首页 > 论文范文 > 教育综合论文 > 高等教育论文 > 课程改革论文 > 土力学实验课程改革的创新方法及优缺点比较

土力学实验课程改革的创新方法及优缺点比较

2021-11-06 76 上传者：管理员

摘要：土力学是一门综合性、实用性较强的学科。教学实践表明，其实验教学环节能激发学生对土力学课程的学习兴趣，加深学生对理论知识的掌握以及培养学生动手实践的能力。文章基于土力学实验课程的重要性，分析了实验课程教学过程中实验内容设置、教学方式、考核手段等存在的问题，针对所存在的问题列举了目前实验课程改革的方法，并进行了优缺点比较。为各高校土力学实验课程改革提供参考。

关键词：
动手能力
土力学课程
基础必修课
学习兴趣
实验课程改革
加入收藏

1、土力学实验课程的重要性

土力学是土木工程专业的基础必修课，作为一门理论与实践紧密结合的课程，土力学的许多基本概念和原理都建立在土力学实验基础之上。可见，土力学实验的教学效果直接影响着学生对土力学课程的理解，进而关系到其他以土力学为基础的专业课程(如地基基础、地质工程)的教学质量。土力学实验的教学，不仅传授给学生实践操作，巩固其所学的理论知识，还有助于激发学生对土力学的学习兴趣，有助于培养学生探索精神和创新意识，实现学生知识、能力、素质的协调发展，为后期学习打下坚实的基础。每个土力学实验都来源于实际的工程项目，相关知识可直接用于工程的勘察、设计和施工，实验的精确程度将直接影响工程的质量。土力学实验的教学，有助于培养学生分析、解决工程实际问题的能力，树立力求准确的工程意识[1,2]。

土力学实验课程的重要性不言而喻，但目前仍存在着诸多问题。因此，文章第二部分总结出目前土力学实验课程所存在的典型问题，第三部分基于土力学试验课程现状，列举了五个实验课程的创新改革方法，并进行了优缺点分析。

2、土力学实验课程现状

根据近年来的实验教学情况，土力学实验课程在整个土力学教学过程中占据着越来越重要的地位，在周莉[3]和汤劲松[4]的文章中均有提及土力学实验内容改革在培养高素质土建类特色应用型人才方面的必要性和重要性。但是，在其教学过程中仍存在着尤为典型的问题：

(1) 土力学实验中验证性、单科性的实验较多[3],其实验内容相较于工程实际中的情况太过单薄，且实验教学内容设置不连贯，导致学生难以理解实验原理在工程实际中的具体应用，从而出现学生觉得实验太过于抽象、不好理解等情况。

(2) 在进行实验教学时，教师大多采用“教师演示示范，学生组队模仿”的教学模式。这种教学模式在一定程度上降低了部分学生的自主动手和在实际操作中解决问题的能力，不利于这部分学生借助实验更加深刻地理解某些原理并提高其综合分析能力。

(3) 由于大多数高校在实验器材的储备上尚有不足，负责土力学实验教学的老师数量有限，土力学实验具有实验时间持续较长和场地的限制等原因，导致不能保证每一个学生都可以单独完成一个实验。且考核方式太过单一，对学生在实验操作中的完成情况不能准确评估，容易导致学生产生对实验课产生不重视的情况，使实际教学效果较之预期大打折扣。

3、针对实验教学改革的创新方法及优缺点比较

3.1 虚拟仿真系统教学

虚拟仿真技术是借助计算机生成虚拟系统来模仿另一个真实物理系统的技术。虚拟仿真实验系统就是基于PC端虚拟仿真技术，根据真实的实验室标准布局搭建模型，使得学生可以通过虚拟仿真系统进行交互式操作对各种仪器进行控制，进而完成实验流程，见图1。

通过这种以标准实验室布局搭建的虚拟仿真系统，不仅可以缓解现在大多数高校普遍存在的实验仪器不足的问题，对于学生在实验课学习方面更是大有裨益：

(1)虚拟实验系统可以显著提高学生的学习效率。相较于传统的土力学实验教学方法，该系统可以保证每个学生都能独立完整地完成实验，避免了因为受到实验器材数量有限而导致出现部分成员未积极参与实验的情况[5]。

(2)可以节省实验时间。土力学实验常使用加荷载等手段进行，导致实验具有很长的操作流程，使用虚拟实验系统可以真实模拟出荷载效应的时效性，通过简化实验步骤达到节省时间的目的。

(3)增强实验的可视性[6],使抽象的实验过程更加直观。采用虚拟实验系统可以全方位观察实验的整个流程，对于微观变化可以通过力学传感器更新的即时数据、试样在实验过程中的变形情况等来进行直接观察。

(4)操作简便。虚拟仿真实验系统通过交互式操作简化了实验过程中的操作步骤，使实验流程更有条理性[6]。

虽然虚拟仿真试验系统在一定程度上能给学生提供便利，但其仍存在着一些不足之处：

(1)虚拟仿真试验系统的操作选项为程序设定的固定搭配，操作时学生只需跟随指示点击，导致实验过程较为枯燥且不利于学生自主思考实验过程各步骤间存在的逻辑关系。

(2)虚拟仿真系统的实验太过于理想化。现实中的实验操作中往往伴随着各种误差，包括仪器带来的误差，实验人员的操作误差等，使用虚拟仿真实验系统在某些方面降低了实验难度，学生在真实进行实验时可能缺乏对突发状况的分析和处理能力[5]。

3.2 工程案例教学法

工程案例教学法是将实际工程案例引入实验教学环节的教学法。基于实验教学大纲所要求的内容，教师在课前搜集相关工程实例的资料，设计出具有针对性和知识性的工程案例；各实验小组在课堂上设计出实验方案，在教师的引导下进行讨论和方案优化。小组成员应按照实验方案测定所需要的数据参数，解决实际的工程问题；教师在课后根据各小组实验方案的可行性和测量参数的准确性进行整体评价[7]。

工程案例教学法以学生为课程主体，以案例为实验平台，具有以下优点：

(1)在解决工程问题的过程中，学生作为主体，调动了学生的主观能动性，培养了学生分析问题、解决问题和主动学习的能力，促进素质教育和创新型人才培养[6]。

(2)典型工程案例把各个土力学实验紧密联系起来，让学生能系统地理解各个参数之间的关系，锻炼了学生的综合思维能力[6]。

(3)增加学生接触工程实例的机会，培养学生的工程能力，让学生了解所做的实验在实际工程中的具体应用，更好地理解土力学的理论知识和实验的实际意义[7]。

该法比传统教学法复杂，故在实施阶段中存在部分局限性：

(1)耗费时间多。因为引入工程案例，所以该教学法的课前准备和课堂实施阶段比传统教学法更耗费时间。

(2)对教师的要求较高。教师需要课前准备典型工程案例，这要求教师有扎实的理论基础和丰富的工程经验。

(3)实验效率不高。该教学法以教师的有效引导和学生的积极参与为前提，这两方面不容易同时满足，所以影响实验效率[7]。

(4)需要出台配套的实验考核标准。传统教学法以学生的出勤率和书面实验报告为考核依据，但该教学法还需要考虑小组成员的内部分工和理论知识在工程案例中的运用程度等因素。

3.3 误差分析教学法

误差分析教学法即对由于学生的操作、仪器、实验时间和环境的差异，所造成的各种各样的实验误差通过误差预判、过程控制、问题导引和误差设计等手段进行系统分析[7]。此教学法需要学生在实验前了解实验原理、掌握实验步骤、以设计者的角度进行误差预判、减少错误操作；在实验中注重实验条件控制、正确地操作及记录、尽可能获取准确的实验数据；实验操作结束后对实验数据进行剖析，并在老师设定的实验误差环境中对每一个误差原因进行针对性的分析，从而验证各种可能造成实验误差的因素并掌握整个实验。

此方法适用于土力学所有实验。相对传统教学方法，该法有着以下优点：

(1)通过误差分析教学可以减少学生对老师的依赖性，调动学生做实验的积极性与能动性，有利于学生对实验本质和原理的充分认识，可以改善学生对实验暂时性记忆的情况。

(2)误差预判和实验过程的控制，强调学生实验前充分预习准备，重视实验步骤并熟知实验过程，可有效提高实验成功的可能性。

(3)误差数据的设计激发学生对各种参数信息进行对比和思考，并得出各种因素对实验结果的影响，相比实验操作更能培养学生思维能力、问题分析能力。

(4)误差教学可以改变传统实验操作环节流于形式、效率低下的弊端，改变学生做实验“照葫芦画瓢”的本质，培养学生在实验中求知务实的精神，切实提高学生实验操作的效率，从而使得土力学教学实现最优化[7]。

误差分析教学法给实验课程教学带来诸多优点的同时，也存在着一定局限性：

(1)老师在课前需要进行充分的实验准备，设定合理的误差环境，在课上也需要对学生在误差分析时进行及时的引导。

(2)学生在实验前需要花费更多的时间进行实验预习，对实验原理和步骤进行充分的了解，实验时也需要更加重视实验操作、做到细心精确；在进行误差分析时也可能需要进行反复的实验。

(3)某些环境因素导致的实验误差无法避免，会干扰学生的误差分析。

3.4 基于MATLAB的数据处理法

MATLAB是一种高级语言，它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图像处理于一体，具有极高的编程效率。基于MATLAB的实验数据处理法即利用MATLAB编写程序处理实验所得数据，进而得到各类实验参数、计算结果以及实验关系曲线。该法可应用于土力学所有实验，对土力学实验所得数据进行处理、并得到相关曲线。

基于MATLAB的数据处理法给土力学实验的数据处理过程带来了诸多便利：

(1)使用MATLAB编制和调试程序，实现了试验数据自动计算、绘图和分析等过程[9]。

(2)MATLAB软件实现了实验数据处理简单快捷，可弥补手工绘图误差大的不足[10]。

(3)不论是将MATLAB作为单一的计算机语言应用还是直接利用MATLAB自身的工具箱，解决土木工程领域的实际问题都是行之有效的，基于MATLAB数学模型测试和仿真都具有方便、简洁的特点[8]。

(4)基于MATLAB的数据处理法可替代学生手工计算的过程，不仅提高了试验效率，还使得实验结果更加精确。

MATLAB处理数据也存在着一定的不足之处：

(1)使用MATLAB处理数据时会存在浮点数误差，浮点数误差可能会影响到试验结果的准确性，进而影响整个土力学实验。

(2)学生依赖于计算机处理实验数据后，难免会削弱学生对公式的掌握和灵活运用，容易导致学生只会套用公式而不能真正体会公式来意和含义的结果。

3.5 改进考核机制

土力学实验是将理论知识与实际操作结合的重要方式之一。实验考核方式又是检验学生学习成果的重要方法之一，但现在很多学校在土力学实验考核方式上仍有待改进。相较于传统的考核方式只考虑出勤率和书面实验报告，改进后的考核方式将考核内容扩展至实验课出勤率、实验操作和实验数据的正确性和准确性、实验报告的实验数据分析与处理，并针对每部分的重要程度在考核中占有不同的比例[11]。改进前后对比可知，之前的考核方法存在考核内容单一、考核方式缺少全面化、多样化等不足。

考核方法对检验学生学习效果起到重要的作用，通过改进前后考核方法的对比，可得改进后的考核方式有如下优点：

(1)此考核方式较传统考核方式更加注重结合理论与实践应用细节处理，强调学生对土力学实验的全面掌握、使得土力学实验考核更加全面、细致，避免了部分学生在实验过程中滥竽充数、敷衍了事的现状。

(2)在此考核方式下，学生对待每一个实验以及实验的各个环节更加严谨。不仅有助于引导学生综合运用所学知识，培养学生独立分析问题和解决问题的能力；还促进学生的核心素养和理论联系实践能力的形成。

(3)对教师综合、客观地评价每个学生的实际学习效果起到了很好的作用。

但是在考核内容的综合性方面，改进后的考核方式还有些不足：

(1)改进后的考核内容虽然考虑到了考核质量和效果，但在实验方案和实验过程中很难体现学生的创新性。

(2)忽略了学生创新精神的培养，未从根本上激发学生对土力学实验的热情，也就不能完全杜绝学生做实验时敷衍了事的状态。

4、结束语

许多高校在土力学人才培养方面，不仅要求学生掌握扎实的土力学理论知识，还要保证学生具备较强的动手操作能力与实践能力，而后一方面能力的培养是通过土力学实验来获得的[12]。因此，土力学实验课程改革越来越被大家重视。文章列举了五个土力学实验课程改革方法的优缺点，并进行了比较。

综上，虚拟仿真系统可作为学生实验课前的预习工具，不仅提高了学生的实验效率，还大大减轻了老师实验课上的负担；工程案例教学+误差分析教学法可用于实验课过程中，通过老师讲解相关的工程案例以及学生对误差来源的详细分析，提高学生对实验的积极性以及对整个实验的掌握程度；基于MATLAB的数据处理法作为学生的实验数据处理工具，提高实验效率的同时还保证了实验数据的正确度；改进考核机制则在课后针对学生对每个实验的掌握程度进行全面考量，直接促进了学生对实验课程的重视。

参考文献:

[1]闫蕊鑫,陈新年.基于工程案例的设计性土力学实验教学方法探索[J].科教文汇:中旬刊,2017(11):57-58.

[2]黎罡.土力学实验教学改革路径探索与成果分析[J].产业与科技论坛,2020,19(3):157-158.

[3]章敏,董晓强,郭昭胜.科研课题引入土木工程实验教学的探索与实践[J].高等建筑教育,2017,26(4):104-107.

[4]陈剑为,田君华,陈曦,等.土力学虚拟仿真实验模块的开发与建设[J].高等建筑教育,2018,27(6):155-160.

[5]白强,肖海连,杜芳林,等.虚拟仿真技术在材料科学与工程实验教学体系中的应用[J].青岛科技大学学报:自然科学版,2018,39(S1):163-164.

[6]刘小文,耿小牧.基于室内工程模型案例的土力学实验教学模式研究[J].教育教学论坛,2015(3);261-262.

[7]赵秀绍,刁心宏,莫林利,等.基于实验误差分析的土力学实验教学实践[J].实验技术与管理,2018,35(5):190-193+210.

[8]陈希湘.MATLAB技术在土木工程领域的应用[J].电子世界,2017(5):142.

[9]王俭,孙秀丽,周太全,等.基于MATLAB的土力学实验数据处理新方法[J].建筑科学,2012,28(9).:84-86+97.

[10]孙佳,刘喜峰,张瑞,等.MATLAB在液塑限联合测定实验中的应用[J].产业与科技论坛,2017,16(19):54-55.

[11]王琳,孟庆娟.改进土力学实验考核模式的探讨[J].实验室科学,2010,13(6):177-178.