面向“卓越計劃”的巖石力學課程教學改革探討

蔚立元+張強+楊圣奇

摘要：“卓越計劃”是促進中國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措。巖石力學作為典型的跨行業通用課程是一門應用性和實踐性很強的應用基礎學科，在目前的教學過程中存在輕視基礎概念、標準混亂陳舊、忽視工程能力培養的問題，難以達到“卓越計劃”的培養要求。從土木工程專業教學實踐出發，提出了教學內容模塊化，合理選擇培養標準；強化基本概念理解，培養創新能力；深入工程現場，提升工程能力的教學改革方案，收到了良好的教學效果。

關鍵詞：卓越計劃；巖石力學；教學改革；礦山建設

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）05-0075-04

“卓越工程師教育培養計劃”（簡稱“卓越計劃”）是貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010—2020年）》的重大改革項目，也是促進中國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措，科學時報[1]將“卓越計劃”啟動列為2010年中國高等教育十件大事之一。該計劃旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量的各類型工程技術人才。“卓越計劃”具有三大培養特點：一是行業企業深度參與培養過程；二是學校按通用標準和行業標準培養工程人才；三是強化培養學生的工程能力和創新能力。

針對“卓越計劃”的總體要求，面向卓越工程師的培養，許多從事工程教育的專家進行了深入探討。林健[2]從課程體系的價值取向、課程體系的結構形式、課程體系的整合與重組等方面為“卓越計劃”參與高校專業課程體系和教學內容改革提供了借鑒和參考。張文生等[3]圍繞“回歸工程”教育理念，論述了本科“卓越計劃”的四個主要問題：制定專門性培養方案、改革培養模式、培養青年教師工程教育能力、建立健全保障體系，以期培養更多優秀的工程技術人才。王家臣等[4]根據卓越工程師的要求，從戰略角度對科學培養采礦人才進行了深入思考。

一、 巖石力學課程的特點

巖石力學是一門應用性和實踐性很強的應用基礎學科，是采礦工程、水利水電工程、交通/鐵道工程、工民建工程和石油工程等眾多學科的專業基礎課，屬于典型的跨學科、跨行業的通用課程。雖然中國推行了跨行業的統一標準，如GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》、GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》等，但是由于借鑒前蘇聯的高等教育體制，目前還存在許多行業背景鮮明的規范在廣泛應用，如GB/T 16414—2008《煤礦科技術語巖石力學》、DL/T 5368—2007《水電水利工程巖石試驗規程》和JTG E 41—2005《公路工程巖石試驗規程》 等。

為了提高教學質量，不同行業內的巖石力學課程教師從行業特色角度對課程教學改革進行了有益的嘗試，比如采礦工程[5]、石油工程[6]、地下建筑工程[7]和海洋工程[8]等，都取得了很好的成效。此外，還有學者從模塊化教學[9]、案例教學[10]、研究型教學[11]以及數值方法輔助教學[12]等方面進行了巖石力學課程的教學改革實踐。遺憾的是，對巖石力學這門跨行業、特點鮮明的應用基礎學科，目前還未見針對“卓越計劃”培養特點的教學改革研究成果。

作為“卓越計劃”試點高校的中國礦業大學經過長期發展和建設已形成了以工科為主、礦業為特色、多學科協調發展的基本格局，對中國煤炭能源行業發展發揮著不可替代的引領和支撐作用。巖石力學是學校土木工程、采礦工程及地質工程等專業本科生專業基礎課程，為后續如礦山建設工程、采礦學及礦山壓力與巖層控制等煤炭行業背景鮮明的專業課程提供巖石力學基礎知識，地位尤其顯著。

在上述背景下，如何在有限的教學時間內按通用標準和煤礦行業標準培養工程人才，強化學生的工程能力和創新能力已成為擺在教育工作者面前的一道難題。筆者結合自己的教學實踐，初步探討面向“卓越計劃”的巖石力學教學改革思路，期望能夠拋磚引玉，對其他涉及巖石力學的行業類院校起到啟迪作用。

二 、巖石力學課程教學中存在的問題

（一）課程安排順序及學時不合理

廣義上講，巖石力學應是力學與地質學相結合的交叉學科，更側重于固體力學與巖石地質學的結合，具體地說，巖石力學是在彈塑性力學、土力學及工程地質學的基礎上發展起來的。巖石力學的很多概念、理論和公式由土力學和工程地質學借鑒而來，但是目前高校經常將土力學、工程地質學與巖石力學同時開課，給教師講授課帶來諸多不便。

為了研究工程環境下巖體的力學性態，巖石力學需要涉及諸如材料力學、彈塑性力學、斷裂損傷力學、裂隙滲流力學及流變力學等復雜深奧的力學內容；巖石力學的研究對象是地球千百萬年來復雜地質作用而形成的各類巖體，巖石學、工程地質學、水文地質學、地球物理學和構造地質學等地學學科的內容在教材中不斷出現；巖體工程涉及地基工程、邊坡工程和地下工程等具體工程形式，各種新施工技術和方法層出不窮。由此可見，巖石力學課程的內容豐富而繁雜，然而隨著通識教育課程的增加，各專業課程課時被大幅削減，巖石力學課時由80學時精簡為如今的32 學時， “滿堂灌”現象成為普遍，學生對該課程內容的掌握和應用難度較大，學習積極性難以調動。

（二） 基本概念模糊，難以培養創新性思維

基本知識的深刻理解，是創新思維形成的力量之源。一些教師在課堂教學中對基本概念強調不夠，分析不透，著重于公式推導、施工工藝或科研項目介紹等細枝末節的講解，本末倒置，背離了巖石力學課程設置的初衷。重點概念比如地應力、流變、強度理論、應變軟化現象、剪脹、尺度效應、圍巖支護工作作用原理等內容應該重點分析。此外，由于巖石力學部分內容與材料力學、土力學內容相近（如強度理論、剪脹、三軸試驗、二次應力和附加應力等），如果不進行相關內容的分析對比，學生容易產生疲倦心理，導致思想上的不重視。

（三）標準選擇混亂陳舊

如前所述，由于巖石力學是多個專業的專業基礎課，每個工程領域都有各自的行業術語、標準、規范和教材。但是如果教師在巖石力學基礎知識和工程應用方面的講解都遵照本行業的規范和術語，將會造成學生知識面過窄，不利于國家通用標準的推廣和學生就業；若完全脫離行業工程背景，則教學過程難免出現學非所用、理論脫離實際。如何達到“按通用標準和行業標準培養工程人才”的目標值得思考。隨著工程技術的發展，很多新理論、新技術和新方法蓬勃發展，國家相關部門也會適時推出新的標準和規范，比如深部資源開采帶來的“三高一擾動”、軟巖大變形和沖擊地壓災害頻發等問題。但是由于教材的更新速度較慢，如果授課教師不能及時跟蹤行業發展動態，將會導致課程知識體系陳舊無用。

（四）忽視工程能力的培養

實踐是工程教育培養的關鍵環節，巖石力學是一門應用性很強的工程學科，然而受授課時間、資金、場地和工程條件等因素制約，目前的教學方式主要以書本知識傳授為主，強調科學基礎，試圖傳授更多的理論知識，理論與工程實踐脫節嚴重，忽略了工程的系統性及其實踐特征。“重理論、輕實踐，重課堂、輕課外”的教學模式導致學生動手能力差、工程能力弱化，對于巖石力學課程中諸如地應力測量方法、監控量測、松動圈測試、超前地質預報和地下工程支護技術等工程現場的常規問題無法直觀體驗，不適應企業要求。這種現狀不符合巖石力學服務于工程的課程特點，難以激發學生學習的積極性和創造性。

三、面向“卓越計劃”的教學改革思路及實施路線

學校土木工程專業分為礦山建設工程、城市地下工程、工民建工程和交通土建工程四個方向，所有方向都開設巖石力學課程。依據專業實際情況，以礦山建設工程方向為重點，具體就面向“卓越計劃”的巖石力學課程教學改革思路及實施路線進行深入探討。

（一）教學內容模塊化，合理選擇培養標準

為了達到“學校按通用標準和行業標準培養工程人才”的要求，在教學內容安排上不能 “一刀切”。首先將教學內容模塊化，根據不同培養方向調整培養方案。

（1）“前置基礎”模塊4學時，包括巖石力學課程中涉及的材料力學、彈性力學、工程地質學和土力學等前置學科的基礎知識，根據各方向前置課程的授課內容確定合理的知識點。比如，彈性力學課程不在工民建方向的培養計劃之內，對該方向應該加大彈性力學的權重。

（2）“巖石力學基礎知識”模塊20學時，包括“巖石組構及其物理性質”“巖塊變形與強度”“弱面變形和強度”“巖體變形和強度”以及“原巖應力”等5部分，是各專業方向按共同標準和要求學習的內容。模塊內容中巖塊室內物理性質（如含水率、耐崩解性等）、強度和變形試驗、巖體原位變形、強度和聲波速度試驗以及原巖應力測試等內容，應嚴格按照通用的國家標準GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》來講授。

（3）“工程應用”模塊8學時，根據專業方向的不同，選擇各方向重要的工程應用及案例進行講解。巖體分級是各方向都應該著重講授的內容，應該以通用標準GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》為主，并輔以各方向的分級標準。如礦山建設工程方向的普氏分級標準、交通土建工程方向的 JTG D70-2004《公路隧道設計規范》和Q分類等。對于具體工程形式而言，礦山建設工程方向和城市地下工程方向以巖體地下工程為主，工民建工程方向以巖石基礎工程為主，而交通土建工程方向則以邊坡工程和地下工程并重。各方向還應對工程實踐中常見的災害機理作介紹，比如深部礦山工程中的軟巖大變形、煤與瓦斯突出、沖擊地壓和底板透水等。

（二）強化基本概念理解，培養創新能力

概念和原理是創新的基礎，只有掌握概念、清晰原理，才能舉一反三而后應用自如。因此，在授課過程中，教師應多措并舉，把基本概念講清楚，講透徹，讓學生深入理解。

（1）剛性試驗機是20世紀70年代巖石力學的重要進展，對其機理進行嚴謹的理論推導，對于初次接觸的學生難以激發學習興趣。為了解釋柔性結構比剛性結構易于儲存變形能的特點，筆者以彈簧和圓鋼柱的壓縮為例，讓學生很快就明白柔性試驗機壓縮蓄能的快速釋放是使脆性巖樣產生爆裂的根本原因。

（2）室內巖樣力學試驗是課程的重要內容，書面講解試驗步驟較為枯燥，效率低下，但若先上試驗課，一缺乏必要的準備知識，二受試驗條件所限，難以讓每個學生都參與其中，必然導致教學效果較差。由于視覺化的知識能夠在短時間內留下深刻的印象，因此，可采用拍攝試驗全過程的方法，包括聲波速度測試、單軸壓縮試驗、單軸抗壓強度試驗、直接剪切試驗、角模壓剪試驗、巴西劈裂試驗和點荷載試驗等，在每個試驗講解前播放視頻，然后書面講解試驗機理和數據處理程序，最后通過試驗課直觀體驗，鞏固教學效果。

（3）原巖應力是地下工程圍巖變形、破壞的根本源動力，在巖體工程具有舉足輕重的地位，并由此帶來“先加載，后開挖”、次生應力、開挖擾動和圍巖等一系列巖體工程特有的概念。對于從理論力學、材料力學、彈性力學和結構力學一路學過來的學生而言，理解這些概念并非易事。筆者選擇理想試驗的方式來形象化該概念，具體來講，就是將地層簡化為彈簧-質點系統。該系統在重力作用下平衡后，彈簧發生壓縮變形，系統內存在“原巖應力”，此時“開挖”去除一部分質點，必然帶來“應力重分布”和“開挖擾動”。

（三）深入工程現場，提升工程能力

為達到“行業企業深度參與培養過程，強化培養工程能力”的培養目標，學校土木工程專業礦山建設工程方向實行“卓越計劃”培養方案，學生企業實訓學時達到36周，有充足的時間在煤礦現場進行實踐學習。在學院層面與永煤集團車集煤礦、城郊煤礦簽訂了本科生合作培養協議，建立了現場實踐教學基地。

在這種良好的前提下，可在課堂教學（32學時）之外，將部分課堂教學內容與學院在煤礦現場的科研項目有機結合，相互配合，是一種高效集約的授課模式，既可以加深學生對理論知識的認識，又能提高學生的動手能力。如課堂內的“巖體聲波速度測試”與現場巷道松動圈測試，“原巖應力測試”與現場常用的空心包體法測試，“古典地壓理論”與支護結構地壓實測方法等。在教學過程中應該在確保安全的前提下，采用小班精細化教學模式以適應現場的惡劣條件。

聘請富有工程經驗的工程師與授課教師進行交流合作。選擇科學的授課方法、制定合理的授課內容是一種有效的培養方式，既可以使學生盡快適應企業要求，又能對青年教師起到幫助作用。比如：參觀軟巖大變形實例，加深學生對巖石流變的認識；觀摩支護施工流程，掌握新奧法施工的原則；通過“沿空留/掘巷”“應力轉移維護巷道”等工程措施的學習，深刻理解開挖引起原巖應力重分布機理在現場的應用。

四、結語

工程教育必須“回歸工程”， 在“卓越計劃”下的巖石力學課程教學改革，要以培養學生的工程實踐能力和創新能力為目標，注重行業背景，優化教學內容，豐富教學手段，重視基礎概念與機理，深入工程現場，加強實踐環節，激發學生興趣，切實提高教學質量，培養行業需要的優秀工程人才。

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