“巖石力學與工程”教學初步探索

馬振乾，周 浪，左少杰，王子一

（貴州大學 a.礦業學院；b.國土資源部喀斯特環境與地質災害重點實驗室，貴州 貴陽 550025）

引言

隨著現代新媒體技術的不斷發展，多元化教學模式已被廣泛應用于各大高校的課程教學中，傳統教學模式不斷受到沖擊，單一的教學方式已不能適應教學要求。“巖石力學與工程”作為采礦工程專業的必修課程，涉獵行業極其廣泛，適用性強，同時也是一門理論、實驗與實踐結合緊密的特色專業課程，旨在研究巖體力學性態、變形和穩定性問題。課程涵蓋巖體的質量評價及其分類理論方法、地應力及其測量理論和方法、巖石的流變理論和強度理論，通過分析邊坡工程巖體穩定性、巖石地基承載力與穩定性，強化學生對工程問題的認識和理解。

傳統“巖石力學與工程”課程教學方式單一，多數采用板書的形式進行教學，無法調動學生的積極性，難以培養和激發學生的創新意識和創新能力，對于學生發現、分析和解決巖石工程實際問題綜合能力的提高作用微乎其微。隨著經濟的飛速發展，多數高校已為“巖石力學與工程”課程配套了多媒體和基本的巖石力學實驗設備，“板書+多媒體+實驗”的教學方式大大提高了學生的積極性。但由于一些巖石力學實驗條件苛刻，室內實驗得不到想要的效果，這時往往需要借助虛擬仿真手段，才能夠達到實驗目的。

李曉蓉等［1］借助有限元ABAQUS開展了單、三軸巖石力學數值實驗，充分提高了學生分析和理解巖石力學問題的能力；王述紅等［2］把巖體真三維建模仿真技術引入巖石力學教學改革中，取得了良好的效果；張義平等［3］把數值模擬系統RFPA引入“巖體力學”課程教學，加深了學生對巖石破壞過程的理解；張曉君等［4］通過在“巖體力學”課堂上演示數值模擬教學，激發了學生對科研的興趣。

本文借助中國科學院武漢巖土力學研究所和東北大學共同研制的能夠對工程巖體破裂過程進行模擬和計算的軟件系統CASRock，通過數值仿真軟件內嵌的RFD（巖石破碎程度）模塊讓巖石破碎過程更加可視化，完整呈現巖石裂隙擴展過程，讓學生對巖石破壞機理有更具體的認知，對調動學生學習積極性、鼓勵學生投身科研有著顯著作用。

一、傳統“巖石力學與工程”課程教學的局限性

（一）授課方式單一

“巖石力學與工程”作為采礦類專業最基礎的一門課程，其重要程度不言而喻，然而由于課程內容多涉及一些較深奧的理論知識以及多種推導公式，導致講授過程枯燥乏味，無法培養和激發學生的創新意識和創新能力，更不能學以致用，這便失去了開設這門課程的意義。為此，很多教育者進行了研究。顧曉薇等［5］在工科類專業課程教學中融入社會責任感、愛國情懷，旨在培養全方位復合型人才；趙娜等［6］將工程案例引入教學，與抽象的理論相結合，有效地激發了學生的學習興趣。即便如此，部分高校依舊沒有改變授課方式單一的問題。

（二）實驗室基礎設備不健全

“巖石力學與工程”作為一門以實驗為基礎的實踐性課程，其授課質量一定程度上取決于實驗室設備的情況。然而多數高校由于受教學經費、學校駐地、實驗室建設情況以及校領導的重視程度等多因素影響，導致實驗室設備不全、現存設備基本沒有檢修、很多設備已不能使用，甚至一些院校連最基本的實驗室都沒有，這樣培養出來的學生大多缺乏實際操作能力，與培養全方位復合型人才的目標背道而馳，這無疑是目前部分高校教學模式中存在的較大的缺陷。

二、教學探索與嘗試

“巖石力學與工程”課程的教學目的是讓學生熟悉并掌握巖體工程中巖塊、巖體的概念以及巖石成分、結構和構造等基本概念，進而強化學生在巖石工程實際中發現問題并解決問題的能力。對該課程教學模式進行改革，使得高校在工程教育認證的背景下，結合時代發展需要培養具備相應專業能力的高素質全方位復合型人才。根據對傳統教學局限性的分析，本節從工程教育認證的背景出發，對“巖石力學與工程”課程提出以引入數值仿真實驗為主，授課方式多元化、培養學生主觀能動性為輔的教學改進方法。

（一）授課方式多元化

在工程教育認證背景下，“學生中心”是基本的教學理念。通過對前人研究進行分析，針對目前授課方式單一的問題，高校教育者還需要進一步改善授課方式。隨著工程教育專業認證的進一步推廣，強調以學生為中心，圍繞培養目標和全體學生畢業要求的達成進行資源配置和教學安排，并將學生和用人單位滿意度作為專業評價的重要參考依據。

新時代應以全方位復合型人才為目標來培養學生，高校作為人才培養的搖籃，應利用教師流動性大的特點安排教師串堂講課。如當“巖石力學與工程”課程需要畫圖才能有助于學生理解問題時，可適當安排美術類課程的教師來作圖。此外，教師可以通過具體的工程案例幫助學生理解抽象的理論，同時還可以聘請相關公司負責人對學生進行專題類的講解。通過這些手段使授課方式多元化，對于激發學生的學習興趣、培養學生的創新意識和創新能力以及把學生培養成全方位復合型人才有一定的積極意義。

（二）培養學生的主觀能動性

主觀能動性也叫自覺能動性，是人類特有的能力與活動。發揮主觀能動性是用科學理性的眼光去發現問題、解決問題，用辯證唯物主義和嚴謹的邏輯思維指導學習。當下學生正處于頭腦和身體都飛速發展的時期，對于新事物接受快、學習迅速，在這樣的黃金時期能夠充分調動自身的主觀能動性進行思考，對學生來說將達到事半功倍的效果。

在現代教育的課堂教學中，多數學生處于被動接受學習的狀態，對于“巖石力學與工程”這類理論、實驗與實踐結合緊密的課程，若不能發揮學生的主觀能動性，培養出的學生也只是理論知識方面較為擅長，但無法在基礎知識理論上進行創新，長此以往會使得此學科領域的創新止步不前。李四光說：“一些陳舊的、不結合實際的東西，不管那些東西是洋框框，還是土框框，都要大力地把它們打破，大膽地創造新的方法、新的理論，來解決我們的問題。”愛因斯坦說：“想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進步，并且是知識進步的源泉。”由此可見，主觀能動性在學生的學習生涯中有著不可替代的作用。如何培養學生的主觀能動性？本文歸納出以下幾點。

1.突破新知，重在參與。實踐出真知，這是獲取知識最直接的途徑。在工程教育認證背景下，新知識的教學已不能再采用過去簡單的教師傳授、學生領悟的教學模式，而是要求學生聯系實際，在實際的巖體工程實踐中發現問題并解決問題。

2.營造和諧的課堂氛圍。現代教育課堂教學中，教師和學生應保持互動。學生作為學習的主體，其主觀能動性與創造性需要教師的引導與開發。優化師生關系，促進學生主動發展是激發學生主觀能動性的主要因素。作為教師應該清晰地認識到：構建和諧的師生關系、縮短師生間的距離是促進學生主動思考的重要方式。

3.開展自主創新性實驗。教師可根據“巖石力學與工程”課程教學大綱設置實驗目標達成度指標，對于這種實驗性強的課程，學生可根據自己的能力自主設計創新性巖石力學實驗，作為完成本課程實驗模塊部分，同時也是本課程期末總評的指標之一。在整個創新性實驗設計過程中教師可以進行答疑，但不可幫助學生操作實驗。這樣能夠最大限度地調動學生的主觀能動性，促進學生創新思維的發展。

（三）教學中引入數值仿真實驗

由于“巖石力學與工程”課程授課方式單一、基礎實驗設備不完善等因素，導致教學存在很大的局限性，而高校的培養目標是將學生培養成全方位復合型人才。在傳統教學局限性不易改善的情況下，數值虛擬仿真逐漸被引入“巖石力學與工程”課程教學中，對提高學生科研興趣、培養學生創新意識和創新能力有積極意義，取得了良好的教學效果。

與傳統巖石力學室內實驗相比，數值虛擬仿真具有方便靈活、通用性強等特點，被廣泛應用于教學實踐中。近年來，國外相繼開發了各種各樣的數值模擬計算軟件，主要包括有限元（如Abaqus、Ansys、FEM、FLAC）、離散元（如UDEC、DEM、PFC）等。但這些數值軟件的系統都比較龐大，全英文界面對學生來說并不太友好，學習起來相對復雜。國內近幾年推出的數值仿真軟件CASRock由于其友好的中文界面，受到了各大高校工科類教師的推崇，并迅速在“巖石力學”教學領域廣泛應用。下文將簡單列舉該軟件在“巖石力學與工程”教學中的應用以及所取得的教學效果。

三、CASRock在教學中的應用

（一）二維單軸壓縮破裂過程模擬

對巖石進行單軸壓縮仿真實驗，部分模擬結果如圖1所示。

圖1 單軸壓縮破裂過程數值模擬

對初始模型進行位移加載控制，由圖1可知，當模型計算到第78步時，巖石內部萌生出微裂隙，隨后裂隙逐漸擴展（其中RFD表示巖石破碎程度）。加載到第87步時，裂隙繼續擴展并由原來的一條裂隙擴展為兩條裂隙。加載到第104步時，兩條主裂隙繼續發展并在兩條裂隙之間重新產生新裂紋。從圖中學生可直觀地看出應力-應變曲線的四個階段以及每個階段所對應的巖石壓縮破壞的情況，用曲線和破壞圖相對應的形式展現給學生，相比于只講復雜理論來說學生更易接受，進一步加深了學生對巖石力學的基礎概念的理解。

通過圖1對巖石破碎過程裂隙的演化過程，使學生對巖石破碎過程有了更直觀清晰的了解，對巖石破碎過程中裂隙的萌生—擴展—貫通的過程有了基本的認識，同時增強了學生對巖石破壞機制探索的興趣，對提高學生的學習積極性有顯著效果。

（二）真三軸壓縮破裂過程模擬

地下巖石工程在“巖石力學與工程”課程教學中占有重要的地位，并且地下圍巖受力情況往往不是單一的拉伸或壓縮，通常都是多個方向受力。但由于實驗條件限制，巖石真三軸實驗學生基本接觸不到，需采用數值仿真手段模擬深部巖石受力破壞情況。通過真三軸巖石的數值模擬，讓學生對巖石的三軸實驗破壞過程有基本的了解，對地下深部巖體受力破壞有初步的認識。將深部復雜的巖體工程簡化成單個的實驗，由淺入深逐漸啟發學生的思維，激發學生的科研興趣，提高了授課的質量。

結語

本文通過分析傳統“巖石力學與工程”課程教學存在的局限性，提出以在教學中引入數值仿真實驗為主，以授課方式多元化、培養學生主觀能動性為輔的教學改進方法，針對實驗室基礎設備不健全的問題引入了工程巖體破裂過程自動機分析軟件CASRock，通過對巖石進行二維單軸壓縮和真三軸巖石壓縮破裂過程演示，使學生對巖石破壞過程中裂隙的萌生—擴展—貫通階段有了清晰的認識，進一步加深了學生對“巖石力學與工程”課程基本概念和相關知識點的理解。通過數值模擬的演示，豐富了課堂內容，解決了傳統教學難以深入，授課資料不直觀、不豐富且片面的問題，激發了學生的學習興趣以及投身科研的決心，一定程度上拓寬了學生的思維，開闊了學生的眼界，提升了學生將理論與實際相結合的能力，取得了良好的教學效果。