工程碩士巖石力學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

許年春　趙寶云　劉東燕

摘要：為提高巖石力學(xué)課程教學(xué)效果和工程碩士培養(yǎng)質(zhì)量，文章對該課程教學(xué)進(jìn)行了改革探索。主要內(nèi)容包括：教學(xué)方法的改革（重視啟發(fā)式教學(xué)、嘗試討論式教學(xué)）、開設(shè)自主性實(shí)驗(yàn)和布置綜合性作業(yè)等。通過改革，該課程教學(xué)質(zhì)量明顯提高，學(xué)生滿意度大幅提升。

關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)；教學(xué)改革；啟發(fā)式教學(xué)；討論式教學(xué)；自主性實(shí)驗(yàn)；綜合性作業(yè)

中圖分類號：G6420；TU45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：10052909（2015）04007004

巖石力學(xué)是石油與天然氣工程領(lǐng)域工程碩士的一門專業(yè)學(xué)位課。課程的任務(wù)是：講授巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、巖石的強(qiáng)度理論、巖石的流變理論、地應(yīng)力及其測量、巖石中流體壓力和流動，通過學(xué)習(xí)使學(xué)生能夠運(yùn)用上述理論知識，解決石油工程中遇到的巖力學(xué)問題。如測井解釋與巖石力學(xué)、井壁穩(wěn)定、水力壓裂、油氣井生產(chǎn)出砂等[1-2]。

與學(xué)術(shù)碩士生相比，工程碩士生入學(xué)時理論知識水平較低，基礎(chǔ)知識較薄弱，力學(xué)功底較差。根據(jù)國務(wù)院學(xué)位委員會制定的工程碩士專業(yè)學(xué)位設(shè)置方案，工程碩士應(yīng)側(cè)重于工程應(yīng)用能力和解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)。

針對工程碩士生的特點(diǎn)，結(jié)合巖石力學(xué)課程任務(wù)，重慶科技學(xué)院巖石力學(xué)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持不懈地開展課程教學(xué)改革，以提高教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

一、 教學(xué)方法的改革

教學(xué)方法主要是指在課堂教學(xué)過程中，教師向?qū)W生傳授知識的技巧和手段。科學(xué)的教學(xué)方法可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，同時還能強(qiáng)化知識記憶，提高學(xué)習(xí)效率，起到事半功倍的效果。課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)在課堂教學(xué)活動中一直重視講課的技巧，不斷嘗試新的教學(xué)手段。

（一）重視啟發(fā)式教學(xué)

啟發(fā)式教學(xué)通常根據(jù)教學(xué)目的、內(nèi)容、學(xué)生的知識水平和知識規(guī)律，采用啟發(fā)誘導(dǎo)傳授知識，使學(xué)生積極主動地學(xué)習(xí)，它對學(xué)生學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)和智力水平的提高很有幫助[3-4]。工程碩士生力學(xué)功底較差，理解能力不強(qiáng)，為更好地完成課程教學(xué)，需在講課中善于運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)。

啟發(fā)式教學(xué)通過提問，激發(fā)學(xué)生的求知欲望，通過合理的安排教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)和思考，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)[5]。以下結(jié)合教學(xué)團(tuán)隊(duì)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，通過展現(xiàn)五個知識點(diǎn)的講解思路，闡述啟發(fā)式教學(xué)在巖石力學(xué)課程教學(xué)中的運(yùn)用。

Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)度是巖石力學(xué)課程的一個重要知識點(diǎn)。在開始講解時，先提問學(xué)生：一個截面的抗剪強(qiáng)度與作用于該面上的正應(yīng)力是否有關(guān)系？有的學(xué)生說沒有，有的說有；接著教師指出，不同材料抗剪特性不同，有的抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力沒有關(guān)系，如鋼材；有的則有關(guān)系，如巖石。那具體存在什么樣的關(guān)系呢？隨著正應(yīng)力的增大（受壓為正），抗剪強(qiáng)度也增大，準(zhǔn)確說兩者是一個曲線關(guān)系，即滿足Mohr準(zhǔn)則，但工程中為簡單起見，假定兩者為線性關(guān)系，即Coulomb準(zhǔn)則。

在講解Griffith準(zhǔn)則時，先聯(lián)系前面提到的巖石抗拉抗壓強(qiáng)度比值，抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的1/10，這是為什么呢？原因在于巖石非均質(zhì)體，教材第一章節(jié)提到過巖石內(nèi)分布有無數(shù)微小裂隙，當(dāng)巖石受壓時，裂隙閉合，當(dāng)巖石受拉時，裂隙端點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力集中，縫端破裂，裂縫擴(kuò)展。Griffith根據(jù)縫端擴(kuò)展思路，得到Griffith強(qiáng)度準(zhǔn)則，最終得到巖石的抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的1/8，這與巖石實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近。

在講解巖石蠕變時，先提問學(xué)生，一個油氣生產(chǎn)井鉆到設(shè)計(jì)深度后是否需要及時固井？結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生們都能回答是；這是為什么呢？如果不及時固井會出現(xiàn)什么情況呢？有些學(xué)生回答井孔會發(fā)生變形，甚至破壞，這樣就引出了巖石蠕變的概念：荷載恒定作用下，變形隨時間增大的性質(zhì)。鉆井剛開始發(fā)生的是彈性變形，變形較小，但如果不及時固井，井壁巖石會發(fā)生蠕變，隨時間增大，蠕變越大，最終可能會導(dǎo)致井壁坍塌。

在講解聲發(fā)射法測巖石地應(yīng)力時，先提問學(xué)生：在巖石受壓實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)巖石宏觀破壞時是不是聽到了一聲脆響？學(xué)生們都能回答聽到了，那在宏觀破壞之前巖石內(nèi)部會不會發(fā)出聲音？答案是肯定的。教師可告訴學(xué)生在宏觀破壞之前，巖石內(nèi)部會出現(xiàn)微觀破裂，會向外發(fā)射聲波，只是由于人耳接收聲音的頻率和強(qiáng)度有限，無法聽到，但可以借助儀器收集到。根據(jù)Kaiser的研究，當(dāng)施加荷載大于巖石先前受到的最大荷載時，發(fā)射聲波陡然劇烈，因此可以據(jù)此確定出巖石在地底受到的地應(yīng)力大小。

在講解巖石中的固結(jié)問題和有效應(yīng)力概念時，給出一張圖片，圖片中是一個裝滿水的圓筒，筒頂面被一個帶小孔的活塞封住，用一根彈簧將活塞下表面支撐在圓筒底面，當(dāng)活塞上表面突然施加一個豎向力時，提問學(xué)生：在施加力的一瞬間，彈簧有沒有受力？有的學(xué)生沒有反應(yīng)過來，說有受力。這時告訴學(xué)生，在施加力的一瞬間，圓筒內(nèi)的水根本來不及排走，筒內(nèi)水的體積不變，彈簧變形為零，因此沒有受力，豎向力全部由筒內(nèi)水承擔(dān)。圖片中的彈簧相當(dāng)于巖石骨架，而筒內(nèi)水相當(dāng)于巖石中的孔隙水。參照圖片，在巖石受到外界壓力的初始階段，孔隙水來不及排出，孔隙水壓等于外界壓力，隨著孔隙水的逐漸排出，孔隙水壓下降，外界壓力才部分轉(zhuǎn)由巖石骨架承擔(dān)，這部分壓力才是引起巖石骨架受力變形的真正有效力，稱為巖石的有效應(yīng)力，而隨著有效應(yīng)力的增大，巖石骨架發(fā)生沉降變形，即為巖石的固結(jié)問題。如此把一個非常專業(yè)的問題通過一個形象的圖片向?qū)W生講解清楚。

（二）嘗試討論式教學(xué)

討論式教學(xué)法是現(xiàn)代教學(xué)改革中比較受推崇的一種教學(xué)方法，是指教師在分析教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，精心設(shè)計(jì)某一問題，并指導(dǎo)學(xué)生在討論中各自發(fā)表意見，以尋求問題的答案，從而使學(xué)生的能力得到鍛煉的一種教學(xué)方法。討論式教學(xué)把課堂上單純的教師講、學(xué)生聽調(diào)整為學(xué)生講、學(xué)生聽、教師點(diǎn)評，對學(xué)生來說是一種更積極的學(xué)習(xí)方式[6]。

從學(xué)生的角度看：討論式教學(xué)法一是可以培養(yǎng)學(xué)的表達(dá)能力、批判能力、自學(xué)能力、合作能力和自我認(rèn)知能力；二是可以使學(xué)生改變保守的學(xué)習(xí)心態(tài)， 體會到分享的快樂；三是可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)體意識和合作精神，并促進(jìn)學(xué)生之間的友誼；四是可以加深學(xué)生對知識的理解，并能很好地應(yīng)用所學(xué)的知識。從教師的角度看：討論式教學(xué)法一是有利于改善師生之間的關(guān)系，使師生關(guān)系更融洽，讓教師真正成為學(xué)生的良師益友；二是有利于教師角色的轉(zhuǎn)變；三是有利于改善課堂氣氛，使學(xué)生的思維充分活躍起來，從而更好地實(shí)現(xiàn)

教學(xué)目標(biāo)[7]。

討論式教學(xué)在國外被普遍采用，國內(nèi)由于高校擴(kuò)招，本科生課堂教學(xué)人數(shù)太多，無法組織每位學(xué)生開展討論，但對研究生教學(xué)來說，由于人數(shù)少，可以積極嘗試討論式教學(xué)法。

在巖石力學(xué)課程教學(xué)過程中，任課教師在上一節(jié)課結(jié)束時向?qū)W生公布下節(jié)課的討論議題，要求學(xué)生預(yù)習(xí)相關(guān)知識內(nèi)容，寫好發(fā)言提綱，做好討論準(zhǔn)備；課堂討論由教師組織，但以學(xué)生討論為中心，教師僅作適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)；討論完后教師再作點(diǎn)評。

針對工程碩士生的特點(diǎn)，討論議題難度要適當(dāng)，要保證學(xué)生都有參與討論的機(jī)會。在巖石力學(xué)課程教學(xué)過程中，可選取作為課堂討論的議題有：巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、巖石的蠕變機(jī)理和模型、水壓致裂法測地應(yīng)力、油田地應(yīng)力的預(yù)測模型、利用測井資料解釋巖石力學(xué)參數(shù)等。教師根據(jù)課程教學(xué)進(jìn)展情況，選取3-4個議題，每個議題的討論時間控制在30分鐘以內(nèi)，學(xué)生討論的積極性和討論水平作為課程評分考核的指標(biāo)之一（占10%）。

在兩個年級的教學(xué)活動中，通過開展討論式教學(xué)，學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握更加深入，同時也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和語言表達(dá)能力。

二、 開設(shè)自主性實(shí)驗(yàn)

自主性實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生掌握了一定的實(shí)驗(yàn)技能后，讓其獨(dú)立設(shè)計(jì)并完成一個只給出題目的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)馨褎幽X和動手有機(jī)地結(jié)合起來，充分培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力[8-9]。

自主性實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法有很大的不同。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程中，教師為學(xué)生提供了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)講義，學(xué)生只要按照教師的要求正確操作即可，整個實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生只是一個被動的接受者，這種方法培養(yǎng)出的學(xué)生只是在實(shí)驗(yàn)的基本技能上得到了訓(xùn)練，很難談得上具有創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維，這也使得學(xué)生的學(xué)習(xí)勁頭不高，參與實(shí)驗(yàn)的興趣不大。而自主性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，彌補(bǔ)了這種教學(xué)方式的不足，它將主動權(quán)交給了學(xué)生，讓學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)的主體，自主性實(shí)驗(yàn)沒有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)講義，學(xué)生要從查閱有關(guān)的資料開始，到確定實(shí)驗(yàn)步驟—制定實(shí)驗(yàn)方案—完成實(shí)驗(yàn)—對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析—得出結(jié)論—提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，這種創(chuàng)造性的工作，為學(xué)生提供了一個自由想象和大膽創(chuàng)造的空間，能極大地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新欲望。

目前重慶科技學(xué)院工程碩士巖石力學(xué)課程包含5個共10學(xué)時的實(shí)驗(yàn)，全部是自主性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有巖石單軸抗壓實(shí)驗(yàn)、巖石抗拉實(shí)驗(yàn)、巖石三軸抗壓實(shí)驗(yàn)、巖石蠕變實(shí)驗(yàn)、聲發(fā)射測試地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)等。每次實(shí)驗(yàn)都提前一個星期布置給學(xué)生，要求他們自己查閱資料，制定并提交實(shí)驗(yàn)方案，交實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)教師審查。實(shí)驗(yàn)過程也完全是學(xué)生自己主導(dǎo)，指導(dǎo)教師只負(fù)責(zé)儀器安全操作的監(jiān)督。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，由實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)教師批閱。實(shí)驗(yàn)成績占課程評分考核的20%。

通過開設(shè)自主性實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生的動手能力和獨(dú)立分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識。

三、布置綜合性作業(yè)

綜合性作業(yè)是指需要綜合運(yùn)用到不同課程的知識或同一課程的多個知識點(diǎn)的作業(yè)。布置綜合性作業(yè)可以促使學(xué)生將多個知識點(diǎn)融會貫通，訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用知識解決實(shí)際問題的能力。

在巖石力學(xué)課程教學(xué)過程中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)目前設(shè)計(jì)了兩道綜合性作業(yè)。作業(yè)1：根據(jù)某蠕變實(shí)驗(yàn)曲線確定巖石的蠕變模型參數(shù)。該作業(yè)既要用到數(shù)據(jù)擬合的知識，又要用到巖石蠕變模型的知識。數(shù)據(jù)擬合時要求采用兩種以上的方法，一種是手算，一種是借助于Excel 或其它數(shù)據(jù)擬合程序。作業(yè)2：Matlab編程采用滑動加權(quán)最小二乘法擬合地應(yīng)力。該作業(yè)要用到Matlab編程知識、滑動加權(quán)最小二乘法知識和地應(yīng)力場的知識。兩次綜合性作業(yè)成績共占課程評分考核的10%。更多的綜合性作業(yè)題目將在后期教學(xué)中設(shè)計(jì)。

四、結(jié)語

通過教學(xué)方法的改革、開設(shè)自主性實(shí)驗(yàn)和布置綜合性作業(yè)，巖石力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量得到明顯提高，教學(xué)滿意度調(diào)查顯示，學(xué)生對該課程的教學(xué)滿意度由改革前的76%提升到92%以上。教學(xué)改革沒有終點(diǎn)，教學(xué)質(zhì)量的提高只有進(jìn)行時，巖石力學(xué)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)將堅(jiān)持改革進(jìn)取，秉承全心全意為學(xué)生的教學(xué)宗旨，不斷提高應(yīng)用型高層次人才的培養(yǎng)質(zhì)量。參考文獻(xiàn)：

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