新時代“巖體力學”“七步法”實驗教學模式探討

陳軍濤 閆莎莎 張培森 陳靜 寧建國

摘 要 針對當前高?！皫r體力學”實驗教學過程中出現的本科學生多、實驗設備不足、實驗教學學時相對較少、學生創新意識不足等一系列問題，結合工程教育認證中學生的畢業標準，提出了“以現場問題引入實驗教學”、“鼓勵學生創新實驗方法”和“利用新技術多途徑實現實驗教學”的新時代改革方向，并以巖石單軸壓縮試驗為例，詳細闡述了“七步法”實驗教學模式的主要內容。該實驗教學模式符合工程教育認證要求的學生畢業標準，解決了當前高校“巖體力學”實驗教學存在的諸多弊端，可為新時代高等院校“巖體力學”的高質量實驗教學和高水平人才培養提供指導。

關鍵詞 巖體力學 “七步法”實驗教學模式 高等院校 工程教育認證

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2020.01.066

Experiment Teaching Mode of "Seven Steps" for

Rock Mass Mechanics in the New Era

CHEN Juntao[1][2][3]， YAN Shasha[1]， ZHANG Peisen[1]， CHEN Jing[1]， NING Jianguo[1]

（[1] National Demonstration Center for Experimental Mining Engineering Education， Shandong University

of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590;

[2] State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control of Shandong University

of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590;

[3]College of Geosciences and Surveying Engineering， China University of Mining and Technology （Beijing）， Beijing 100083）

Abstract Aiming at the issues of experiment teaching for rock mass mechanics in universities， such as too many students， less experiment equipment， less teaching time and inadequate innovation， the teaching orations about "bringing the field to experiment teaching"， "encouraging the students to innovate experiment" and "make full use of different methods to rich experiment teaching" were brought up based on the demand for graduates of engineering education accreditation in new era， then， taking rock uniaxial compression test for example， the experiment teaching mode of "seven steps" was described in detail. This mode of rock mass mechanics is in accordance with the demand for graduates of engineering education accreditation， and solves many disadvantages existed in experiment teaching in colleges， which could provide some useful guidance for high quality experiment teaching for rock mass mechanics and high level students.

Keywords rock mass mechanics; experiment teaching mode of "seven steps"; colleges and universities; engineering education accreditation

“巖體力學”課程是采礦工程、土木工程、地質工程等學科必修的專業基礎課，主要研究巖體（巖石）在外力作用下應力、變形及其破壞規律等的學科，是解決水利、土木、交通工程等建設領域中巖土工程問題的重要方法。因此，“巖體力學”是一門融合理論知識和工程實踐的基礎課程。

隨著我國經濟的快速發展，大量城市已建和在建的地鐵、隧道，礦產資源開采、水利水電工程等都涉及到巖體力學問題。2018年10月24日在中國境內開通的港珠澳大橋，是在高溫、高濕、高鹽環境中于松軟地基之上建成的世界最長、埋深最大的海底沉管隧道，被英國《衛報》譽為“新世界七大奇跡”。這些巖土工程的建設離不開巖體力學的專業知識，更是依托于無數個巖體力學實驗獲得的力學參數而設計的。所以，“巖體力學”課程的實驗教學，對于“新工科”學生的學習至關重要。

1 “巖體力學”實驗教學的意義

（1）進一步加深學生對課堂專業知識的理解。目前全國高校的“巖體力學”課程一般為50個學時左右。一般情況下，授課老師通過PPT、板書、項目經歷和與學生互問互答等教學方式，講解巖體力學的相關知識。鑒于“巖體力學”課程知識量大，學時少的特點，本科學生對課程涉及的專業知識尚缺乏足夠的認識。通過“巖體力學”實驗課程的學習，可以有效的將理論知識和現場問題結合起來，多方位思考地下工程中巖體失穩的力學機理，有助于進一步加深學生對課堂知識的轉化和深入理解。

（2）激發學生對專業知識學習的興趣。相對于枯燥的課堂教學，學生更容易對巖體力學中的實驗內容感興趣，比如為什么要制作圓柱形和立方體的標準試樣等。授課老師在實驗教學中要多方面、立體式的引導學生去思考“巖體力學”課程的相關知識點，借助地下巖土工程的實際問題，生動形象地講解每一個實驗過程，激發學生的學習潛能和主觀能動性，培養學生積極探索實驗現象背后的本質原因。

（3）搭建學生對問題研究的思維框架。解決問題的思路對于問題的解決至關重要。巖體力學的實驗教學過程，有助于培養學生形成遇到問題、分析問題、解決和驗證問題的方法，有效搭建學生研究巖體力學問題的思維框架，提高學生獨立思考和創新研究問題的能力，更好的培養新時代新工科的高水平人才。

2 當前高?！皫r體力學”實驗教學存在的問題

“巖體力學”課程主要面向采礦工程、土木工程、地質工程等學科的學生，學生數量較大，加之實驗器材不足、學時較少（一般為2個學時）等多方面原因，使得“巖體力學”課程的實驗教學大多形成了“學生課前預習、教師講解實驗、實驗報告撰寫”的教學模式，這種傳統的教學模式主要帶來以下問題：

（1）教學模式單一，調動不起學生學習的積極性。目前的“巖體力學”實驗授課模式主要以教師講授+學生觀察為主，盡管學生課前對實驗內容作了預習，但由于學生很少能夠逐一親自動手操作實驗過程，導致學生不能很好的消化巖體力學實驗涵蓋的知識點，而且一次性學習實驗課的同學比較多，造成學生學習效果往往不盡如人意。所以，學生對“巖體力學”的實驗課程興趣不大，對涉及的知識點理解不會深入。

（2）實驗內容與現場問題聯系不足，教學過程不夠形象具體。傳統的實驗授課模式只是純粹的講解實驗過程，至于試樣為什么是圓柱形和立方體形狀的，以及實驗結果如何應用于現場實踐等問題，老師們往往不能詳細的發散式講述，這樣學生就不能從全局的角度把握整個實驗過程，認識不到巖體力學實驗的重要性，最終導致學生不能舉一反三和達到運用實驗手段解決實際問題的效果。

3 基于OBE的“巖體力學”實驗教學改革方向

我國工程教育認證采用基于OBE（Outcome-based Education）的認證標準，認證標準對畢業學生的培養目標有三點如下：（1）能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于解決復雜工程問題;（2）能夠設計針對復雜工程問題的解決方案，能夠在設計環節中體現創新意識;（3）能夠針對復雜工程問題，開發、選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程工具和信息技術工具。這三個目標對學生的現場實踐認知和解決能力、創新創造能力以及知識創新和現場問題的融合能力提出了要求。

因此，“巖體力學”實驗教學須圍繞“以現場問題引入實驗教學”、“鼓勵學生創新實驗方法”和“利用新技術多途徑實現實驗教學”三個方向進行過程改革。

3.1 以現場問題引入實驗教學

科學實驗，是指根據一定的目的，運用一定的儀器、設備等物質手段，在人工控制的條件下，觀察、研究自然現象及其規律性的社會實踐形式。因此，在進行巖體力學試驗教學時，老師們要和學生講明白實驗的來龍去脈，比如實驗的目的和作用等，最好是結合巖土工程的現場問題去講解實驗的原因、過程、數據處理及分析，實驗結果如何應用于現場問題的解決等，這樣學生們就會對實驗過程形成清晰明確的理解，有助于理論聯系實際，學會運用實驗手段解決現場問題的方法，培養學生認識問題、分析問題和解決問題的思路和能力。所以，“巖體力學”實驗教學須要從現場實際問題引入。

3.2 鼓勵學生創新實驗方法

創新是一個民族進步的靈魂。每個巖體力學的實驗方法不是固有的，老師們在實驗教學過程中要多激發學生們去思考巖體力學問題，針對某個現場工程問題，充分發揮學生們的想象力和創造力，比如可以通過全國大學生采礦技能大賽等活動讓學生們研制新型的實驗設備和研究方法等（實驗考查時可設創意分數），培養學生的創新思維，搭建學生對問題研究的思維框架，培養學生的動手操作能力。所以，“巖體力學”實驗教學過程中，在掌握實驗基本思路、過程和目的的前提下，要充分啟發學生的創新思想，鼓勵學生對實驗方法和過程進行創新。

3.3 利用新技術多途徑實現實驗教學

21世紀以來，專家們研究巖體力學問題的方法很多，如理論分析、數值模擬、室內實驗和現場實踐等，特別是近年來出現的聲發射、工業CT、數字散斑、高倍掃描電鏡、超聲波成像等技術，廣泛應用于巖體力學問題的研究中。因此，老師們在實驗教學的同時，要采取各種途徑盡可能多的向學生們介紹這些先進設備的使用情況（如現場操作、視頻講解，遠程學習等），開拓學生的視野和思維，在部分院校巖體力學實驗設備不足的情況下，老師可以利用PFC、RFPA等軟件基本的力學試驗，有助于形象的加深學生對巖石破裂失穩的理解。所以，實驗教學應采用多種新技術生動形象的展現實驗的實施過程。

4 以巖石單軸壓縮試驗為例，闡述“七步法”實驗教學模式的主要內容

為更好的體現“巖體力學”“以現場問題引入實驗教學”、“鼓勵學生創新實驗方法”和“利用新技術多途徑實現實驗教學”的改革方向，提出一種基于“問題來源-實驗操作-數據分析-服務現場”教學思路的“七步法”實驗教學模式，該模式從現場實踐中引入實驗問題，采用多種新技術形象生動的展現試樣制作、實驗過程及數據分析的全過程，充分激發本科學生的創新創造思維，全程教學貫穿以學生主動探索學習為主，實驗指導教學為輔的理念，最后將獲得的實驗結果應用指導于現場問題。

巖石單軸壓縮是指巖石在單軸壓縮條件下的強度、變形和破壞特征?，F以巖石單軸壓縮試驗為例，簡要講解“巖體力學”課程“七步法”實驗教學模式的主要內容。

（1）教學目的：掌握巖石單軸壓縮實驗的方法，學會巖石單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比的計算方法;了解巖石單軸壓縮過程的變形特征和破壞類型，指導應用于現場工程的巖體力學問題。

（2）教學思路：實踐問題來源—實驗操作—數據分析—應用現場。

（3）實驗教學過程設計：

a.實驗教師通過現場項目（如錦屏一級水電站建造涉及的巖體力學問題），提出需要的巖石力學參數，討論這些力學參數如何獲取，引出需要講解的巖石單軸壓縮試驗;

b.帶領學生參觀地球科學館，認識巖石試樣的形成過程和形態特征，為準確分析巖石破裂失穩原因做準備;

c.帶領大家參觀試樣的取芯和加工過程，以及試樣加工需要達到的精度要求和原因;

d.進行單軸壓縮試驗，可配合聲發射技術實現巖石破裂路徑的實時監測（最好是老師指導學生親自操作一次，儀器設備不允許時可通過數值模擬實現），觀看試樣的破裂過程;

e.以某組試驗數據為例，講解試驗數據的處理方法;

f.針對試樣破裂形態，和同學們討論試樣破裂的原因，最后老師總結試樣破裂問題，同時講解如何將實驗獲得的結果應用于現場問題;

g.學生們撰寫實驗報告。

圖1中，（a）為實驗教學的現場問題來源;（b）-（f）為實驗操作及分析過程，涉及一些巖體力學問題研究的新技術，實驗過程充分激發學生學習的興趣和過程的探索創新;（f）為將實驗結果回歸服務于現場問題的解決;（g）為實驗過程的總結。

5 結語

“七步法”實驗教學模式充分體現了“以現場問題引入實驗教學”、“鼓勵學生創新實驗方法”和“利用新技術多途徑實現實驗教學”的改革方向，契合了工程教育專業認證中畢業學生需要達到的培養標準，簡單實用，實施性強，容易為高校“巖體力學”實驗課程老師所接受，可為新時代“巖體力學”的高質量實驗教學和人才培養提供指導思路。

*通訊作者：閆莎莎

基金項目：礦業工程國家級教學示范中心開放基金資助項目（KYSF20180211，KYSF20180104，KYSF20180208）;礦業工程一流學科建設專項（04CK01903）;國家自然科學基金（51604167）;山東省重點研發計劃資助項目（2018GSF117018）

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