以科研促进“土力学”实验教学的改革与实践

来源:用户上传      作者:张俊然 姜彤 贾艳昌 潘旭威 王少凯

　　[摘 要] 随着土工试验技术的发展，传统试验仪器很难满足当前“土力学”实验教学的需要，因此开展以科研促进“土力学”实验教学的改革与实践显得非常必要。依托科研项目和省重点实验，将先进试验仪器和实验方法引入实验教学实践当中、将最新的科研成果融入实验课的理论教学中。通过近两年实验教学的实践，指导学生获批国家级、省级和校级的大学生创新实验项目4项和获得优秀毕业设计荣誉称号2项，指导学生发表科研论文7篇，编写实验手册9本，制作实验教学课件5项。既达到了教学目标，又拓宽了学生视野，并显著提高了学生的科研基本素质、创新思维能力和综合解决问题的能力。实现了科研反哺教学，达到了教研相长的效果。
　　[关键词] 土力学；实验教学；创新性实验；科研成果；毕业设计
　　[基金项目] 2019年度华北水利水电大学教育教学研究与改革项目“以科研促进‘土力学’实验教学改革与实践”（2019JYGG-060）；2020年度河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目“高吸力下考虑结构性影响的非饱和黄土水力力学特性研究”（2020GGJS-094）；2021年度河南省高等教育教学改革研究与实践项目（学位与研究生教育）“专业学位研究生校内质量保障体系建设研究与实践”（2021SJGLX075Y）
　　[作者简介] 张俊然（1984―），男，河南漯河人，博士，华北水利水电大学地球科学与工程学院副教授，硕士生导师，主要从事岩土工程方面教学与研究；姜 彤（1973―），男，浙江天台人，博士，华北水利水电大学地球科学与工程学院教授，博士生导师，主要从事岩土工程方面教学与研究；贾艳昌（1986―），男，河南平顶山人，博士，华北水利电大学地球科学与工程学院讲师，主要从事土力学方面的教学与研究。
　　[中图分类号] C229.29 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）02-0156-04 [收稿日期] 2021-09-01
　　“土力W”作为地质工程、土木工程等专业学生的专业基础课，是认知土体工程力学性质的一门技术核心课程[1]。由于土力学课程的特殊地位和作用，其中土力学的实验教学显得非常重要。土力学实验实践环节应具有可操作性、工程性，基本概念清晰，工程应用背景强，从而完善理论教学效果，提高学生主观能动性，培养创新思维和综合解决问题的能力[2，3]。但随着土工试验技术高速发展，传统试验仪器很难满足当前土力学实验教学的需要，因此开展以科研促进土力学实验教学的改革与实践显得非常必要。该论文依托科研项目和省重点实验，将先进试验仪器和创新性实验方法引入到土力学实验教学，将最新的科研成果融入实验课相关的理论教学等方面进行了实验教学的改革与实践，以便达到拓宽学生视野，提高学生的创新思维和综合解决问题能力的目的，实现科研反哺教学，达到了教研相长的效果。
　　一、先进试验仪器和创新性实验方法引入
　　笔者最近几年获得授权国家发明专利10项，均与创新性的实验方法及实验设备相关。将具有自主知识产权的创新性实验方法及仪器引入到实验教学中，可拓宽学生视野，同时掌握先进的实验技术。
　　（一）先进试验仪器和创新性实验方法引入的实践情况
　　1.先进试验仪器。先进的仪器主要有：Shear Trac-II全自动直剪和残余剪切试验系统，该系统有水平和垂直方向上的2个力传感器和2个位移传感器。与普通直剪仪相比，该系统具有自动采集数据、操作灵活、采集数据多和实验数据准确等优点。美国GCTS公司设计研发生产的动三轴试验仪，它可量测土体的动力特性参数，动剪切模量、阻尼比、动强度等。同时可加装为非饱和土动三轴试验。HUST型非饱和土三轴试验仪，是GDS公司开发的第三代产品。该仪器可进行吸力控制下的非饱和土三轴试验。最核心创新为采用了开敞式的双压力室和Wet-Wet压差传感器可实现精确量测非饱和土的体变。从试验仪器的不断研发创新历程，可激发学生的创新意识。微观结构测试所涉到仪器主要有：JSM-7500F场发射扫描电镜和AutoPoreV9600全自动压汞仪。可让学生从微观角度探讨土力学宏观现象的内在机理，培养学生的科研基本素质[4]。WP4C露点水势仪可量测土样的吸力，其测量原理为通过平衡样品的液相水和封闭样品室头部的气相水，测量样品室头部的蒸汽压来测量水势。Soil Moisture公司生产的压力板法，测量吸力范围0～1500kPa。联合运用WP4C仪和压力板可量测全吸力范围内土体的土水特征曲线，可扩展学生对非饱和土持水特性的认识。
　　2.创新性实验方法或改装的仪器。改装实验仪器主要有：非饱和土渗透仪，是由国产FSY30型非饱和三轴试验仪器改装成的。利用上下高进气值陶土板以及上下排水孔保证渗透试验的正常进行，通过提高或降低施加的气压力增加或减少试样的基质吸力，实现吸力的控制。
　　基于PIV系统设计了直接拉伸试验和劈裂试验装置，可研究土体抗拉强度特性，可为实际工程的设计和施工提供重要的试验数据和科学指导建议。基于PIV技术自行研发的直接拉伸试验装置需多人协作完成，因此可调动学生的主观能动性，对土体抗拉强度的直接测量和间接测量方法有了深入的了解[5]。
　　用全自动固结仪和Settle3D数值分析软件相结合来进行工程沉降固结分析[6]。其中Settle3D是一款新型的固结沉降分析软件，它可分析复杂模型和荷载工况引起的土体固结沉降。用物理实验和数值分析可激发学生的兴趣和主动性，提高学生解决工程实际问题的能力。
　　（二）先进试验仪器和创新性实验方法引入的实践效果
　　通过近两年的教学试验的实践教学，取得了效果案例具体如下。
　　1.2020年度河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目凝练的子课题，成功申报为2020年校级大学生创新实验项目，同时获批为2021国家级大学生创新实验计划项目。题目为：广吸力范围内豫西黄土直剪/残余剪试验研究。本课题主要研究广吸力范围内三门峡黄土的抗剪强度/残余强度，研究成果将对广吸力下疏松多孔结构的非饱和黄土在地质灾害问题防治等方面的研究具有重要的指导意义和实用价值。

nlc202204061015

转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-15427506.htm