岩土原位测试技术实验教学模式初探

0 引 言 岩土工程测试技术不仅在岩土工程建设实践中十分重要，而且在岩土工程的理论形成和发展过程中也起着决定性的作用。岩土工程测试技术一般可以分为室内试验、原位测试和原型监测三大类，还有各种模型试验，极其多样，各有各的特点和用途。 岩土工程勘测及原位测试技术是一门实践性很强的课程[1-4]，对学生实际的参与度要求较高，同时其不确定性对实验教学带来一定的难度。课程的特点使得该课程的建设面临着以下问题：① 岩土工程勘测及测试技术是一门实践性很强的课程。目前，该课程的实验部分多为现场参观，学生实际的参与度并不高。② 技术发展迅速，先进的岩土工程勘察及测试技术都在发展变化，在教学中必须随时更新教学内容。③ 课程实验性强，但学生缺乏实践的积累，很难把握课程的精锐。 本课程与其他课程关系密切(如与土力学、基础工程、工程地质等课程有密切关联)，如何与这些课程一体化建设，一体化教学，提高教学效果也是需要继续探索的。因此，如何从教学模式上改革构建新的实验教学体系，如何从学生学习的环节提高学生的兴趣和参与度，增强学生动手和分析问题的能力，如何从实验实践的环节进一步深入理解相关的理论知识点，更好地掌握测试技术，是开展岩土工程测试技术实验教学改革的主要内容和目标。实验课程是从理论到实践的重要环节，学生可以从中学习到很多知识，得到多方面的锻炼和提高，它不同于一般的课堂教学，有可能涉及到新仪器，实验的随机性、不确定性，实验数据处理的严谨性，数据分析的综合性等，这些特点都会影响到实验教学的进行。 实验课的教学改革主要核心问题之一，就是在实验课里怎样培养学生的创新精神、实践能力和创新能力[5-10]。而探究性实验教学是以学生为主体，通过一系列研究性教学方法与手段、以培养学生实践能力和创新精神为目标的实验教学。本文通过探究性实验环节的开展，提高学生的兴趣和参与度，增强学生动手和分析问题的能力，还可以通过实验进一步深入理解相关的理论知识点，更好地掌握测试技术。 1 岩土工程测试技术的阶段递进式实验教学模式实践与探索 通过探究性实验环节的开展，提高学生的兴趣和参与度，增强学生动手和分析问题的能力，还可以通过实验进一步深入理解相关的理论知识点，更好的掌握测试技术。阶段递进性实验教学主要内容有：① 提高性的综合类试验，设计一些综合类的试验题目，巩固常规的试验和测试方法的同时，有助于学生更深刻的理解土力学与基础工程的理论。② 自主性的模型类试验。设计自主性的模型类试验题目，比如制作不同模型箱，模拟不同的地基(黏土或砂土)，测定其沉降、侧向变形以及强度等。 第一阶段提高性综合类测试小组的试验项目是在室外(野外)选一块场地(见图1)，让学生自主完成密度、渗透性、强度测试等地基基本特性，进而作出一个综合性评价。创新是多方面的，可以试验本身是创新的，或者试验手段是创新的，或者两者皆是创新的。该项目的特色主要体现在以下几个方面： 图1 试验场地的选择 (1) 从内容上讲，综合类测试试验小组要完成两个主项目和两个拓展项目。通过主项目的设计和实施，强化学生对理论知识点的深度掌握；通过拓展项目的开展和参与，提高学生对现场测试技术的广度理解。 (2) 具体实施形式。自主设计主试验项目的方案和详细的实施步骤，全面培养综合试验能力，小组成员合作性完成试验项目。表1所示为创新项目及内容更多的学生和后两类试验项目将在后续的土力学创新实验课程开展。 表1 已开展创新试验项目及内容序号试验类型试验名称试验目的1主试验灌砂法密度试验2拓展试验微型十字板试验3主试验双环法渗透试验4拓展试验地质雷达检测初探通过分项试验,完成对所选场地密度、渗透、强度等特性的测试,并兼以地质雷达检测地下管线等 (3) 从教学模式上讲，以学生为主、指导老师为辅。全面调动学生的参与感和积极性。即使试验结果可能没有到达预期的要求，也不影响创新性实验教学的效果。比如在进行拓展性试验时，原试验场地由于强度过高，微型十字板试验量程偏低，试验很难进行，学生就换到启真湖畔强度较低的淤泥土中进行(见图2)；通过试验过程中出现的各种问题的解决，创新思维和创新实施得以实现。 图2 拓展性试验-微型十字板剪切试验 从试验前期准备、试验实施以及试验数据处理与分析来看，前两个内容完成达到要求，而基于试验结果对这个试验场地的性能评定缺少系统性。这需要学生进一步深入分析试验结果并开展讨论。 从整个试验的设计思路来看，原位试验具有非常大的随机性，包括原位试验场地的不确定性、土体和地基本身的不均匀性、实验操作等会造成实验结果的误差。 2 第2阶段实验教学改革的难点 无论是在土力学教学还是在岩土工程科研中，土体的强度都是很重要的科学问题。在土力学及试验课程教学中，介绍了3种土体强度的室内测试方法：直剪试验、无侧限试验以及三轴剪切试验。该项目内容属于土体原位强度测试手段的室内试验研究，对学生掌握这一关键知识点是良好的拓展和有益的补充。 另一方面随着海洋工程建设的发展，海洋岩土工程逐渐成为学术研究和工程实践的热点[11-12]。其中，对海床性质的认识和测试则是海洋岩土工程中平台基础或管道设计的前提。T-bar是西澳大利亚大学Steward等[13]发明的一种新型土工测试设备，随着其不断发展和完善，目前已经成熟应用于室内土体强度测试和现场试验，成为海洋岩土工程原位试验中的主要手段之一。T-bar测试过程中，土体会完全流过T型触探头，这种“满流”的特点可以最大限度消除地应力对土体强度测试造成的影响[13-15]。 这一阶段试验的对象是模型槽(长宽高：15 m×1.2 m×1.5 m)内约50 cm海床，利用T-bar测试海床土体的强度(见图3)，考察应变率、含水量、循环次数对海床强度的耦合影响，为海洋结构的设计和动力分析提供科学依据。分4组学生，每周2个课外学时，测试不同固结时间的土体强度，以期得到含水量、扰动和应变率对土体不排水强度的影响。 (a) 制备土样 (b) 取土示意图 (c) Tbar示意图图3 模型槽内的土体强度测试 3 探究性实验教学模式实践的分析和总结 常规的土力学实验大多关注于室内的土工试验，原位测试技术甚少涉及，本科生课程《岩土工程勘察和原位测试技术》这门课之前也以参观和观摩为主，缺少学生动手环节。而对于探究性实验“岩土工程地基与基础测试技术创新实验”则是一次全新的尝试，经过本次探究性实验，教学组获得了一些常规实验教学中无法得到的经验，主要包括以下几个方面： (1) 实验项目的选取。探究性实验项目的选取是成功开展实验的前提条件，探究性实验是课堂实验的升级版，必须具备以下基本特征：① 应与本课程的前沿科技相衔接，只有这样才能激发学生的参与积极性；随着工程建设的不断推进，岩土工程的复杂性日益增加，在这种情况下，原位测试技术越来越受到重视，当学生了解其发展趋势，开展这样一项探究性试验是很有吸引力的。② 应契合传统土力学与岩土工程中的理论要点；选取土体强度的原位测试技术为重点，对学生掌握这一关键知识点是良好的拓展和有益的补充。③ 应具有一定的设计性和创新性，需要学生自己发挥主观能动性，探究性实验也具备了这样的特征。本次探究性实验项目不同阶段不同重点的选题，为项目的顺利开展奠定了良好的基础。 (2) 学生的选择激励与考核。除了探究性实验项目的选择至关重要外，学生作为实验的主体也是很关键的因素，在探究性实验的实施过程，为了保证足够的生源，实际上采取的方法是将探究性实验列为有相应奖励措施的选做实验项目之一，成绩作为课程总成绩的一部分，并给予一定的加分奖励。事实证明，这样的做法是可行的，能充分激发学生的积极性。 探究性实验采取的是全过程考核方式，从学生查阅资料开始，到完善试验方案，小组各成员间的分工，各实验工况的操作，实验数据的处理，完成实验报告。学生的每个实践环节的表现均会体现在最终的成绩中，虽然探究性实验在整个实验课程中的比重并不是很大，但这对于学生在整个过程中认真对待，真正融入到实验中是有好处的。 (3) 不足与展望。由于初次尝试，在探究性试验的开展中存在些不足：① 第1阶段中原位场地的不确定性和复杂性影响了试验结果和综合分析，第2阶段创新试验的主体更改为模型槽内均匀的海床土体，情况得到很大改善。② 在后续课程的创新试验开展中，如何协调大纲原有试验与创新试验的关系，尤其是时间上的分配至关重要。试验中，由于创新试验内容多，工况多，数据多，但分配的时间相对偏少，严重影响了学生后期的实验报告质量。③ 学生的参与积极性得到保障后，如何公平、公正和公开的确定参与学生是下次探究性试验开展中将面临的问题。④ 考核如何更加规范化、标准化和客观化，也是待提高的问题之一。⑤ 从学生上交的心得来看，建议增加题目的趣味性以及提高参与的比例。归纳的以上几点，在下次的创新试验教学中将给予重视和完善。总体来说，本次探究性实验取得了相当大的突破，在今后的探究性实验教学中，争取让本科生参与基础性的科研课题，真正让科研反哺教学。 4 结 语 从岩土工程原位测试技术实验教学的现状出发，针对课程特点，提出了岩土工程原位测试技术的阶段递进式教学模式和自主式创新实验题目设置并进行了实践。这种新型教学模式和创新实验题目的实施，能充分发挥学生的主动性以及好奇性，使教学的效果得到大幅提升。同时也为岩土工程原位测试技术成熟的教学体系形式和模式探寻提供良好的基础。 Tel.: ; E-mail: 0 引 言 岩土工程测试技术不仅在岩土工程建设实践中十分重要，而且在岩土工程的理论形成和发展过程中也起着决定性的作用。岩土工程测试技术一般可以分为室内试验、原位测试和原型监测三大类，还有各种模型试验，极其多样，各有各的特点和用途。 岩土工程勘测及原位测试技术是一门实践性很强的课程[1-4]，对学生实际的参与度要求较高，同时其不确定性对实验教学带来一定的难度。课程的特点使得该课程的建设面临着以下问题：① 岩土工程勘测及测试技术是一门实践性很强的课程。目前，该课程的实验部分多为现场参观，学生实际的参与度并不高。② 技术发展迅速，先进的岩土工程勘察及测试技术都在发展变化，在教学中必须随时更新教学内容。③ 课程实验性强，但学生缺乏实践的积累，很难把握课程的精锐。 本课程与其他课程关系密切(如与土力学、基础工程、工程地质等课程有密切关联)，如何与这些课程一体化建设，一体化教学，提高教学效果也是需要继续探索的。因此，如何从教学模式上改革构建新的实验教学体系，如何从学生学习的环节提高学生的兴趣和参与度，增强学生动手和分析问题的能力，如何从实验实践的环节进一步深入理解相关的理论知识点，更好地掌握测试技术，是开展岩土工程测试技术实验教学改革的主要内容和目标。实验课程是从理论到实践的重要环节，学生可以从中学习到很多知识，得到多方面的锻炼和提高，它不同于一般的课堂教学，有可能涉及到新仪器，实验的随机性、不确定性，实验数据处理的严谨性，数据分析的综合性等，这些特点都会影响到实验教学的进行。 实验课的教学改革主要核心问题之一，就是在实验课里怎样培养学生的创新精神、实践能力和创新能力[5-10]。而探究性实验教学是以学生为主体，通过一系列研究性教学方法与手段、以培养学生实践能力和创新精神为目标的实验教学。本文通过探究性实验环节的开展，提高学生的兴趣和参与度，增强学生动手和分析问题的能力，还可以通过实验进一步深入理解相关的理论知识点，更好地掌握测试技术。 1 岩土工程测试技术的阶段递进式实验教学模式实践与探索 通过探究性实验环节的开展，提高学生的兴趣和参与度，增强学生动手和分析问题的能力，还可以通过实验进一步深入理解相关的理论知识点，更好的掌握测试技术。阶段递进性实验教学主要内容有：① 提高性的综合类试验，设计一些综合类的试验题目，巩固常规的试验和测试方法的同时，有助于学生更深刻的理解土力学与基础工程的理论。② 自主性的模型类试验。设计自主性的模型类试验题目，比如制作不同模型箱，模拟不同的地基(黏土或砂土)，测定其沉降、侧向变形以及强度等。 第一阶段提高性综合类测试小组的试验项目是在室外(野外)选一块场地(见图1)，让学生自主完成密度、渗透性、强度测试等地基基本特性，进而作出一个综合性评价。创新是多方面的，可以试验本身是创新的，或者试验手段是创新的，或者两者皆是创新的。该项目的特色主要体现在以下几个方面： 图1 试验场地的选择 (1) 从内容上讲，综合类测试试验小组要完成两个主项目和两个拓展项目。通过主项目的设计和实施，强化学生对理论知识点的深度掌握；通过拓展项目的开展和参与，提高学生对现场测试技术的广度理解。 (2) 具体实施形式。自主设计主试验项目的方案和详细的实施步骤，全面培养综合试验能力，小组成员合作性完成试验项目。表1所示为创新项目及内容更多的学生和后两类试验项目将在后续的土力学创新实验课程开展。 表1 已开展创新试验项目及内容序号试验类型试验名称试验目的1主试验灌砂法密度试验2拓展试验微型十字板试验3主试验双环法渗透试验4拓展试验地质雷达检测初探通过分项试验,完成对所选场地密度、渗透、强度等特性的测试,并兼以地质雷达检测地下管线等 (3) 从教学模式上讲，以学生为主、指导老师为辅。全面调动学生的参与感和积极性。即使试验结果可能没有到达预期的要求，也不影响创新性实验教学的效果。比如在进行拓展性试验时，原试验场地由于强度过高，微型十字板试验量程偏低，试验很难进行，学生就换到启真湖畔强度较低的淤泥土中进行(见图2)；通过试验过程中出现的各种问题的解决，创新思维和创新实施得以实现。 图2 拓展性试验-微型十字板剪切试验 从试验前期准备、试验实施以及试验数据处理与分析来看，前两个内容完成达到要求，而基于试验结果对这个试验场地的性能评定缺少系统性。这需要学生进一步深入分析试验结果并开展讨论。 从整个试验的设计思路来看，原位试验具有非常大的随机性，包括原位试验场地的不确定性、土体和地基本身的不均匀性、实验操作等会造成实验结果的误差。 2 第2阶段实验教学改革的难点 无论是在土力学教学还是在岩土工程科研中，土体的强度都是很重要的科学问题。在土力学及试验课程教学中，介绍了3种土体强度的室内测试方法：直剪试验、无侧限试验以及三轴剪切试验。该项目内容属于土体原位强度测试手段的室内试验研究，对学生掌握这一关键知识点是良好的拓展和有益的补充。 另一方面随着海洋工程建设的发展，海洋岩土工程逐渐成为学术研究和工程实践的热点[11-12]。其中，对海床性质的认识和测试则是海洋岩土工程中平台基础或管道设计的前提。T-bar是西澳大利亚大学Steward等[13]发明的一种新型土工测试设备，随着其不断发展和完善，目前已经成熟应用于室内土体强度测试和现场试验，成为海洋岩土工程原位试验中的主要手段之一。T-bar测试过程中，土体会完全流过T型触探头，这种“满流”的特点可以最大限度消除地应力对土体强度测试造成的影响[13-15]。 这一阶段试验的对象是模型槽(长宽高：15 m×1.2 m×1.5 m)内约50 cm海床，利用T-bar测试海床土体的强度(见图3)，考察应变率、含水量、循环次数对海床强度的耦合影响，为海洋结构的设计和动力分析提供科学依据。分4组学生，每周2个课外学时，测试不同固结时间的土体强度，以期得到含水量、扰动和应变率对土体不排水强度的影响。 (a) 制备土样 (b) 取土示意图 (c) Tbar示意图图3 模型槽内的土体强度测试 3 探究性实验教学模式实践的分析和总结 常规的土力学实验大多关注于室内的土工试验，原位测试技术甚少涉及，本科生课程《岩土工程勘察和原位测试技术》这门课之前也以参观和观摩为主，缺少学生动手环节。而对于探究性实验“岩土工程地基与基础测试技术创新实验”则是一次全新的尝试，经过本次探究性实验，教学组获得了一些常规实验教学中无法得到的经验，主要包括以下几个方面： (1) 实验项目的选取。探究性实验项目的选取是成功开展实验的前提条件，探究性实验是课堂实验的升级版，必须具备以下基本特征：① 应与本课程的前沿科技相衔接，只有这样才能激发学生的参与积极性；随着工程建设的不断推进，岩土工程的复杂性日益增加，在这种情况下，原位测试技术越来越受到重视，当学生了解其发展趋势，开展这样一项探究性试验是很有吸引力的。② 应契合传统土力学与岩土工程中的理论要点；选取土体强度的原位测试技术为重点，对学生掌握这一关键知识点是良好的拓展和有益的补充。③ 应具有一定的设计性和创新性，需要学生自己发挥主观能动性，探究性实验也具备了这样的特征。本次探究性实验项目不同阶段不同重点的选题，为项目的顺利开展奠定了良好的基础。 (2) 学生的选择激励与考核。除了探究性实验项目的选择至关重要外，学生作为实验的主体也是很关键的因素，在探究性实验的实施过程，为了保证足够的生源，实际上采取的方法是将探究性实验列为有相应奖励措施的选做实验项目之一，成绩作为课程总成绩的一部分，并给予一定的加分奖励。事实证明，这样的做法是可行的，能充分激发学生的积极性。 探究性实验采取的是全过程考核方式，从学生查阅资料开始，到完善试验方案，小组各成员间的分工，各实验工况的操作，实验数据的处理，完成实验报告。学生的每个实践环节的表现均会体现在最终的成绩中，虽然探究性实验在整个实验课程中的比重并不是很大，但这对于学生在整个过程中认真对待，真正融入到实验中是有好处的。 (3) 不足与展望。由于初次尝试，在探究性试验的开展中存在些不足：① 第1阶段中原位场地的不确定性和复杂性影响了试验结果和综合分析，第2阶段创新试验的主体更改为模型槽内均匀的海床土体，情况得到很大改善。② 在后续课程的创新试验开展中，如何协调大纲原有试验与创新试验的关系，尤其是时间上的分配至关重要。试验中，由于创新试验内容多，工况多，数据多，但分配的时间相对偏少，严重影响了学生后期的实验报告质量。③ 学生的参与积极性得到保障后，如何公平、公正和公开的确定参与学生是下次探究性试验开展中将面临的问题。④ 考核如何更加规范化、标准化和客观化，也是待提高的问题之一。⑤ 从学生上交的心得来看，建议增加题目的趣味性以及提高参与的比例。归纳的以上几点，在下次的创新试验教学中将给予重视和完善。总体来说，本次探究性实验取得了相当大的突破，在今后的探究性实验教学中，争取让本科生参与基础性的科研课题，真正让科研反哺教学。 4 结 语 从岩土工程原位测试技术实验教学的现状出发，针对课程特点，提出了岩土工程原位测试技术的阶段递进式教学模式和自主式创新实验题目设置并进行了实践。这种新型教学模式和创新实验题目的实施，能充分发挥学生的主动性以及好奇性，使教学的效果得到大幅提升。同时也为岩土工程原位测试技术成熟的教学体系形式和模式探寻提供良好的基础。 Tel.: ; 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