探索地工領域成果展示

在本學期「探索地工領域」的深碗課程中，探索地工領域共分配到6小時的上課時數，教學的目的是讓學生了解地工領域的內容與重要性，藉由山坡地開發探討找出應考慮的各種影響因子與問題。最後再由同學對所規劃的山坡地開發為例，引導出大地工程的內容與所需要的相關知識。

本學期的探索地工領域共分成六個主要單元: 土壤基本性質、微分方程、土壤力學性質、土壤力學應用、土壤力學試驗、工程軟體應用。為了讓同學更清楚了解教學的目的，授課教師先向同學詳細說明課程的學習成效評量尺規，讓同學可以清楚理解個單元中必須學會的技能。

課程首先由山坡地開發探討讓學生能嘗試自己規劃山坡地開發方案，以瞭解真實開發案可能面臨之各種地工之問題與解決的方法。課堂也讓同學分組討論並進行簡報，並針對撿到內容進行評比。

接這進行各單元課程，在A1單元為土壤基本性質。其內容包含土壤之物理性質與相關指數，了解些性質後再進行土壤之分類 。最後在探討實驗室與現地土壤之夯實及其物理性質之改變。為了讓同學能確實認識與了解上課所介紹之內容，老師會先解紹理論，再給案例讓同學去計算土壤之物理性質最後再進行土壤分類，最後再討論分析的結果。最後亦會依所訂的學習成效評量尺規檢測學生學習成果。

A2單元為土壤的夯實，其內容包含土壤之室內與室外夯實，讓學生了解夯實的原理與相關物理性質之計算。藉由室內與室外工地密度試驗資料進行演算使學生了解夯實在工程的重要性與應用。最後亦會由隨堂測驗檢測學生學習成果。

F1單元為有限元素分析，其內容包含數值方法的簡介與有限元素法。首先介紹數值方法之概念與理論，然後讓學生進行數值方法的演練。使學生由做中學習體會數值方法的內涵與重要性。最後再介紹電腦軟體在地工領域之分析與應用，並讓同下載為此課程所購買的PLAXIS v20 二維有限元素分析程式，並介紹此電腦軟體的功能與使用方法。

F2單元為有限元素分析，其內容包含為了讓同學了解PLAXIS v20 二維有限元素分析程式在地工領域之分析與應用，並使用PLAXIS v20 二維有限元素分析程式進行基礎與邊坡及深開挖之分析。PLAXIS可用於分析土壤及岩石之深開挖支撐、加勁擋土牆、地錨、土釘、基樁、連續壁、RC 擋土牆、隧道等多種地工常用結構物，是目前常用於地工領域之分析與設軟體。首先為軟體在地工上之應用與實作練習，再給以作業，最後亦會所訂的學習成效評量尺規檢測學生學習成果。學生亦在此週準備開挖模擬分析的專題報告。

在F3單元為開挖模擬分析，其內容包是讓同學使用PLAXIS軟體於深開挖之分析與應用。同學們以組別為單位，選擇不同深開挖的案例進行分析，並與指導老師討論所分析問題輸入參數之合理性，最後在課堂上每組進行25分鐘之成果簡報與20分鐘的答詢再由參與授課的四位老師給予評分與講評。

在本學期「探索地工領域」的深碗課程中，探索地工領域共分配到6小時的上課時數，教學的目的是讓學生了解地工領域的內容與重要性。

本學期的探索地工領域共分成六個主要單元: 土壤基本性質、微分方程、土壤力學性質、土壤力學應用、土壤力學試驗、工程軟體應用。為了讓同學更清楚了解教學的目的，授課教師先向同學詳細說明課程的學習成效評量尺規，讓同學可以清楚理解個單元中必須學會的技能。

由馬老師開始進行土壤力學性質與應用單元的上課內容，地工領域各單元可分為土壤基本性質、土壤夯實、土壤滲透性、滲流、土壤的壓縮性、土壤剪力強度、基礎承載、側向土壓力與擋土開挖等單元，各單元的內容與重點簡易敘述如下:

(A3)土壤滲透性: 各種水頭的介紹、水頭損失、水利坡降、達西定律與透水係數等，在有關滲流與土壤沖蝕等實務工程上有非常重要的應用。

(C1)滲流:流線、等勢能線與流網圖應用，水壓力與滲流力，在有關滲流與土壤沖蝕與深開挖等實務工程上有非常重要的應用。

(C2)土壤的壓縮性:土壤中之應力計算，總應力與有效應力的定義，沉陷種類，利用壓縮指數求取壓密沉陷，利用壓縮係數求取壓密沉陷速率等，在各種基礎工程上有非常重要的應用。

(C3)土壤剪力強度: 莫爾庫倫破壞準則，摩擦角與凝聚力，莫爾圓應用，直接剪力試驗求取剪力強度參數，三軸壓縮試驗等。土壤剪力強度在各種實務工程上皆有非常重要的應用。

(D1)基礎承載: 容許與極限承載力，承載力基本公式，極限承載力修正，沉陷控制之極限承載力。在各種基礎工程上有非常重要的應用。

(D2)側向土壓力: 側向土壓力種類，Rankine理論計算主被動側向土壓力，Coulomb理論計算主被動側向土壓力，主被動側向土壓力的工程應用等，主被動側向土壓力在擋土牆、深開挖與樁基礎等實務工程上有非常重要的應用。

(D3)擋土開挖: 深開挖工法，擋土壁種類，深開挖產生之災變與深開挖擋土支撐系統設計等，此單元對於擋土牆，版樁牆與深開挖工程等皆有非常重要的應用。由於同學的期末實作專題就是深開挖規劃設計，因此本單元用了較多的時間加以介紹。

課程進行方式除上課講演外，隨堂測驗是非常重要的環節。課堂中除了進行各單元的理論講授與例題計算外，每隔一至二周會進行一次隨堂測驗，目的是為了增加學生的學習動力，確實也達到了提升學生的學習成效。此外隨堂測驗的題目型式，皆是依照課程的學習成效評量尺規，讓同學可以清楚理解各單元中的學習成效。

在探索地工領域的深碗課程中，為了讓學生能理解解釋滲流的連續方程式，我們在課程嵌入了9個小時的工程數學課程，從微分方程基本觀念開始、到基礎常微分方程(ODE)的應用，最後再從達西公式引導至連續體之拉普拉斯方程式的推導。在課程中也讓學生嘗試利用手機數學計算app Symbolab來協助較困難微分方程的解題。此課程單元學習目標尺規 (Rubrics)如下：

我們以距離、速度與加速度的關係引導學生進入微分方程的領域。我們讓學生回想過去學習物理時使用的速度公式與距離公式，接著老師加速度的二次微分式推導出速度與距離公式，同時從速度與距離的初始條件解釋微分方程中邊界條件與特定解的觀念。

為讓學生了解ODE的解法，老師先以變數分離法理用微積分的方法說明指數型的微分方程、一般解/特定解與向量場的觀念。至於ODE的解題技巧，由於時間的關係本次課程僅介紹三類基本微分方程解法：齊次型、恰當型與一階線性常微分方程，除了讓學生以手算方式來理解微分方程的解題步驟外，課堂上也介紹了一款好用的數學計算工具Symbolab。Symbolab是一個含有微積分與微分方程運算的一個高級計算器app，在電腦上、ios與Android系統上均可免費使用，我們在課堂中讓學生利用該 app進行微分與積分的計算，也讓學生嘗試以app進行恰當型常微分方程與一階線性常微分方程式之求解。

最後老師推導連續方程式的拉普拉斯方程式，因為拉普拉斯方程式已是到了PDE的範疇，因此除了驗證幾個可能解外，我們將問題簡化為一維的類ODE形式來說明。

1.教學目標
(1)熟悉土壤基本性質試驗
(2)了解土壤力學性質試驗
(3)藉由砂箱模型試驗理解實務問題
(4)訓練試驗報告寫作之能力

2.教學方法

探索地工領域提供學生大地工程領域的知識，由理論講授、實驗操作及工程軟體應用為主體，主要包括土壤基本性質、微分方程、土壤力學性質、土壤力學應用、土壤力學試驗、工程軟體應用等六個部分。本學期的土壤力學試驗共分成三個主要單元: 基本性質試驗、力學性質試驗、砂箱模型試驗(試驗規劃如表1)。課程進行方式為授課教師先行講解該週所需進行的試驗後，進入實驗操作環節。為使學生能理解每個步驟的操作方式與其意義，每位同學必須在每個試驗前繳交預習報告，報告內容包括試驗名稱、試驗目的、試驗規範及試驗步驟。每組同學實際進行各種試驗的操作，在試驗過程記錄相關數據及拍照。在結束試驗後，各組依照實驗得出的數據資料利用EXCEL進行分析計算，並在課後一周內繳交各組報告，授課教師將於下週上課時進行各組報告的檢討。為了讓同學更清楚了解教學的目的，授課教師先向同學詳細說明課程的學習成效評量尺規(表2)，讓同學可以清楚理解個單元中必須學會的技能，最後協助同學應用土壤力學試驗知識完成義大地下堡壘-砂箱密室設計與實作。除了上課內容外，教師也提供每個試驗的延伸閱讀資料(圖1)，讓同學可以進一步了解試驗的操作方式及試驗結果分析。

3.試驗成果

每位同學必須在每個試驗前繳交預習報告，報告內容包括試驗名稱、試驗目的、試驗規範及試驗步驟。授課教師講解試驗相關資訊後，同學們開始進入實驗操作環節。每組同學進行各種試驗的過程需記錄相關數據及拍照。各組依照實驗得出的數據資料利用EXCEL進行分析計算，並在課後一周內繳交各組報告(圖2)，授課教師會在課堂上檢視各組報告並說明需要改進部分(圖3)。藉由每週不同的試驗，讓學生學習土壤性質及各項參數的試驗及分析方法。此外也讓學生走出教室，模擬在現地施作試驗時，應該注意的事項以及可能發生的問題，如工地密度試驗時，儀器該設置的位置選擇，或在試驗行進中遇到的困難。