新工科課程教學設計與實踐

關凱 朱萬成 劉洪磊 侯晨 張鵬海

摘? 要：新工科教育注重培養具有較強實踐能力和國際競爭力的未來復合型人才。巖石力學作為采礦工程等工科相關學科的重要專業課程，對學生科學基礎知識和工程分析能力培養具有重要作用。針對目前課程教學中巖石力學理論與礦山工程應用結合不夠緊密等難題，文章以應用巖石力學課程教學為例，結合多手段教學方法提出課程教學思路，即以服務于礦山安全高效開采為核心目標，以巖石和巖體為重要支撐，以巖石力學分析和監測方法為骨干內容，建立起巖石力學基礎理論與采礦工程實際應用之間的聯系。

關鍵詞：巖石力學;教學設計;理論聯系實際;工程思維

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）06-0071-05

Abstract： The new engineering education focuses on the cultivation of future compound talents with strong practical ability and international competitiveness. As an important professional course of mining engineering and other engineering related disciplines， Rock Mechanics plays an important role in cultivating students' basic scientific knowledge and engineering analysis ability. In view of the problem that the theory of Rock Mechanics is not closely combined with the application of mine engineering in the current course teaching， taking the teaching of Applied Rock Mechanics as an example， combined with the multi-means teaching method， the course teaching idea is put forward， that is， taking rock and rock mass being the important support， and the rock mechanics analysis and monitoring method being the backbone content， the relationship between the basic theory of rock mechanics and the practical application of mining engineering is established， which aims at serving the safe and efficient mining of mines.

Keywords： Rock Mechanics; teaching design; integrating theory with practice; engineering thinking

礦產資源是發展國民經濟、保障國家安全的物質基礎，而巖石力學是支撐地下及露天礦山工程行穩致遠必不可少的基礎學科。東北大學應用巖石力學著眼于將巖石力學應用解決采礦工程問題，通過介紹巖石力學參數測試、巖體質量分級、地應力、圍巖狀態及其檢測等內容，將巖石力學用于指導采礦設計，該指導作用貫穿于礦山開拓、采準、切割、回采及復墾等工程的全生命周期，并對礦山動力災害的預測、預警和防控提供重要的理論與技術指導。

在新工科教育背景下，培養具有實踐能力強、具備國際競爭力的面向未來復合型人才是其中的重要理念，需要在專業布局優化、學科交叉融合及工程教育“新體系”建設等方面推進多樣化和個性化人才培養體系的搭建[1]。在新經濟形勢下，從未來的資源開發角度來看，礦山工程將面向深部開采、智能采礦和綠色開發方向發展[2]，以現代采礦工程人才需求為導向，探索提升傳統巖石力學課程的教學體系，運用與前沿理論和技術相融合的教學設計思路和方法，致力于培養學生扎實的巖石力學基礎和應用巖石力學知識體系解決礦山工程實際問題的創新能力，是巖石力學教學中實踐新工科教育理念的一個較好嘗試。

考慮到巖石力學在采礦工程實踐中的突出作用，當前地礦類高校均將其作為采礦工程等相關專業本科教學的主干課程，并在教學改革及人才培養中進行了諸多嘗試，取得了豐富的進展。李擎等[3]從優化教學內容、豐富教學手段和改善考查方式等方面進行了巖石力學教學改革，以克服學生被動學習的教學現狀。包春燕等[4]和劉溪鴿等[5]提出利用現代計算力學新理論、新方法對巖石的損傷失穩破裂過程進行數值模擬試驗，突破傳統巖石力學物理實驗觀測難、重復難等諸多難題，探索了一條巖石力學課程教學改革的新路。年廷凱等[6]通過改進多媒體課件、優化實驗及數值模擬環節等手段來豐富巖石力學教學內容，使其更加充分兼顧理論教學、物理實驗與數值仿真三個方面。劉宗輝等[7]為了激發學生對巖石力學實驗的學習興趣和熱情，提出了“基本-綜合設計性-個性培養”三個層次的實驗教學改革思路，并對不同層次的具體實施措施進行了細致闡述。

隨著我國科技的發展，信息技術和現代教育手段也逐漸應用于課程教學中，不斷創新教學手段，有利于實現學生互動式學習和教研相長。由于虛擬現實技術（Virtual Reality）能夠將實際工程素材融合于計算機建模中，具有增強現實感官效果且成本較低的優點，因此在教學應用中愈加受到高校的歡迎。楊天鴻等[8-10]全面介紹了東北大學金屬礦山巖石力學與安全開采國家級虛擬仿真教學實驗中心虛擬現實系統的設計與實現，并將其應用于巖石力學參數估算、巖體質量分級以及巖石破裂過程三維可視化教學中，極大地調動了學生的學習熱情，加深學生對巖石力學理論及實驗的理解，提高了學習效果。王培濤等[11]探索協同虛擬現實技術和3D打印技術的“虛實結合”教學模式，并基于巖土工程實例進行了較好的實踐教學應用。左偉芹等[12]提出需將翻轉課堂的教育模式運用于巖石力學的課堂教學中，借助于微課程、MOOCs平臺等多元化教學方式，將傳統的被動式學習轉變為主動學習，充分體現學生學習的主體性和參與度。

巖石力學的服務對象為礦山工程，這就決定了巖石力學的教學設計要以工程應用為背景，需要在巖石力學基礎理論和礦山工程實踐應用之間建立緊密聯系，推進和加強巖石力學在采礦工程中的應用，在培養學生專業基礎理論素養的同時，提升學生的工程哲學思維。本文結合東北大學巖石破裂與失穩研究所開設的應用巖石力學本科生課程，探索建立教學設計思路和實踐手段，旨在有效銜接起巖石、巖體基礎理論與采礦工程應用之間的聯系，增強學生對于巖石力學在礦山工程應用的理解，以期提高應用巖石力學課程的教學質量和實現人才培養目標，為將來學生運用巖石力學知識體系更好地服務于礦山工程奠定基礎。

一、存在問題及教學設計思路

（一）巖石力學教學中的不足

在新經濟形式下，特別是在礦山工程向地球深部進軍的發展新格局下[13]，礦山科研及技術人員面臨的災害處置及技術革新等難題愈加復雜，對于巖石力學人才的培養，更要客觀思考目前巖石力學人才教育存在的問題，即礦山工程專業學生缺乏實踐性以及利用專業科學素養解決工程實際問題的能力。造成上述問題的主要原因可以歸納為以下幾方面：

（1）課程內容需更新，教學方法需創新。在傳統的巖石力學課程教學中，側重于介紹巖石力學基礎理論和計算方法，巖石力學理論與礦山工程應用結合不夠緊密;同時，由于大規模工業生產及國防建設的需求，巖石力學研究有了突飛猛進的發展，教學內容嚴重滯后于目前巖石力學與工程的高速發展。傳統線下教學模式比較單一，迫切需要采用現代信息技術和教育手段提升課程的教學效果。

（2）實驗室實驗難以大量有效開展。巖石力學的很多實驗費時、費力、費錢，難以在實驗室完成。例如，采礦工程中遇到巷道的冒頂、塌方、突水、巖爆以及邊坡失穩滑移等礦山動力災害現象，也難以采用物理相似試驗進行有效開展、并向學生進行直觀演示。

（3）實驗現象難以觀察、監測數據難以解析。巖石中應力狀態及能量釋放、轉移和集聚過程比較抽象，難以通過肉眼直觀看到;此外，礦山巖體工程分析和監測產生了大量的數據，學生短時間內難以實現數據的整理、挖掘、分析和理解。

（二）應用巖石力學課程的教學設計思路及其實踐

礦山工程的穩定性與巖體性質和周圍的賦存環境狀態密切相關，巖體由巖塊和結構面構成，而巖體賦存環境可通過巖石力學分析和現場監（檢）測手段進行表征。因此，要實現巖石力學基礎理論與礦山工程的緊密聯系，巖石力學課程教學設計思路應著眼于巖石、巖體、賦存環境以及巖石力學分析和監測方法這四方面。

應用巖石力學的總體教學設計思路如圖1所示。該課程以服務于礦山安全高效開采為核心目標，以構成采礦工程基本單元的巖石和巖體為兩個重要基礎支撐，以巖石力學分析和監測方法為重要紐帶和服務軀干，有效建立起巖石力學基礎理論與采礦工程實踐應用之間的緊密聯系。為夯實基礎、行穩致遠，巖石的教學內容應當包括巖石的離散性、物理力學性質和力學實驗方法，巖體的教學內容應當包括巖體結構特征、地應力及賦存環境和巖體質量分級;然后以巖石力學分析和監測方法為重要紐帶和橋梁，有效銜接起巖石、巖體基礎理論知識與采礦工程應用之間的穩固三角關系，采礦工程為巖石和巖體提供取樣環境和地質條件，巖石和巖體為采礦工程提供力學參數和結構特征，借以巖石力學多手段的分析和監測方法，實現巖石力學基礎理論在采礦工程中的實踐應用，最終為礦山動力災害致災機理與災害分析、災害防控與采礦設計以及災害預測預警云平臺的搭建提供重要指導。

（1）巖石

巖石是地殼表層巖石圈的主體，也是構成礦山開采環境的基本單元，因此在應用巖石力學教學中首先需要學生了解巖石離散性及其物理性質和力學性質。在教學過程中，通過結合室內物理實驗、上機數值試驗以及課堂講解等多手段讓學生掌握巖石強度和變形的測試方法。

例如，巖石的力學性質具有離散性，一方面與巖石本身的非均勻性有關，另一方面也與人為因素（試樣的加工及測試條件）有關。如果通過開展室內物理實驗來讓學生認識測試參數的離散性，在教學時間上不允許;如果只是片面地講解，則顯得比較抽象和空洞。然而，開展數值模擬則有利于認識這種離散性，并為消除離散性提供理論依據。如圖2所示，為了反應巖石本身的非均勻性，采用RFPA數值試驗方法來開展巖石破裂過程的數值試驗[14]，通過揭示巖石的破裂機理，加深學生對于這種離散性的認識。對于外部因素（試樣形狀、測試條件等）的影響，通過開展不同工況的數值試驗，解析測試結果具有離散性的原因。這一方面彌補了不能開展大量物理實驗所帶來的巖石基礎理論學習不足的弊端，更重要的是通過數值試驗加深了學生對于巖石破裂機制的認識，這對于將巖石力學應用于解決礦山工程實際問題是非常有益的。

（2）巖體

對于巖體結構面性質，在教學中結合實際工程案例和最新的結構面攝影測量技術，提升學生對現場復雜地質結構類型及分布特征的直觀認知。圖3所示為運用ShapeMetriX 3D三維不接觸測量系統對某礦山進行的結構面產狀信息采集和分析，通過對結構面進行清晰攝影、展示和產狀統計，幫助學生直觀形象地認識巖體結構類型以及結構面產狀信息的采集分析方法，提高學生對于結構面性質的理解程度。

由于工程巖體尺度較大且礦山現場存在一定安全隱患，所以無法讓每一位學生到實際工程巖體旁進行每一個結構面的識別統計和巖體強度估算，本課程基于Unity3D引擎開發了“巖石及巖體力學參數估算虛擬仿真實驗”平臺，可以讓學生在線進行從目標區域選取、巖石力學參數測試、結構面虛擬仿真識別、賦存環境表征、巖體強度估算到巖體質量分級的整個操作流程，如圖4所示。由于學生對于虛擬現實這種新技術十分感興趣，將虛擬現實技術應用于巖石力學課程教學中，極大地調動了學生的學習熱情，提高了學習效果。此外，通過該虛擬仿真平臺進行礦山三維漫游，學生能夠根據巖體質量等級劃分結果對礦山不同區域進行工程災害風險評估，進而提出針對性的災害防控建議，有利于實現“教與學互動、理論與實踐結合、能力與興趣共增”的教學目標[8，15]。

（3）礦山巖體工程

為了搭建巖石力學基礎理論和礦山巖體工程應用之間的聯系，需要向學生介紹巖石力學分析及監測礦山巖體工程穩定性的基本方法和手段，并在傳統分析方法的基礎上，更新講解最新的工程巖體數值試驗方法和工程現場監測設備。通過國家級虛擬仿真實驗平臺，結合數值試驗方法，讓學生身臨其境體驗礦山災害發生的時空演化過程（圖5），指導學生針對性地進行災害防治及采礦方案的優化設計，讓抽象的礦山巖石力學問題具體化和形象化;學生根據虛擬礦山遇到的巖石力學問題，可以采用數值試驗進行機理探索，實現互動式學習。同時，通過參觀校內搭建的深部模擬巷道和本科生巷道實訓基地，讓學生進行更真實的實踐和了解現場工程不同的監測手段。

此外，課程還充分利用東北大學巖石破裂失穩研究所搭建的礦山災害監測預警云平臺，結合工程案例，向學生展示大數據及物聯網等前沿信息技術在礦業工程中的應用情況，可視化礦山生產及監測數據的采集、挖掘、巖石力學計算分析、災害預測預警及警情發布的整個流程，極大地拓寬傳統巖石力學分析方法的功能，激發學生創新動力，提高學習興趣。

二、結束語

新工科背景下增強學生解決專業科學問題的能力以及解決工程實際問題的能力符合礦業工程學科及社會需求的發展趨勢。本文探索了應用巖石力學的課程設計思路，從巖石、巖體、巖石力學分析和監測方法以及礦山巖體工程等教學內容為出發點，結合工程案例、物理實驗、數值模擬、虛擬現實、實訓基地以及前沿信息技術等多手段教學方式，有效建立起了巖石力學基礎理論與采礦工程實踐應用之間的緊密聯系，強化了學生的理論科學素養和工程哲學思維，同時提高了學生的學習熱情和積極性，有利于學生專業綜合素質的提升。

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