研究生“巖石動力學”課程課題融入式教學思考

劉先珊* 許 明

（[1]重慶大學山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室 重慶 400045；[2]重慶大學土木工程學院 重慶 400045）

0 引言

“巖石動力學”課程研究巖石動力特性或動荷載作用下工程巖體動力響應，是一門應用于巖土工程實踐的技術學科，融合了巖石力學、結構動力學、[1]地震動力學等課程的理論與方法，當前作為巖土工程專業研究生的專業課程。該課程主要涉及巖石或巖體工程在爆炸、沖擊、地震、振動等動載荷下的力學效應或穩定性，分析如上動荷載產生的應力波在巖石內部的傳播及衰減規律，區分其動態力學參數與靜力參數的差異性，確定其動態本構關系特征與本構關系，研究動荷載下的巖石破壞過程及破壞機理，以及相應條件下的巖體工程安全評價的數值模擬方法等。由于涉及的內容廣泛，理論性及實踐性均較強，大多研究生在本科階段較少接觸動力學理論，學習時感覺內容晦澀難懂，學習效果不顯著。

對研究生教學而言，教學中結合學生本科階段的知識體系，從巖石動力學的需求角度出發，[2]將巖石動力學理論、方法與其專業背景集合，旁征博引，運用現代信息技術手段將課件設計得更加有新意，多引入與實際工程相關的內容，有意識地提升學生對課程的認識及實際工程的感知能力，并結合計算機軟件技術，融入實際工程案例的分析來講解“巖石動力學”，提高學生解決科研課題的自主創新能力。

結合“巖石動力學”的課程特點，針對巖土工程專業研究生對該課程的不同要求，找準教學中存在的難點，優化教學方案，激勵學生的自主創新意識，提高研究生課堂教學的高效性及有效性，[3]為后續論文及課題的開展培養創新思維。

1 課程教學中存在的問題

地震、沖擊、爆破等動荷載作用于巖石或巖體的分析中，動力控制方程包含非線性、非定常及非平穩項，動力響應具有瞬態性及隨機性，相比靜力分析，其概念抽象、公式冗長及求解復雜，本科教學中的以“課堂”“教師”及“書本”為中心的教學方式不利于學生對該課程知識點的理解，教學效果不好。為此，將巖石動力學理論與計算機、科研課題或工程案例分析相結合，變靜態封閉為動態開放的教學，引導學生主動參與、自愿探究、勤于研發，是當前教育巨大挑戰亟待解決的關鍵課題。面對本科基礎不同的研究生，[4]教學中不可一概而論。現有的教學存在如下問題：

1.1 課程自身的抽象性

“巖石動力學”課程涉及面廣、內容多及公式復雜難懂，需要前期的“巖體力學”“結構動力學”及“地震動力學”等先修課程。課程教學中會推導理論公式，然后結合案例講解理論知識，經常發現學生對很長或符號不常見的理論公式看不懂，不清楚出處，對理論推導無從下手，理解有難度，感覺枯燥乏味，學習興趣不大。另外，巖石動力學的工程背景不清楚，理論聯系實際的能力也不足。即使對理論掌握較好的研究生，也不知如何運用動力學的相關理論解決實際工程問題。

1.2 教材缺失

研究生“巖石動力學”課程是巖土工程專業的專業課程，課程教學中沒有統一的教材，主要依據教師對巖石力學理論、結構動力學理論以及地震或爆破等作用的巖石動力學理論，綜合形成符合巖土工程專業的簡易教材和課件，由于課程涉及的相關課程理論較多，很難在課件中完全展示相應的理論、公式推導或案例計算過程，學生課后復習的難度加大。

1.3 學習方法不當

巖土工程專業的研究生，本科期間大概接觸過部分巖石動力學理論，結構動力學及地震動理論掌握少。第一次接觸該專業課需要補充的知識點太多，對動力導致巖石或巖體力學響應的狀態沒有概念，無法理解巖石動力學理論公式及各項復雜的偏微分方程。由此，很難把握該課程的學習節奏，找不到適合自己的學習方法，大多數學生覺得該課程的學習難度大、枯燥、無用等。通過現場計算機軟件的演示，加上通俗易懂且生動的工程案例展示，特別是在現場對案例進行計算機模擬分析，可以調動學生對課題研究的興趣，更容易理解理論及其在工程中的應用。

針對以上問題，可以引入更為普遍的工程實例，結合理論與應用中的問題編寫教材，擴大學生的視野，認識課程內容的工程實踐意義；并結合科研案例或工程案例，運用計算機現場演示的方案，展示巖體的動力學特征及動畫響應，使得學生更直觀地認識動荷載下的巖石或工程巖體動力響應過程。

2 課題融入式的課程教學初探

2.1 課程內容的合理化

巖石動力學與邊坡、庫岸、隧道等工程密切相關，重視基礎的同時，需要注重實踐應用，科研課題的選擇可從易到難，逐步深入地講解不同工況的巖石力學響應。例如：巖石邊坡動力問題中的數值模擬方法，如何實體邊坡進行離散化，動荷載如地震、震動或爆破應該以何種形式加到邊坡模型上，講解中通常結合波動理論，闡明荷載在邊坡上的施加方式，說明與靜力加載的顯著差異。

2.2 基于計算機軟件的課堂演示

學生對大型工程認識的缺乏，室內試驗也無法直觀了解巖石或工程巖體在動荷載下的力學響應，特別是大型振動臺試驗價格昂貴，很難有機會進行這種形式的現場教學。計算機信息技術的發展，使得課堂上的計算機仿真[5-6]演示越來越便利，可以幫助學生更好地理解動力學概念，學生也可通過程序編寫或軟件界面操作，提高自主學習并深入研究的能力。

有限元軟件如ANSYS 由于功能強大，在巖土工程領域應用非常廣泛，可以直觀地進行建模、計算和后處理，獲得動荷載下的巖石或巖體位移、應力及變形的動畫。例如，分析巖石基礎的地震動響應，先建立一個巖石基礎的有限元模型，如圖 1（a）所示，施加規則地震荷載如圖 1（b）所示，經計算獲得不同點的位移時程。分析地震波作用下的巖石地基位移時程，幫助學生認識動力荷載下巖石的力學響應規律。另外，對比Shake 程序獲得的速度時程，闡明計算機軟件模擬的適用性。

通過計算機軟件的現場演示，學生能清晰地認識巖石地基在規則波深入過程中的響應特征，更宏觀地把握其時程響應，并在課后的軟件實踐操作中加深工程應用的概念。

圖1 有限元模型及荷載時程

2.3 科研課題的融入與展示

為了充分理解所學的巖石動力學理論，課堂教學中引入科研課題或工程案例是必不可少的。老師引導學生圍繞一個共同任務進行探索，查閱多方面資料，基于計算機軟件進行自主模擬分析，充分發揮學生的主體作用，引導學生在完成既定任務的同時進行自主實踐。例如，教學中事先布置的任務是分析加固邊坡的地震響應，給出一個格構加固工程邊坡的實際尺寸以及地震波數據，學生首先查閱類似的參考文獻，明確邊坡地震響應的分析思路，認識到地震動數據大都是加速度時程，而速度和位移時程需要由加速度積分獲得，且采集的數據誤差大，積分得到的速度和位移時程會出現基線飄移。明確了實際工程中的問題后，首先應用“SeismoSignal 軟件”進行地震波的基線校核，數值積分獲得速度和位移時程。將其地震波輸入到已建立的邊坡模型中，如圖2 所示，計算得到地震作用下邊坡格構柱的彎矩時程，根據時程變化規律，評價邊坡的加固效應。

圖2 邊坡有限元模型及動力響應

3 結語

研究生教學與本科教學模式差異顯著，是一種旨在提高學生“創新能力培養”的靈活方式。對“巖石動力學”課程教學，開展符合巖土工程專業研究生的課堂教學模式，是提高新工科背景下研究生科研能力的關鍵。

（1）針對研究生“巖石動力學”課程教學中存在的問題，提出基于計算機軟件的現場演示方法，闡明融入課題的教學方法是新思路。

（2）基于計算機軟件的課堂演示，論文通過三維數值模擬，分析規則地震波作用下的巖石地基力學響應，使得學生更直觀地把握巖石的動力學特性，引導學生更深入地理解理論知識及工程應用概念，改善課堂教學效果。

（3）課程教學中應融入科研課題，通過工程加固邊坡的動力響應分析，特別是動荷載下的位移和力時程分析，學生更清晰地認識到實際工程安全評價的分析方法，提高了學生獨立思考和解決問題的能力，最終引導學生由被動學習變為主動求知求教。