新工科背景下土力学渗透实验的教学改革

［摘 要］ 技术的飞速发展和产业的不断变革对工程教育改革提出了新的要求和挑战，促进了新工科建设理念的生成。在工程力学领域人才的培养进程中，理论教学与实践教学的结合可以激发学生的创新思维，培养其力学专业素养，提升工程实践能力。针对“土力学”课程教学中土工测试环节存在的问题，组织相关科研方向的研究生和正在学习该知识点的本科生，自主研发了一套广度量数字化渗透仪作为实验教具并运用于教学实践，旨在优化教学模式、提升教学效果以及培养学生的综合实践能力。

［关键词］ 新工科；土力学；工程实践能力；自主研发；广度量数字化渗透仪

［基金项目］ 2024年度国家自然科学基金“压剪应力作用下多形态粗糙裂隙岩体水力耦合特性与机理研究”（12402482）

［作者简介］ 杨天娇（1993—），女（满族），辽宁锦州人，博士，南京工业大学数理科学学院讲师，主要从事岩土力学研究；宋林辉（1980—），男，江西高安人，博士，南京工业大学数理科学学院教授（通信作者），主要从事岩土力学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）47-0057-04 ［收稿日期］ 2024-01-16

2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”［1-2］，致力于探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设，建成世界工程创新中心和人才高地［3］。南京工业大学工程力学系课题组根据新工科建设的基本理念，积极融入沪苏浙皖长三角地区创新发展体系，主动适应区域经济和社会发展的需求，对“土力学”实验教学课程进行了教学改革尝试，为工程力学学科课程建设发展提供了借鉴。

“土力学”是工程力学学科课程教学体系中重要的专业基础课程，该课程主要研究土体的变形、强度和渗透特性等内容［4］。土力学实验则是“土力学”教学中不可或缺的实践教学环节。作为连接土力学基本理论与工程应用的桥梁，土力学实验教学的开展既可以加强学生对土力学基本原理的深入理解和掌握，又能丰富学生对土体物理和力学特性的感性认识，还可以培养学生的实践动手能力，激发学生的创新意识和创新思维，有利于培养学生的工程意识和综合素质，是工程力学教育中必不可少的组成部分［5］。其中渗透性实验是“土力学”课程教学的重要组成部分，教学大纲要求掌握渗透实验方法，并应用渗透仪对土体渗透系数进行测定［6］。

渗透系数是指单位水力梯度作用下水的渗透流速，它是衡量土体渗透性能的一个重要物理力学指标，是用来估计天然地基、高填路基及土坝的渗透稳定性，分析地基沉降速率，以及人工降低地下水位，给排水设计，地基加固设计等必需的基本参数［7］。因此，掌握渗透实验相关的知识点对于学生理解专业课程、认识工程实践及从事相关工作有深远的影响。

一、明确问题：传统渗透实验教学的局限性

常规渗透实验是一种室内测定土的渗透系数的重要手段，也是工程力学本科教学阶段的重点内容。依其原理分为两大类［8］：（1）常水头法，是指在整个实验过程中保持土样两端水头不变的渗透实验，适用于透水性较大的粗粒土；（2）变水头法，是指在实验过程中土样两端水头随时间变化的渗透实验，适用于透水性较小的细粒土。常规室内渗透实验在教学环节中主要存在以下三方面局限。

1.采用量筒测量渗流量，不仅数据采集单一，而且需要学生记录数据，既难以满足教学过程中众多学生实践操作的需求，任课教师也难以对学生的掌握情况进行考核，极大地影响了教学时间。

2.由于施加的水头压力较小，测量周期较长，而“土力学”课程课时有限，学生只能通过教师实验操作演示进行粗浅的观察和学习，从而导致教学内容较枯燥，学生学习积极性较低。

3.我国长江三角洲等经济发达地区广泛分布着深厚黏土层，黏土地基承载着大量的摩天大楼、高速铁路、高速公路、机场、大坝等建筑物。经验表明，该地区黏土厚度一般在15～50米，部分地区达100米，具有透水性差、固结过程缓慢等特点，而采用传统的渗透实验装置并不能对高固结压力下的低渗透性黏土进行渗透实验。因此，不利于学生将渗透实验与工程实际紧密结合，导致实验教学与实际工程割裂，教学效果较差。

以上问题导致了学生无法有效掌握渗透实验的原理及操作，不利于后续土力学相关的知识学习和科学研究，更不利于学生今后从事工程力学相关设计和科研工作。

二、确定对象：广度量数字化渗透仪

为提升渗透实验的教学效果，使任课教师在土力学教学中能更为形象地演示渗透实验过程，课题组设计并研发了广度量数字化渗透仪实验设备，最终形成实践型教学培养模式。

课题组研发的广度量数字化渗透仪装置包括三个部分：加压部分、渗流实验部分和数据记录部分。加压装置为储气罐和储水罐；渗流部分主要为TST-55渗透仪；记录装置包括数字压力表、压力传感器与数显仪，如图1所示，具体介绍如下。

1.储气罐与储水罐相连，中间管道安装一阀门，储气罐的气压大小可以通过气泵来控制，然后气压影响水压，从而通过控制气压的大小间接控制水压的大小，以气压代替水头高度提升的压力，这样不仅可以避免要不断提升水位高度而带来的实验麻烦，而且可以较好地保障水头压力长时间保持恒定，同时可以一定程度上提升水头高度。

2.渗透仪为TST-55型渗透仪器，该渗透仪中包括加压螺杆、透水板、环刀、密封圈、底座等。

3.渗透仪中采用自下而上的渗流方法对土样进行渗透实验，渗透仪的出水管中渗流出的水流入塑料小桶中，而塑料小桶悬挂于一个压力传感器上，压力传感器与数显仪相连，这样数显仪在开启后，就可以数字化地采集渗水量，使得数据采集变得十分快捷和方便，从数显仪中拷取数据便能轻松进行数据分析。

三、研发实践：攻克设备的技术难点

在教具设计研发的过程中解决了诸多难题，首先达到了对土样施加较高的渗透压力的实验要求，从而实现了0～60米水头下黏性土体的渗透实验，有效将渗透实验与工程实际紧密结合，培养学生运用所学知识分析、解决工程问题的能力；其次，采用压力传感器与数显仪相连，可以对实验数据进行数字化监测，从而可以达到精确记录实验结果的目的，提高了课堂教学质量。

课题组研发的广度量数字化渗透仪可开展不同固结压力下土壤在不同渗透压力下的渗透实验。以pc=100 kPa和pc=200 kPa两种固结压力下砂姜黏土土样为例，该装置使用的主要操作步骤如下。

1.固结土样的制备。本实验砂姜黏土土样从徐州施工现场地下约40米处获取，通过保鲜膜密封处理运回实验室，然后将黏土进行晾晒干燥、破碎处理后，填入盛土桶中。盛土桶由三部分组成：筒体、盖板和底座。在盖板顶部上有一加压杆，用来施加所需土体的固结压力，从而制备不同固结压力下的砂姜黏土试样。

2.固结土样的饱和处理及装样。待试样充分饱和后，将其从饱和器中取出，放置环刀试样及滤纸后，放置透水石与橡胶圈，最后旋紧渗透仪上方旋盘使其完全贴合，达到不漏水、不漏气的状态后，即可开始实验。

3.渗透水压的施加。将储气罐与气泵接通，向储气罐中加入一定气压，使得储水罐中有一定水压（0～5 kPa即可），打开①进水管的阀门（如图1所示），同时打开②排气管的阀门，将管道中的气体排出，待②排气管中没有气泡再冒出，认为底部和管中空气已经排净，此时关闭②排气管的阀门，对其施加相应的第一级水压，打开气泵开关，待水压达到指定数值后，观测③出水管中是否有出水现象，待其有稳定渗流状况出现后，将其接入管道。

4.渗流量的测定。渗流的水会顺着管道流入塑料小桶当中，而塑料小桶挂在压力传感器上，传感器与数显仪相连，可自动记录相应时间对应的渗流量。

5.渗透水压的逐级施加。每隔相同时间，加载下一级水压；当其所有级数水压的渗透实验均做完后，该组实验完成。

6.绘制曲线。根据常水头法可计算出土样的渗透系数，从而绘制出各级水压下砂姜黏土的渗透系数，如图2所示。

特别要指出的是，在实验教学环节中借助研发的渗透仪还可以让学生直观地感受到土样渗透系数的影响因素，如固结压力为100 kPa与固结压力为200 kPa的砂姜黏土试样，其渗透系数均是随着水压的增加而增加。通过此实验设备的研发及对实验结果的分析，既加强了学生对土力学基本理论的理解，极大地提升了教学效果，又培养了其实践能力、分析问题能力，提高了工程素养。

四、教学实践：回归土力学教学的课程需求

广度量数字化渗透仪能完整模拟土工渗透实验中制样、固结、渗流等关键步骤，并能让学生直接动手操作不同渗透压力及不同固结压力下土体的渗透实验，构建了综合性、设计性、创新性的土力学实验教学新途径。

对班级58名学生进行课堂效果调查，从与学生的交流中不难发现，多数学生认为对渗透理论知识和传统渗透实验内容学习存在难度。相比传统课堂教学中采用PPT、板书等手段，结合室内实验，对学生对该部分内容的理解和学习效果提升有很大帮助。对于参与教学设备的研发环节，能够让本科阶段学生认识到该知识点在科学研究中的重要性，并与研究生建立较好的交流平台，使其对自身的学习生活和以后的职业发展规划有了更深的理解。学生通过积极参与实践性活动，普遍对类似实验设备的研发充满期待，对本科阶段实践教学及学生兴趣培养起到了良好的启发作用。

此外，“土力学”是一门与工程实践密切相关的课程，土体的渗透特性影响着实际岩土工程的稳定性。因此，必须深刻理解渗流理论知识，并善于将其应用到实际工程中，才能迅速评估引起灾害的原因，进而提出切实可行的防灾减灾方法。但是在当前的“土力学”课程中，理论教学与实际工程的结合度很低，导致学生难以将课本所学知识应用到实际工程案例中。

因此，通过自主研发的广度量数字化渗透仪实验装置可提高学生的实践水平，让学生把理论知识转变为可用于工程实践的能力，培养学生解决实际工程问题的意识。例如，研究不同渗透压力及不同固结压力下黏土渗透系数的变化，并对其渗透特性曲线进行拟合，可以得到能够良好预测黏土渗透特性的经验公式，从而为高速铁路、公路、大坝等实际工程的安全性提供理论指导。

结语

课题组自主研发了一套广度量数字化渗透仪实验装置，通过设计储气罐和储水罐相连来对土样施加大范围的渗透压力；采用压力传感器与数显仪相连，对渗水量进行数字化监测，从而能够良好预测不同固结压力下土样在不同渗透压力下的渗透特性。利用该设备，既可以指导本科生完成毕业论文及创新创业训练计划项目，也可以指导研究生开展土体渗透相关的科研项目，打造“人人皆学、时时可学”的实验平台，有助于实现高校“以生为本、以本为本”的育人模式，拓宽学生求知空间和学术视野，提高自主学习能力，增强实验创新意识，满足工程力学、岩土工程、水利工程等不同领域多层次、多样化的人才需求。

参考文献

［1］夏娜，万家山，杜华争，等.一种递进式新工科创新人才培养体系探索［J］.高教学刊，2023，9（35）：35-38.

［2］刘斌，江春冬，董砚，等.新工科背景下协同育人平台的搭建探索［J］.文化创新比较研究，2021，5（34）：105-108.

［3］顾晓强，刘文倩，王琛，等.新工科背景下岩土工程本研协同的实践型教学：以微型三轴仪的研发为例［J］.高等建筑教育，2023，32（6）：61-68.

［4］郝冬雪，陈榕，高宇聪，等.土力学课程教学过程化考核的实践与探索［J］.高等建筑教育，2016，25（1）：105-108.

［5］王宇，陈从建，钱声源，等.可视化渗透破坏实验装置研发及土力学实践探索［J］.力学与实践，2023，45（1）：193-199.