课程教学设计，并基于工程问题进行教学内容重组，打破原来的知识体系，建立了6大模块20个问题的教学内容体系。此外，探索应用问题式、案例式、情境式和个性化等多种方式相结合的教学方法和多元化的教学手段，以提高学生的学习兴趣和主动性。最后还提出了进一步完善土力学与基础工程课程建设的几点建议。
关键词：工程问题；土力学；基础工程；课程建设
中图分类号：G6420；TU43文献标志码：A文章编号：
10052909（2016）04007404
土力学与基础工程课程内容是建筑、道路、桥梁、隧道、水利、地下、海工等各类工程设计、施工、研发、工程事故分析等的重要理论基础，是土木工程专业的必修课程，也是一门理论性、实践性和综合性很强的专业核心课程[1]。该课程与混凝土结构、钢结构、建筑抗震等课程紧密相连，是结构设计和抗震设计不可或缺的重要组成部分，也是土木工程专业执业资格考试的必考科目。笔者所在的中国石油大学 （华东）不仅土木工程专业而且储运工程、工程力学、海洋工程等专业也设置了该课程。为了保证教学质量，实现《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》提出的创新思维和社会实践、全面发展和个性发展紧密结合的人才培养要求，需要在土力学与基础工程课程教学过程中不断改革创新，进一步加强和完善课程建设。
一、“3333”课程教学设计
在土力学与基础工程课程教学过程中，笔者提出了 “三大工程问题、三方工程应用、三个教学结合、三种能力培养” 的“3333”课程教学设计（图1），即以岩土工程面临的变形、强度（含稳定）和渗流三大工程问题为主线，完成专业基础知识的理论教学；以地基设计、基础设计和地基处理三方面的工程应用为导向，完成专业知识的理论教学；以理论教学与实践教学、授课内容与执业考试、课程学习与科研课题三个结合为途径，实现“产、学、研”一体化，最终达到提升学生创新能力、实践能力和职业能力的人才培养目标。
二、教学内容的重组
基于人才能力培养目标，通过课程组教师的多次讨论和分析，将土力学与基础工程课程教学内容进行重组，打破了原来的知识体系[2]，建立了6大模块20个问题的教学内容体系。
（一）工程地质勘察模块
这个模块主要解决两个问题：一是工程地质勘察报告的识读；二是对土的物理性质及工程分类的学习。结合勘察报告的三图一表，重点讲解土的组成、物理性质指标、物理状态指标、压实性、工程分类，以及完成相应的土工试验等内容。
（二）渗流问题模块
渗流是岩土工程面临的主要问题之一。这个模块主要解决两个问题：一是土的渗透性，重点介绍达西定律及渗透系数的测定等；二是结合流土和管涌现象，详细讲解渗透力、流土和管涌问题的判断及控制措施等，对于二惟渗流和流网问题仅作简要介绍或不作介绍。
（三）变形问题模块
变形和强度是建（构）筑地基必须同时满足的两个技术条件。这个模块主要解决三个问题：一是土中应力的计算，它是分析变形和强度问题的基础。除了应力的计算，还应介绍应力特别是附加应力的分布规律，以有利于对工程事故的判断。有效应力原理作为土力学的立足点之一，也是这部分重点讲解的内容。二是最终沉降量的计算，重点介绍土的五个压缩性指标及其测定方法，对最终沉降量计算方法主要介绍分层总和规范修正法，以及现行《建筑地基基础设计规范》对地基变形允许值的要求，其他计算方法作简要介绍。三是沉降与时间的关系问题，太沙基一维固结理论是土力学的另一个立足点，由于其理论性较强，以讲清楚基本原理为主。这部分重点介绍瞬时和逐步加荷下地基固结度的计算。
（四）强度（含稳定）问题模块
土压力、地基承载力和土坡稳定是与土的抗剪强度直接相关的三个工程方面。这个模块主要解决四个问题：一是土的抗剪强度理论，在重点阐述库伦公式和极限平衡条件的基础上，详细介绍和完成直剪试验、三轴压缩试验等抗剪强度指标测定试验，并分析相应的试验结果等内容，对于应力路径、孔压系数仅作简单介绍；二是土压力计算，重点介绍土压力的影响因素和分类以及朗肯土压力的计算等内容，库伦土压力以讲清楚基本原理为主，同时结合相关规范和工程实例讲解重力式挡土墙的设计；三是地基承载力，除了介绍浅基础的破坏特征、临界荷载等重要概念外，结合现行《建筑地基基础设计规范》重点讲述地基承载力特征值的确定方法；四是土坡稳定分析，这部分不作重点要求，仅简要介绍黏性土土坡和无黏性土土坡的稳定分析方法。
（五）地基处理方案设计模块
这部分结合实际工程案例和现行《建筑地基处理技术规范》，讲述换填垫层、预压、强夯和复合地基四类工程中常用的地基处理方法。重点讲述各类方法的加固机理和适用范围，并结合具体工程地基处理方案，讲述相应的设计计算。
（六）基础设计模块
这个模块主要解决四个问题：一是地基计算，主要讲述基础埋深的确定和地基承载力验算；二是浅基础设计，结合现行相关技术规范和实际工程施工图，重点介绍独立基础、连续基础、联合基础和储罐基础的设计及施工图识读；三是深基础设计，结合现行相关技术规范和实际工程施工图，重点介绍桩基础，简要介绍沉井基础的设计和施工图识读。
在20个问题中，根据内容和需要又划分若干个知识单元，并突出学校石油行业特色。教师可根据不同专业的课时设置、研究方向等选择相应的模块和问题进行讲解。
三、教学方法的改革
结合课程特点，改变传统课堂教学完全由教师讲课的方式，采用“精讲、自学与讨论”相结合，问题式、情境式和案例式等多样化的教学方法，增加师生之间、学生之间的互动，注重学生能力的培养，激发学生的学习兴趣，引导学生自主学习、主动探究。同时，考虑学生的个体差异，因人施教，实现个性化教学。
（一）问题式教学
结合工程案例，把每章的重要知识点以问题的形式提出，作为阅读或研读任务提前发给学生，让学生带着任务进行课前预习、课堂讨论和课后复习，以解决问题为驱动力，明确课堂教学目标。如讲解自重应力计算时，可设置问题：地下水位上下发生变化时，可能会引发什么样的工程问题？目前国内区域性沉降情况如何？国家层面有何政策或措施？等。通过问题式教学，鼓励学生自主查资料，增强学生的学习主动性。
（二）案例式教学
以工程质量问题或工程事故为案例，剖析事故产生的原因，分析有关的基本理论，探讨解决问题的办法，提出解决问题的新思路。通过有针对性的工程案例剖析，培养学生的学习兴趣和运用知识解决一般土工问题的能力。如在讲述预压法时，可结合某储罐渗漏案例，分析渗漏原因是由于地基变形过大导致管道断裂引起的，讨论学过的哪些知识点与减小地基沉降量有关，并逐步引导学生将回弹再压缩理论用于解决地基沉降过大问题，最后得出工程中常用的堆载预压法等。
在讲解基础设计时，可以结合实际工程资料，讲解基础设计的流程、计算方法、相关技术规范要求、施工图绘制和识读等，以培养学生的工程素养和专业能力。
（三）情景式教学
通过带领学生去实验室做实验、到施工现场参观或播放工程录像等方式，为学生创设具体的、动态的和直观的情境，帮助学生理解授课内容和技术规范，拓展学生的工程视野。如规范要求三角形承台钢筋应按三向板带均匀布置，很多学生对此却不明白，但只要把学生带到施工现场参观讲解，学生就会清楚明白
了（图2）。
（四）个性化教学
考虑到学生能力的个体差异，通过课后作业分类（分为必交、不必交和练习作业三类）、实验教学分类（分为必做、观摩和研究实验三类）、组建大学生创新团队等形式，实现因材施教和个性化教学[3]。
（五） 开放性教学
遵循以学生为主体、以教师为主导的教育理念，在课堂教学中引入“翻转课堂”教学模式，并结合本科生教学的特点，实行教师精讲与学生讨论相结合、学生提问与教师解惑相结合、教师引导与学生分析相结合的课程教学，增加师生之间、学生之间的互动交流，实现开放性教学。
四、教学手段的改革
改革教学手段也是课程建设的重要组成部分。在该课程教学过程中采用多元化的教学手段。
（一）采用多种现代教育技术手段
制作了相对完善的多媒体课件，使教学内容直观性强，便于学生掌握和理解。建立课程网站，实现了教学资源电子化，通过前沿专题、职能训练、互动交流等栏目，加强师生之间的互动，为学生提供更为丰富的学习资源和全新的学习条件（图3）。
（二）充分利用校内实验室
由于该课程的基本理论、公式等主要来源于实践和试验，因此，结合课堂教学内容，充分利用学校完备的土力学实验条件，通过让学生亲自做实验和分析实验结果，加深学生对相关理论和工程问题的理解，并通过鼓励学生自主设计实验、尝试改进实验仪器等，培养学生的创新意识和实践能力。
（三）充分利用校内外实习基地
结合课堂教学内容，组织学生到多个实习基地现场观摩，实现理论教学与实践教学的结合，有效提高教学质量。
五、结语
课程建设是项复杂的系统工程，包括教学内容、教材建设、教学方法、考核方式、教学手段、教学资源等多个方面。要使学生在有限的学时内掌握课程的精髓，提高其学习兴趣，实现三种能力培养的目标，还需要进一步完善课程建设。建议今后进一步加强和改进如下工作：一是基于能力和过程原则的考核方式改革；二是以学生为课堂主体的研究性教学方式改革；三是虚拟实验室建设与系统研发；四是基于MOOC视野的课程建设等。参考文献：
[1] 徐岩，赵俭斌.培养创新型人才的土力学教学方法探讨[J].高等建筑教育，2011，20（5）：51-54.
[2] 陈剑波，陈扬. 项目教学法在土力学与地基基础课程中的实践与探讨[J].新课程研究，2010（183）：68-70.
[3] 张艳美，杨文东.大土木背景下土力学与基础工程课程个性化教学模式的探索与实践[J].高等建筑教育，2014，23（6）：63-65.
摘要：针对高校土力学与基础工程课程现状，文章提出了“3333”课程教学设计，并基于工程问题进行教学内容重组，打破原来的知识体系，建立了6大模块20个问题的教学内容体系。此外，探索应用问题式、案例式、情境式和个性化等多种方式相结合的教学方法和多元化的教学手段，以提高学生的学习兴趣和主动性。最后还提出了进一步完善土力学与基础工程课程建设的几点建议。
关键词：工程问题；土力学；基础工程；课程建设
中图分类号：G6420；TU43文献标志码：A文章编号：
10052909（2016）04007404
土力学与基础工程课程内容是建筑、道路、桥梁、隧道、水利、地下、海工等各类工程设计、施工、研发、工程事故分析等的重要理论基础，是土木工程专业的必修课程，也是一门理论性、实践性和综合性很强的专业核心课程[1]。该课程与混凝土结构、钢结构、建筑抗震等课程紧密相连，是结构设计和抗震设计不可或缺的重要组成部分，也是土木工程专业执业资格考试的必考科目。笔者所在的中国石油大学 （华东）不仅土木工程专业而且储运工程、工程力学、海洋工程等专业也设置了该课程。为了保证教学质量，实现《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》提出的创新思维和社会实践、全面发展和个性发展紧密结合的人才培养要求，需要在土力学与基础工程课程教学过程中不断改革创新，进一步加强和完善课程建设。
一、“3333”课程教学设计
在土力学与基础工程课程教学过程中，笔者提出了 “三大工程问题、三方工程应用、三个教学结合、三种能力培养” 的“3333”课程教学设计（图1），即以岩土工程面临的变形、强度（含稳定）和渗流三大工程问题为主线，完成专业基础知识的理论教学；以地基设计、基础设计和地基处理三方面的工程应用为导向，完成专业知识的理论教学；以理论教学与实践教学、授课内容与执业考试、课程学习与科研课题三个结合为途径，实现“产、学、研”一体化，最终达到提升学生创新能力、实践能力和职业能力的人才培养目标。
二、教学内容的重组
基于人才能力培养目标，通过课程组教师的多次讨论和分析，将土力学与基础工程课程教学内容进行重组，打破了原来的知识体系[2]，建立了6大模块20个问题的教学内容体系。
（一）工程地质勘察模块
这个模块主要解决两个问题：一是工程地质勘察报告的识读；二是对土的物理性质及工程分类的学习。结合勘察报告的三图一表，重点讲解土的组成、物理性质指标、物理状态指标、压实性、工程分类，以及完成相应的土工试验等内容。
（二）渗流问题模块
渗流是岩土工程面临的主要问题之一。这个模块主要解决两个问题：一是土的渗透性，重点介绍达西定律及渗透系数的测定等；二是结合流土和管涌现象，详细讲解渗透力、流土和管涌问题的判断及控制措施等，对于二惟渗流和流网问题仅作简要介绍或不作介绍。
（三）变形问题模块
变形和强度是建（构）筑地基必须同时满足的两个技术条件。这个模块主要解决三个问题：一是土中应力的计算，它是分析变形和强度问题的基础。除了应力的计算，还应介绍应力特别是附加应力的分布规律，以有利于对工程事故的判断。有效应力原理作为土力学的立足点之一，也是这部分重点讲解的内容。二是最终沉降量的计算，重点介绍土的五个压缩性指标及其测定方法，对最终沉降量计算方法主要介绍分层总和规范修正法，以及现行《建筑地基基础设计规范》对地基变形允许值的要求，其他计算方法作简要介绍。三是沉降与时间的关系问题，太沙基一维固结理论是土力学的另一个立足点，由于其理论性较强，以讲清楚基本原理为主。这部分重点介绍瞬时和逐步加荷下地基固结度的计算。
（四）强度（含稳定）问题模块
土压力、地基承载力和土坡稳定是与土的抗剪强度直接相关的三个工程方面。这个模块主要解决四个问题：一是土的抗剪强度理论，在重点阐述库伦公式和极限平衡条件的基础上，详细介绍和完成直剪试验、三轴压缩试验等抗剪强度指标测定试验，并分析相应的试验结果等内容，对于应力路径、孔压系数仅作简单介绍；二是土压力计算，重点介绍土压力的影响因素和分类以及朗肯土压力的计算等内容，库伦土压力以讲清楚基本原理为主，同时结合相关规范和工程实例讲解重力式挡土墙的设计；三是地基承载力，除了介绍浅基础的破坏特征、临界荷载等重要概念外，结合现行《建筑地基基础设计规范》重点讲述地基承载力特征值的确定方法；四是土坡稳定分析，这部分不作重点要求，仅简要介绍黏性土土坡和无黏性土土坡的稳定分析方法。
（五）地基处理方案设计模块
这部分结合实际工程案例和现行《建筑地基处理技术规范》，讲述换填垫层、预压、强夯和复合地基四类工程中常用的地基处理方法。重点讲述各类方法的加固机理和适用范围，并结合具体工程地基处理方案，讲述相应的设计计算。
（六）基础设计模块
这个模块主要解决四个问题：一是地基计算，主要讲述基础埋深的确定和地基承载力验算；二是浅基础设计，结合现行相关技术规范和实际工程施工图，重点介绍独立基础、连续基础、联合基础和储罐基础的设计及施工图识读；三是深基础设计，结合现行相关技术规范和实际工程施工图，重点介绍桩基础，简要介绍沉井基础的设计和施工图识读。
在20个问题中，根据内容和需要又划分若干个知识单元，并突出学校石油行业特色。教师可根据不同专业的课时设置、研究方向等选择相应的模块和问题进行讲解。
三、教学方法的改革
结合课程特点，改变传统课堂教学完全由教师讲课的方式，采用“精讲、自学与讨论”相结合，问题式、情境式和案例式等多样化的教学方法，增加师生之间、学生之间的互动，注重学生能力的培养，激发学生的学习兴趣，引导学生自主学习、主动探究。同时，考虑学生的个体差异，因人施教，实现个性化教学。
（一）问题式教学
结合工程案例，把每章的重要知识点以问题的形式提出，作为阅读或研读任务提前发给学生，让学生带着任务进行课前预习、课堂讨论和课后复习，以解决问题为驱动力，明确课堂教学目标。如讲解自重应力计算时，可设置问题：地下水位上下发生变化时，可能会引发什么样的工程问题？目前国内区域性沉降情况如何？国家层面有何政策或措施？等。通过问题式教学，鼓励学生自主查资料，增强学生的学习主动性。
（二）案例式教学
以工程质量问题或工程事故为案例，剖析事故产生的原因，分析有关的基本理论，探讨解决问题的办法，提出解决问题的新思路。通过有针对性的工程案例剖析，培养学生的学习兴趣和运用知识解决一般土工问题的能力。如在讲述预压法时，可结合某储罐渗漏案例，分析渗漏原因是由于地基变形过大导致管道断裂引起的，讨论学过的哪些知识点与减小地基沉降量有关，并逐步引导学生将回弹再压缩理论用于解决地基沉降过大问题，最后得出工程中常用的堆载预压法等。
在讲解基础设计时，可以结合实际工程资料，讲解基础设计的流程、计算方法、相关技术规范要求、施工图绘制和识读等，以培养学生的工程素养和专业能力。
（三）情景式教学
通过带领学生去实验室做实验、到施工现场参观或播放工程录像等方式，为学生创设具体的、动态的和直观的情境，帮助学生理解授课内容和技术规范，拓展学生的工程视野。如规范要求三角形承台钢筋应按三向板带均匀布置，很多学生对此却不明白，但只要把学生带到施工现场参观讲解，学生就会清楚明白
了（图2）。
（四）个性化教学
考虑到学生能力的个体差异，通过课后作业分类（分为必交、不必交和练习作业三类）、实验教学分类（分为必做、观摩和研究实验三类）、组建大学生创新团队等形式，实现因材施教和个性化教学[3]。
（五） 开放性教学
遵循以学生为主体、以教师为主导的教育理念，在课堂教学中引入“翻转课堂”教学模式，并结合本科生教学的特点，实行教师精讲与学生讨论相结合、学生提问与教师解惑相结合、教师引导与学生分析相结合的课程教学，增加师生之间、学生之间的互动交流，实现开放性教学。
四、教学手段的改革
改革教学手段也是课程建设的重要组成部分。在该课程教学过程中采用多元化的教学手段。
（一）采用多种现代教育技术手段
制作了相对完善的多媒体课件，使教学内容直观性强，便于学生掌握和理解。建立课程网站，实现了教学资源电子化，通过前沿专题、职能训练、互动交流等栏目，加强师生之间的互动，为学生提供更为丰富的学习资源和全新的学习条件（图3）。
（二）充分利用校内实验室
由于该课程的基本理论、公式等主要来源于实践和试验，因此，结合课堂教学内容，充分利用学校完备的土力学实验条件，通过让学生亲自做实验和分析实验结果，加深学生对相关理论和工程问题的理解，并通过鼓励学生自主设计实验、尝试改进实验仪器等，培养学生的创新意识和实践能力。
（三）充分利用校内外实习基地
结合课堂教学内容，组织学生到多个实习基地现场观摩，实现理论教学与实践教学的结合，有效提高教学质量。
五、结语
课程建设是项复杂的系统工程，包括教学内容、教材建设、教学方法、考核方式、教学手段、教学资源等多个方面。要使学生在有限的学时内掌握课程的精髓，提高其学习兴趣，实现三种能力培养的目标，还需要进一步完善课程建设。建议今后进一步加强和改进如下工作：一是基于能力和过程原则的考核方式改革；二是以学生为课堂主体的研究性教学方式改革；三是虚拟实验室建设与系统研发；四是基于MOOC视野的课程建设等。参考文献：
[1] 徐岩，赵俭斌.培养创新型人才的土力学教学方法探讨[J].高等建筑教育，2011，20（5）：51-54.
[2] 陈剑波，陈扬. 项目教学法在土力学与地基基础课程中的实践与探讨[J].新课程研究，2010（183）：68-70.
[3] 张艳美，杨文东.大土木背景下土力学与基础工程课程个性化教学模式的探索与实践[J].高等建筑教育，2014，23（6）：63-65.
