澳大利亚纽卡斯尔大学岩土力学教学大纲特色

摘 要：介绍了澳大利亚纽卡斯尔大学岩土力学教学大纲,对教学目的、教学内容、先修课程及教学方法、考核方式等内容进行了重点阐述,从教学内容的新颖性、计算机应用的广泛性、实验教学的深入性等三个方面对其教学大纲的特色进行了分析.

关 键 词 ：岩土力学 本科教学 教学大纲

引 言

岩土力学（Geomechanics）是土木工程、水利工程以及交通工程等工程学科中一门重要的专业基础课[1].在使学生获得有关岩土力学学科的基本理论、基本知识的和基本技能的同时,岩土力学课程还将为后续课程（如地基基础与地基处理、岩土工程设计、地下空间开发等专业课程）提供岩土力学基本知识,也为从事岩土科学技术的专门研究奠定必要的理论基础.教学大纲是教师编写教案以及教学的主要依据,同时也是检查和评定学生学业成绩和衡量教师教学质量的重要标准,其在整个课程体系建设及教学质量评价中都占据极为重要的地位[2].本文第一作者曾在澳大利亚纽卡斯尔大学（The University of Newcastle, Australian,简称UoN）从事博士后研究,第二作者也曾作为访问教授在纽卡斯尔大学从事合作研究,有机会学习了该校在岩土力学课程教学大纲编制上的特色.[1]

本文首先介绍了纽卡斯尔大学岩土力学教学大纲,对教学目的、教学内容、先修课程及教学方法、考核方式等内容进行了重点阐述.随后,从教学内容的新颖性、计算机应用的广泛性、实验教学的深入性等三个方面对其教学大纲的特色进行了分析,并对我国岩土力学的教学大纲修订提出了借鉴意见.[2]

一、 UoN本科岩土力学教学大纲简介

1.1 教学目的

岩土力学-1的教学目的：从工程角度识别和理解土和岩石的物理、化学特性；理解工程地质的基本概念,并了解如何将其应用到土木工程实践中；理解有效应力原理及其在岩土力学和岩土工程设计中的应用；掌握利用达西定律和渗流理论计算水在饱和土体中的流速；理解软土的一维固结理论；掌握对土中应力及变形特性的评价,并能引入沉降和固结的概念；掌握利用室内和现场试验对土和岩石的基本特性进行阐述的能力；

岩土力学-2教学目的：理解摩擦性材料的摩尔-库伦破坏准则及其在岩土工程设计中的应用；理解土体的抗剪强度及强度参数；初步了解临界状态岩土力学理论；应用强度破坏准则来分析条形基础、垫式基础、重力式挡土墙以及边坡稳定性；通过室内试验进一步加强对土体强度的认识和理解.[3]

1.2 教学内容

作为岩土力学和岩土工程的入门课程,岩土力学-1的主要教学内容包括：土和岩石的物理特性及分类方法；土和岩石的指标特性；岩体的性质；岩石的结构；场地测绘；土的分类；风化作用；粘土的胶结作用；土壤化学；土体内部的毛细作用、渗流及流网；有效应力原理；土体的沉降、固结及压实.

岩土力学-2的主要教学内容则包括：强度准则；应用有效应力原理对土或岩石的强度特性进行评估；土体的摩尔-库伦强度理论；土体的抗剪强度；临界状态岩土力学；基础及地下连续墙的设计；土的抗震性能；边坡稳定性.

1.3 先修课程及教学方法

岩土力学-1的先修课程为工程力学基础和材料力学,其教学方法主要包括课堂讲授、室内试验及现场试验.岩土力学-2则是在岩土力学-1的基础上开设,与岩土力学-1相比,其教学方法中增加了课后辅导的环节,通过选聘优秀的博士研究生担任课程助教,提高对学生答疑的数量和质量.

1.4 考核方式

岩土力学-1的成绩评定主要包括：课后大作业,即在整个教学过程中,要求学生完成3个关于岩土力学计算方面的大作业；室内试验的平时考核,即在每一节室内试验课上,对每一个学生的实验表现进行成绩评定；室内试验的期末考试,即在学期末要求学生能够独立完成主要土工试验的操作；现场试验报告,即在学期中开展的现场勘察与试验后,对学生完成的现场试验报告进行评价；期终考试,以闭卷形式进行,题型多样,全面考察学生对岩土力学-1课程中核心知识的掌握和理解.

相对而言,岩土力学-2的考核方式较为简单,包括室内试验报告和期终考试两部分,其中期终考试仍以闭卷形式进行.

二、UoN本科岩土力学教学大纲特色分析

2.1 教学内容新颖

纽卡斯尔大学岩土力学课程在重视基础知识讲授的同时,还对学科前沿知识进行介绍,其中最突出的表现就是对临界状态土力学的讲授.作为现代土力学的基石,土的临界状态理论和剑桥模型由土力学中著名的剑桥学派提出并建立,其提供了一个统一的理论框架用于描述和预测土的变形和破坏行为,将土的弹性和塑性变形及土的强度有机地联系起来,建立了土的最基本的关系,即土的本构关系.临界状态的概念最早由Roscoe等于1958年[3]提出,随后,原始剑桥模型[4]于1963年建立,并在1968年建立了修正剑桥模型[5].土的临界状态及剑桥模型,为现代土力学的诞生和发展奠定了基础.然而,在我国的本科岩土力学教学内容中,这一部分的内容则很少被提及,仅有极个别土力学教材单列篇章进行详细介绍[6].因此,在今后的教学过程中,应加强对土的临界状态及剑桥模型的讲授,强化学生对土的本质特征的了解.

在讲授土的组成、结构及基本力学特性时,纽卡斯尔大学还对非饱和土力学做一些简单介绍.作为当前国际岩土力学界的一大研究热点问题,非饱和土力学近年来受到越来越多研究者的关注.而我国对非饱和土的研究起步相对较晚,目前尚未有独立的教材,在岩土力学的教学过程中也很少涉及.但随着理论研究的深入和实际工程的需要,非饱和土力学的重要性逐渐被相关教学工作者认识并接受.在今后的教学过程中,应逐步引入对非饱和土力学中一些基本概念的介绍.

此外,纽卡斯尔大学的岩土力学课程还包括了关于土壤化学的内容.近些年来,随着环境问题的日益突出,环境岩土问题也备受关注,例如城市垃圾填埋场建设与安全运营、高放核废料地质储存等工程中,都涉及到土壤化学的内容.岩土力学的教学也应紧跟科学和工程发展的前沿,将该部分内容逐渐纳入到教学内容中. 2.2 重视计算机的应用

纽卡斯尔大学土木工程系建有澳大利亚岩土科学与工程国家研究中心（CGSE）,其在计算岩土力学领域的研究一直处于世界领先水平.在岩土力学的教学环节中,纽卡斯尔大学也非常重视介绍计算机在岩土力学中的应用,鼓励学生尝试使用商业计算机软件或者开放的计算机程序进行一些土力学问题的计算.通过计算机强大的计算能力与传统经验公式计算的对比,激发学生的学习热情和科研兴趣,为他们以后进一步深造奠定基础.此外,在进行土力学室内试验教学时,纽卡斯尔大学还鼓励学生通过自行开发计算机控制程序,来对试验过程进行计算机控制,例如通过计算机程序实现对试验中材料特性、初始条件、边界条件以及应力路径的设定与控制.[4]

反观我国当今的土力学教材及教学内容,大都基于经验公式进行计算,对计算机在岩土力学中的应用介绍较少,在计算机快速发展的当今社会,应鼓励学生使用计算机来解决一些土力学中的问题.[5]

2.3 实验教学比重大

岩土工程是一门实践性很强的学科,各种试验测试占据重要地位.在岩土力学课程中,无论是室内试验还是现场试验,都是整个课程体系建设的重要组成部分. 纽卡斯尔大学的岩土力学课程教学大纲中,实验教学占有相当大的比重,其中室内试验涵盖了基本的土工试验.在教学手段上,室内试验实行小班教学,并由相关专业的博士研究生担任助教,在实验演示完毕后,每位学生都需要进行独立地操作,并且由助教对每位学生的表现进行打分,作为该门课程期末成绩的组成部分.在学期期末,还将针对室内试验部分进行专门的考试,考查学生对试验的掌握及动手操作能力,其成绩也将在期末总成绩中占有一定的比重.除了室内试验之外,纽卡斯尔大学的岩土力学教学大纲中还设置了现场试验环节,组织学生到现场开展土力学现场试验,从而增强学生对土性的认识以及对土的工程应用的了解.现场试验教学环节之后,每位学生都要求完成相应的实验报告,报告的完成质量与得分也将作为期末成绩的组成部分.[6]

三、结语

本文介绍了澳大利亚纽卡斯尔大学的本科岩土力学教学大纲,从教学目的、教学内容、先修课程及教学方法、考核方式等方面对其进行了阐述.基于此,对其对其教学大纲的特色进行了分析,着重探讨了其教学内容上的新颖性、计算机在教学中应用程度高以及实验教学比重大等几方面的特点.通过本文的阐述与分析,可为我国岩土力学的教学提供一些借鉴：（1）教学内容在重视基础知识的同时,应紧跟学科发展的前沿,引入学科热点问题；（2）逐步提高计算机在教学中的应用程度,通过使用计算机解决土力学问题,来启发学生的思维、增强学生的学习兴趣；（3）加强实验教学环节,不断培养、提高学生独立的动手实验能力,并注重对实验结果的分析和讨论.