摘要
技术的飞速发展和产业的不断变革为工程教育的改革提出了新的要求和挑战，也促进了新工科建设理念的生成。在土木工程领域人才的全过程培养进程中，教学与实践的有机结合可以实现激发学生创新思维、提升工程实践能力和培养专业综合素养。针对土力学课程教学中关于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，自主研发了一套微型三轴仪作为随堂教具并运用于教学实践，旨在优化教学模式、加强课堂互动。微型三轴仪体积小、重量轻、便于携带，可模拟实际三轴仪的固结、剪切和控制排水条件等功能，有助于学生掌握不同类型常规三轴压缩试验的关键操作步骤，直观地体会有效应力决定土的强度和变形特性，激发学生学习热情，培养综合实践能力，提升课堂教学效果。基于理论知识掌握与实践能力提升的导向，对岩土工程教育过程中的理论和实验教学改革进行了探索与实践。以教学促进实践，以开发促进研究，打通了不同阶段的专业知识衔接，通过仪器研制和课堂反馈夯实专业理论知识，构建了本研学生协同联动的实践型教学模式，探讨了微型设备类教具在研发过程中的难点，实现了专业能力高、创新思维强的人才培养。
当今社会正处于技术飞速发展、产业不断变革的时代，充满了机遇与挑战，为高等院校的人才培养提出了更高要求。为了主动迎接这一轮科技革命及随之而来的产业升级，教育部积极推进新工科建设工作，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南
随着土木工程领域的不断发展和创新，行业对于科技人员的专业知识和创新实践能力要求越来越高，各高校积极实施“卓越工程师培养计划”，强调将课程教学链与实践培养链有机融合，注重对学生创新实践能力的培
作为土力学教学中最重要的土工试验之一，常规三轴压缩试验（简称“三轴试验”）内容对学生掌握土的强度理论和有效应力原理至关重
对此，笔者组织土工测试相关科研方向的研究生和正在学习三轴试验相关知识的本科生，通过本研结合的实践型教学模式，共同研发了一种手提式微型土工三轴仪教具，以便能够在课堂教学中讲解和演示三轴试验，让学生直观地了解试样制备、加压固结、加载剪切和排水条件控制等过程，更好地理解不固结不排水、固结不排水和固结排水三轴试验的异同。通过对不同有效应力条件下砂土试样的软硬程度和抗剪强度进行对比，学生能直观地理解有效应力决定土体强度和变形特性这一重要概念，帮助学生更好地理解和掌握有效应力原
图1 三轴试验实践型教学模式执行框架关系
常规三轴压缩试验是一种室内测定土的抗剪强度的重要手段，也是岩土工程本科教学阶段的重点内容。掌握三轴试验相关的知识点对于学生的专业课程理解、工程实践认识及从事相关工作有着深远的影响。测试时通常采用3-4个圆柱形试样，分别设置不同的周围压力，得到土样的抗剪强度，再通过莫尔-库伦破坏准则确定土的抗剪强度参数。试验过程中，土样首先受到设备施加的周围压力σ3，并使其保持不变，再施加竖向压力并逐渐增大，直至试件受剪破坏。当试件上施加的竖向压应力（也称偏应力）为Δσ1时，试件上的小主应力即σ3，大主应力为：
| σ1 = σ3 + Δσ1 | （1） |
根据土的极限平衡条件，达到极限平衡状态时，大主应力与小主应力的关系为：
| σ1 = σ3 ta | （2） |
| σ3 = σ1 ta | （3） |
根据试验在固结和剪切过程中的排水条件，三轴试验可以分为以下三种：（1）不固结不排水剪（UU）试验，即在施加固结围压和偏应力的过程中均不允许排水，孔隙水压力无法消散，可以测得总应力抗剪强度指标cu，φu；（2）固结不排水剪（CU）试验，即施加周围压力时允许试样充分排水，在受剪过程中同时测定试样中的孔隙水压力，可以得到土的总应力抗剪强度指标ccu，φcu，以及有效应力抗剪强度指标c’，φ’；（3）固结排水剪（CD）试验，即施加周围压力和施加偏应力的过程中均将试验的排水阀门打开，使试样中的孔隙水压力充分消散，可以测得有效应力抗剪强度指标cd，φd。试验结果可以表示为：
| τf = c + σ tanφ | （4） |
式中，c为总应力法表示的黏聚力，φ为总应力法表示的内摩擦角，二者统称为总应力抗剪强度指标。
根据有效应力原理，土中某点的总应力σ等于有效应力σ’与孔隙水压力u之和，即：
| σ = σ’ + u | （5） |
因此，试验结果采用有效应力表示时为：
| τf = c’ + （σ - u） tanφ’ | （6） |
可以看出，上述不同过程涉及的概念较多，操作过程存在差别，测试结果表征的物理含义也存在区别，使得在理论教学过程中容易造成学生概念混淆、过程不明和认识模糊。试验中所使用的土工三轴仪主要由压力室、围压加载系统、轴压加载系统、测量系统等部分组
（1）三轴仪价格昂贵，占地空间大。高校实验室的三轴仪一般数量有限，且主要用于开展科研工作，难以满足教学过程中众多学生实践操作的需求，且任课教师难以对学生的学习掌握情况进行考核。
（2）三轴仪的体积较大、自身较重，不便于携带。教师无法将三轴仪带入土力学理论教学课堂，加上设备结构复杂，导致课堂理论教学与实验教学割裂，教学效果较差。
（3）三轴试验操作复杂，试验周期长。土力学课程课时有限，学生只能通过教师试验操作演示来进行粗浅的观察和学习，且无法亲自操作三轴仪。教学内容较枯燥，学生学习积极性较低。
以上问题导致了学生无法有效掌握三轴试验的原理、操作及其运行过程，难以理解有效应力原理。课程考核结果表明，学生对三轴试验原理的学习效果较差，不利于对其后续土力学相关的知识学习和科学研究。
为提升常规三轴压缩试验的教学效果，使任课教师在土力学理论教学课堂中能较为形象地演示三轴试验过程，笔者针对土力学的教学需要，尝试将传统土工三轴仪进行缩尺和简化，通过指导课题组研究生参与设备研发的实践环节，研制出一款手提式微型土工三轴仪，其基本构造及连接方式如
图2 手提式微型土工三轴仪教具的基本构造
蜗轮蜗杆箱和活动加载头之间为压力室（
图3 压力室的剖面结构示意图
在教具微型化设计的过程中存在诸多难题，既要完成传统三轴仪的大幅缩放，又应保留其完备的试验和演示功能。从事岩土工程测试方向的硕士研究生在回顾本科知识点的基础上，结合自身开展测试研究的经验，确定了以压力室作为主要的研发对象。在设备开发过程中，研究生与本科生保持密切沟通，确保对微型三轴仪的各环节展示清晰易懂，同时也强化了本科生对设备细节、测试原理的认识。最终开发完成的三轴仪可开展三轴不固结不排水（UU）、固结不排水（CU）、固结排水（CD）等试验的模拟演示。以固结排水试验为例，该装置使用的主要操作步骤如下：
（1）土样制备。将土样套好橡皮膜、橡皮圈等部件，打开压力室并放置土样、透水石、滤纸，完成装样过程。
（2）施加围压，固结排水。打开球阀1，向压力室充入压缩气体或液体，打开压力控制泵对土样施加围压，同时打开球阀2和3，即土样固结排水过程（若关闭球阀2和3，即可模拟不排水条件）。
（3）施加轴压。土样固结完成后，缓慢转动手轮，抬升底座，对试样施加轴压。其中，外置式数显压力计所显示的力，则为土样的偏应力。
（4）改变围压。调整施加的围压值，重复上述步骤（1）—（3），即可得到不同围压下土样破坏时所施加的最大竖向轴力值。
（5）绘制曲线。根据不同围压值对应的最大偏应力，绘制莫尔应力圆曲线，可得到土的抗剪强度指标。
特别要指出的是：在课程教学环节中借助TJ-MTX-1三轴仪在课程教学环节中还可以让学生直观地感受有效应力原理的重要意义，即有效应力决定了土体的强度和变形特性。具体实施过程为：
（1）采用砂土试样，关闭球阀2，利用微型真空泵通过球阀3向试样分阶段施加负压（即有效应力）10 kPa、40 kPa和80 kPa。
（2）学生可用手指感受不同有效应力下试样的软硬程度（试样的软硬程度可定性地反映土样的强度和模量大小），学生可切身体会到有效应力对土体强度和变形特性的作用。
（3）进一步开展不用有效应力作用下的固结排水三轴试验，以真实展示三轴试验中试样的破坏面和不同有效应力下的抗剪强度。
经过课堂实验演示，微型土工三轴仪能完整模拟土工三轴试验中制样、固结、剪切等关键步骤，并能让学生直接动手模拟不同类型的三轴试验。对班级52名学生进行课堂效果问卷调查，具体分析结果见
图5 微型土工三轴仪对课堂教学效果
针对土力学课程中关于土工测试这一重要环节存在的问题，自主研发了微型三轴仪，开展了本研协同的实践型教学活动。从多个角度联动了土力学关于三轴试验这部分内容的教学、试验与实践环节，优化了教学模式、加强了课堂互动，让学生更好地掌握三轴试验的测试方法和流程，更加直观形象地理解有效应力原理，加深了对土力学课程内涵的理解。从试验效果来看，TJ-MTX-1三轴仪设计合理，能很好地实现不固结不排水（UU）、固结不排水（CU）、固结排水（CD）三轴试验的模拟演示，可应用于土力学课程中三轴试验相关的教学工作。与传统土工三轴仪相比，TJ-MTX-1三轴仪体积小、重量轻、操作简便，可方便携带进入教室，配合课堂三轴试验的教学，能直观模拟和演示各类三轴试验，使学生能够现场了解三轴试验的原理及过程，提升学生课堂参与感和动手实践能力。该三轴仪能让学生亲身感受到不同有效应力条件下土样的软硬程度，直观体会有效应力对土的强度和变形特性的影响，加强学生对有效应力原理的掌握和理解，有效地提升了课堂教学效果。未来将进一步针对课程教学中存在的问题，持续开发一系列土工教学仪器，加强理论学习与试验实践之间的密切联系，以加深理论与实践培养、提升学生综合素质为目标，满足新工科建设的培养要求，为卓越工程师的培养打下良好基础。
参考文献
孙峻.“新工科”土木工程人才创新能力培养［J］.高等建筑教育，2018，27（2）：5-9. [百度学术]
林峰，顾祥林，何敏娟.现代土木工程特点与土木工程专业人才的培养模式［J］.高等建筑教育，2006（1）：26-28. [百度学术]
陆国栋，李拓宇.新工科建设与发展的路径思考［J］.高等工程教育研究，2017（3）：20-26. [百度学术]
陈以一.协同性、开放式、立体化的卓越工程师教育培养体系的构建［J］.高等工程教育研究，2013（6）：62-67. [百度学术]
傅旭东，徐礼华，杜新喜，等.土木工程卓越工程师培养方案探索与实践［J］.高等建筑教育，2014，23（3）：17-21. [百度学术]
梁发云，王琛，钱建固.岩土工程全过程课程设计教学改革探索与实践［J］.高等建筑教育，2019，28（6）：70-76. [百度学术]
曹培，张陈蓉，钱建固.土力学虚拟三轴实验教学平台的开发及应用［J］.实验技术与管理，2021，38（1）：127-130. [百度学术]
李君菡，沈超，李卫超，等.基于CFD的局部水头损失虚拟仿真实验［J］. 实验室研究与探索，2022，41（2）：164-167，269. [百度学术]
沈超，王琛，付小莉，等.“新工科”背景下港航专业实验教学仿真的探索与实践——以“桩基冲刷实验”为例［J］.实验技术与管理，2021，38（2）：122-126. [百度学术]
梁发云，邓航，姚笑青，等.模拟分层饱和土渗流固结的教学实验装置研制［J］.实验技术与管理，2017，34（4）： 78-81. [百度学术]
李广信，吕禾，张建红.土力学课程中的实践教学［J］.实验技术与管理，2006，23（12）：13-14，23. [百度学术]
杨期君，陈秋南，贺建清，等.应用型本科院校土力学课程教学实践反思与改革探索［J］.当代教育理论与实践， 2018，10（4）：44-47. [百度学术]
金亮星，郑国勇.基于土木工程专业创新型人才培养的土力学课程教学改革与实践［J］.高等建筑教育，2019，28（2）：53-57. [百度学术]
高磊，龚云皓，宋涵韬.土力学实验教学中存在的问题与改革建议［J］.实验技术与管理，2017，34（7）：200-202，206. [百度学术]
余明东.基于工程应用的土力学课程教学改革与实践［J］.高等建筑教育，2015，24（5）：56-59. [百度学术]
钱建固，袁聚云，赵春风.土质学与土力学［M］.5版.北京：人民交通出版社，2015. [百度学术]
袁聚云，张陈蓉，钱建固.土工试验指导书［M］.北京：人民交通出版社，2015. [百度学术]
李广信.高等土力学［M］.北京：清华大学出版社，2004. [百度学术]