巖石力學(xué)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

勾攀峰　宋常勝

巖石力學(xué)是研究巖石力學(xué)性能的理論和應(yīng)用的科學(xué)，是探討巖石對(duì)其周圍物理環(huán)境中力場(chǎng)的反應(yīng)的力學(xué)分支，”它是為采礦工程、巖土工程、地質(zhì)工程以及水文工程等專業(yè)開(kāi)設(shè)的基礎(chǔ)課。學(xué)生對(duì)該課程的掌握和應(yīng)用具有一定難度。因此，在巖石力學(xué)教學(xué)中通過(guò)改革教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐環(huán)節(jié)，體現(xiàn)巖石力學(xué)作為基礎(chǔ)學(xué)科內(nèi)容的完整性和采礦專業(yè)基礎(chǔ)的實(shí)踐性，引導(dǎo)和推動(dòng)學(xué)生積極地投身到巖石力學(xué)的研究型學(xué)習(xí)中去。

最近幾年，我們積極承擔(dān)了河南省教育廳“巖體工程力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐環(huán)節(jié)的整體優(yōu)化研究”、“巖石力學(xué)CAI及網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)研究”以及河南理工大學(xué)SRTP4“巖石力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”、SRTP6“巖石力學(xué)考試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”等多項(xiàng)巖石力學(xué)課程的教學(xué)改革項(xiàng)目，課題研究取得了一些成果。

一、改革的指導(dǎo)思想和內(nèi)容

結(jié)合上述教學(xué)改革項(xiàng)目，我們首先對(duì)國(guó)內(nèi)外同類學(xué)科高校進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國(guó)外高校開(kāi)設(shè)的巖石力學(xué)課程教材更新速度快，十分注重實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用，專門增設(shè)有計(jì)算巖石力學(xué)課程方面的內(nèi)容，將FLAC、UDEC和PFC等數(shù)值計(jì)算軟件應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中。而國(guó)內(nèi)高校的原煤炭院校巖石力學(xué)教材更新十分緩慢，教學(xué)和教材在不同程度上存在重理論、輕應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊等問(wèn)題。學(xué)生很難從課程的大量數(shù)學(xué)推導(dǎo)中掙脫出來(lái)，做到學(xué)為所用。因此，我們圍繞以下原則進(jìn)行改革：

1突出“三基”。巖石力學(xué)依賴于彈性力學(xué)和數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)是不能改變和動(dòng)搖的，教師要通過(guò)改變教學(xué)方式來(lái)增加學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生扎荬掌握基礎(chǔ)知識(shí)才可能更好地學(xué)習(xí)好巖百力學(xué)課程相關(guān)內(nèi)容。

2編好講義。一本好教材和講義是取得出色教學(xué)效果的基本保證，因此，把編苷具有采礦工程特點(diǎn)的、體現(xiàn)巖石力學(xué)原理和最新技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的成熟講義是教學(xué)改革的重點(diǎn)。

3創(chuàng)新教法。改革教學(xué)方法，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行整體優(yōu)化，課堂教學(xué)使用多媒體教學(xué)方法和CAI課件，適當(dāng)結(jié)合工程實(shí)踐案例，增加課堂教學(xué)信息量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4體現(xiàn)特色。構(gòu)建適用采礦工程專業(yè)的相對(duì)穩(wěn)定的教學(xué)內(nèi)容體系，滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

從力學(xué)研究和對(duì)力學(xué)規(guī)律認(rèn)識(shí)的整體情況來(lái)說(shuō)，工程實(shí)踐是檢驗(yàn)理論正確與否的唯一標(biāo)準(zhǔn)，力學(xué)的教學(xué)也應(yīng)該基于工程背景而展開(kāi)，使理論教學(xué)與工程應(yīng)用訓(xùn)練同步進(jìn)行，才能培養(yǎng)出國(guó)家需要的力學(xué)與工程型人才。通過(guò)巖石力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容的創(chuàng)新，構(gòu)建了“一主體兩平臺(tái)”的研究型學(xué)習(xí)模式。“一主體”是指以課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)為主體，“兩平臺(tái)”是指研究型學(xué)習(xí)和研究型實(shí)踐兩個(gè)平臺(tái)。在課程內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)等方面大膽創(chuàng)新，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中感受工程環(huán)境、參與工程實(shí)踐，得到有效的工程訓(xùn)練。

二、構(gòu)建研究型學(xué)習(xí)平臺(tái)

我們提出的巖石力學(xué)“二段制學(xué)習(xí)模式”，將課程分為既有關(guān)聯(lián)、又相互獨(dú)立的兩部分，對(duì)教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)大綱和考試大綱都做了相應(yīng)的調(diào)整。第一部分是彈性力學(xué)、巖石力學(xué)基礎(chǔ)(包括實(shí)驗(yàn))，60學(xué)時(shí)，以基礎(chǔ)知識(shí)的研究型學(xué)習(xí)為主，強(qiáng)化彈性力學(xué)和巖石力學(xué)的“三基”(基礎(chǔ)理論、基本知識(shí)、基本技能)，第二部分以應(yīng)用和研究型工程實(shí)踐鍛煉為主，4學(xué)時(shí)。總學(xué)時(shí)數(shù)由56調(diào)整為64學(xué)時(shí)。

1用最新的教學(xué)內(nèi)容啟發(fā)學(xué)生的思維。學(xué)生的學(xué)習(xí)在很大程度上依賴于教材或參考書的幫助。教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整，注重將工程素質(zhì)的要素轉(zhuǎn)化為具體的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)活動(dòng)，強(qiáng)調(diào)科研促進(jìn)教學(xué)，形成貼近工程實(shí)際的教學(xué)內(nèi)容。

2用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。目前巖石力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)大綱為學(xué)生開(kāi)設(shè)了巖石的單軸壓縮、三軸壓縮、巴西劈裂、點(diǎn)載荷和剛性實(shí)驗(yàn)機(jī)演示5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。由于學(xué)生人數(shù)的逐年增加，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、儀器設(shè)備嚴(yán)重不足的矛盾更加突出。實(shí)踐教學(xué)改革的思路是：把培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能放在首位，虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，動(dòng)手與動(dòng)腦相結(jié)合。

(1)增加實(shí)驗(yàn)?zāi)K調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱。我們把實(shí)驗(yàn)教學(xué)由6到調(diào)整學(xué)時(shí)10學(xué)時(shí)，分為兩個(gè)模塊。模塊I為巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)，保持原有6學(xué)時(shí)的教學(xué)內(nèi)容，其中驗(yàn)證勝實(shí)驗(yàn)為4個(gè)學(xué)時(shí)，綜合實(shí)驗(yàn)為2個(gè)學(xué)時(shí)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生實(shí)行開(kāi)放，鼓勵(lì)有余力的同學(xué)課后自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；模塊Ⅱ，增加數(shù)值模擬演示實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)。改革后的實(shí)驗(yàn)課把引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)的思維方法放在首位，實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排上注意保持了實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性、先進(jìn)性和基礎(chǔ)性，同時(shí)也注意培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

(2)用Flash建立的巖石力學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。這樣使學(xué)生可以隨時(shí)將網(wǎng)絡(luò)上虛擬的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)需要的各種儀器設(shè)備，按每個(gè)實(shí)驗(yàn)要求、過(guò)程組裝成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，包括巖石試件的添加、實(shí)驗(yàn)條件的改變、數(shù)據(jù)采集以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的模擬、分析等。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了文字和圖形的動(dòng)態(tài)變化和顯示，圖形和文字的模塊化，模塊和模塊之間的對(duì)話控制，還實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)鼠標(biāo)，自動(dòng)控制，判斷和傳遞信息等交互功能。由于有了巖石力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，課前學(xué)生在網(wǎng)上就可以學(xué)習(xí)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作規(guī)程和步驟，并親自在網(wǎng)上模擬實(shí)驗(yàn)室中的各種實(shí)際操作。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，減少了實(shí)驗(yàn)教師的課上重復(fù)性講解，增加了學(xué)生實(shí)驗(yàn)室操作動(dòng)手時(shí)間，實(shí)驗(yàn)效果明顯提高。

(3)應(yīng)用RFPA軟件進(jìn)行巖石力學(xué)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。由于巖石破裂過(guò)程現(xiàn)象的復(fù)雜性和巖石介質(zhì)的復(fù)雜性，在模塊I的巖石力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生很難通過(guò)大量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)看到巖石破壞的各種類型的復(fù)雜現(xiàn)象。我們利用東北大學(xué)開(kāi)發(fā)的巖石破裂過(guò)程分析系統(tǒng)RF-PA(Rock Failure Process Analysis)教學(xué)版，增加了模塊Ⅱ的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輔助教學(xué)，使學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)的主動(dòng)性、創(chuàng)造性大為增強(qiáng)。

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)對(duì)巖石的變形與破裂過(guò)程進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，不僅具有通用性強(qiáng)、方便靈活、具有可重復(fù)性等特點(diǎn)，而且可以通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)得到許多在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中難以觀測(cè)的重要信息，作為巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充，達(dá)到巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)的目的。但是，模塊Ⅱ數(shù)值試驗(yàn)的應(yīng)用并不能完全取代模塊I實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。這是因?yàn)閿?shù)值試驗(yàn)時(shí)我們?nèi)匀恍枰峁r石的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)等信息，而且只有在證明數(shù)值試驗(yàn)方法正確的基礎(chǔ)上才能使用它進(jìn)行巖石力學(xué)的數(shù)值試驗(yàn)。

3搭建研究型學(xué)習(xí)的巖石力學(xué)CAI課件和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)CAI在巖石力學(xué)教學(xué)中的大規(guī)模使用是一項(xiàng)既先進(jìn)有效又充滿挑戰(zhàn)的活動(dòng)。巖石力學(xué)CAI網(wǎng)絡(luò)課件涵蓋所有課程的講授內(nèi)容、習(xí)題、數(shù)值模擬測(cè)試以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)等，增加了考試系統(tǒng)模塊，同時(shí)開(kāi)通了網(wǎng)絡(luò)答疑，加強(qiáng)了教師與學(xué)生的互動(dòng)與

溝通，既可以解決學(xué)畢存課堂以外對(duì)巖石力學(xué)課程的學(xué)習(xí)，又可以使學(xué)有余力的學(xué)生更進(jìn)一步地學(xué)習(xí)本門課程。

三、搭建研究型實(shí)踐平臺(tái)

一般的學(xué)生掌握的巖石力學(xué)知識(shí)體系是十分必要的，對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生，他們最關(guān)心的是如何利用所學(xué)知識(shí)去解決工程實(shí)際問(wèn)題。因此，在巖石力學(xué)新教學(xué)大綱的修訂時(shí)，把巖石力學(xué)研究型實(shí)踐方式分為：課堂實(shí)踐型和課外項(xiàng)目型。在課堂實(shí)踐型實(shí)踐中，教師要利用好課堂時(shí)間，用不同的教學(xué)方法增加工程案例；課外項(xiàng)目型實(shí)踐，則指在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生充分利用課后時(shí)間參與科研項(xiàng)目研究。

1課堂實(shí)踐型研究平臺(tái)。(1)工程情景教學(xué)法。在課堂中列舉學(xué)生熟悉的一些工程中常見(jiàn)問(wèn)題或現(xiàn)象，把巖石力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的講解融于工程背景之中，與工程設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析等聯(lián)系起來(lái)，學(xué)生在學(xué)習(xí)巖石力學(xué)時(shí)就會(huì)發(fā)生學(xué)習(xí)遷移，更容易加深對(duì)基本原理、基本概念和計(jì)算方法的掌握。這一教學(xué)法不僅可以使抽象的力學(xué)知識(shí)通俗化、形象化，還可以活躍課堂氣氛，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

(2)問(wèn)題模式教學(xué)法。考慮到巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法在解決巖石力學(xué)問(wèn)題時(shí)具有通用性強(qiáng)、可重復(fù)性等特點(diǎn)，感興趣的學(xué)生在老師的幫助下，在課程初期就確定一個(gè)自己感興趣的數(shù)值模擬題目，然后帶著問(wèn)題進(jìn)行課程學(xué)習(xí)。課程的每個(gè)環(huán)節(jié)都使學(xué)生對(duì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)深入一步。這種教學(xué)方式，雖然加大了教師的工作量，但學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)明確、積極性高、理解和接受快，得到了意想不到的教學(xué)效果。

2課外項(xiàng)目型研究平臺(tái)。(1)任務(wù)書型實(shí)驗(yàn)。綜合型實(shí)驗(yàn)注重對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，結(jié)合教師從事的部分研究項(xiàng)目，由教師設(shè)計(jì)選擇一些與工程實(shí)踐緊密聯(lián)系并具有一定難度的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)要求以工程任務(wù)書的形式下達(dá)給學(xué)生，學(xué)生通過(guò)一段時(shí)間的預(yù)習(xí)，查閱資料，并進(jìn)行分組討論，明確實(shí)驗(yàn)原理、方法和步驟，組織實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施，最后經(jīng)過(guò)動(dòng)手操作，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。任務(wù)書型實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)踐應(yīng)用緊密聯(lián)系，使學(xué)生們樹(shù)立了工程意識(shí)，通過(guò)親自設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握針對(duì)具體實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想和操作技能，提高了學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。

(2)項(xiàng)目型研究。積極鼓勵(lì)學(xué)生以小。組的方式申請(qǐng)學(xué)校提供的基金資助項(xiàng)目，由學(xué)生自己設(shè)計(jì)的巖石力學(xué)科研工程項(xiàng)目；或者學(xué)生參與以老師名義立項(xiàng)的有巖石工程背景的SRTP項(xiàng)目。學(xué)生在研究過(guò)程中以項(xiàng)目為主線貫穿始終，將巖石力學(xué)課程中的知識(shí)點(diǎn)融入到項(xiàng)目中，完成項(xiàng)目，教師以學(xué)生完成項(xiàng)目的質(zhì)量來(lái)評(píng)定學(xué)生的設(shè)計(jì)效果，有效地鍛煉了學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識(shí)與方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力以及獨(dú)立工作的能力等。

四、課程改革的效果

1滿足了不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需要。研究型學(xué)習(xí)平臺(tái)既照顧到采礦工程專業(yè)一般學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)巖石力學(xué)基本知識(shí)的需要，又可使學(xué)有余力的學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)通過(guò)CAI網(wǎng)絡(luò)課程、研究型的實(shí)踐平臺(tái)，了解巖石力學(xué)工程問(wèn)題的研究方法，掌握數(shù)值模擬的方法，實(shí)用性強(qiáng)。

2最新研究成果應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐廣受歡迎。本課程在引入了目前巖石力學(xué)研究最新研究成果，將近年才使用成熟起來(lái)的FLAC、RFPA和UDEC等數(shù)值模擬軟件應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中，這是學(xué)生認(rèn)為最有收獲之處。

3突出重點(diǎn)教學(xué)針對(duì)性強(qiáng)。本著有所為、有所不為的原則，分工清晰，重點(diǎn)明確，課程只介紹巖石力學(xué)發(fā)展成熟且應(yīng)用廣泛的理論和方法。