地方應用型高校巖石力學與工程課程教學改革實踐與效果評價

王正義，朱建群，李鵬波

（常州工學院 土木建筑工程學院，江蘇常州 213032）

2019 年2 月，教育部發展規劃司印發《支持應用型本科高校發展有關工作情況》，要求切實把教學目標真正轉到服務地方經濟社會發展上來，轉到產教融合校企合作上來，轉到培養應用型、技術技能型人才上來。應用型本科人才培養需要與自身辦學定位、服務面向、人才培養目標密切關聯，走好特色發展之路[1]。地方應用型本科高校不僅是高等教育體系的中堅力量，更是面向地方和產業需求培養應用型人才、服務地方經濟社會發展的重要力量[2]。

巖石力學與工程是一門重要的交叉科學和工程應用課程，是基于力學觀點對自然存在的巖體進行性質測定和理論計算，最終為具體的工程建設服務的課程，其在21 世紀國民經濟發展中發揮越來越重要的作用[3]。巖石力學與工程課程作為應用型本科高校城市地下空間工程專業必修課，旨在培養從事巖石工程設計及施工的應用型人才。高速鐵路、高速公路、城市地鐵、管廊、道橋等基礎設施建設，大多涉及巖石地基、地下及邊坡工程，亟需地方應用型高校輸送土建類專業的高素質人才。然而，相對研究型高校而言，應用型高校學生的專業素養相對薄弱，且培養目標也有差異，不能完全采用研究型高校已有的巖石力學教學經驗和方法，要基于自身定位和特色開展巖石力學教學改革探索與實踐[4]。因此，針對地方應用型高校現實背景進行巖石力學與工程課程教學改革研究很有必要。

為進一步提升地方應用型高校巖石力學與工程課程的教學質量，同時基于培養應用型人才的目標，本文分析了常州工學院城市地下空間工程專業巖石力學與工程課程的特點，指出了目前該課程教學存在的一些問題，提出了針對性的課程教學改革措施，并對教改效果進行了總結評價，以期為類似課程教學提供有益借鑒。

1 地方應用型高校巖石力學與工程課程開設現狀及特點

1.1 課程開設現狀

巖石力學與工程課程是常州工學院土木建筑工程學院城市地下空間工程專業的主干課程，共計32 學時，均為理論教學學時，無實驗教學學時。課程教學安排在大學第四學期，面向大學二年級學生。本課程的教學旨在使學生掌握巖石、巖體的基本概念、性質指標及其測定原理與方法，培養學生工程巖石力學性質測定、穩定性分析與評價的基本能力。

1.2 課程教學特點

巖石力學與工程主要講述不同受力條件下巖體變形和破壞規律及工程巖體穩定性[5]，其應用性非常強，能夠應用在巖體工程設計、施工和運行過程。該課程教學具有如下特點：

1.2.1 多學科知識交叉，對學生專業基礎要求高

巖石力學與工程課程包含應用數學、固體力學、流體力學、結構力學、土力學、工程地質、地球物理等多學科交叉知識，且理論性較強，對學生的專業基礎水平（尤其是力學基礎）要求高，導致應用型本科生學習該課程有一定難度。

1.2.2 注重實踐，與實際工程聯系緊密

不同于理論力學、材料力學等類似課程偏向于力學的基礎理論和計算，巖石力學與工程著重于實驗分析和工程應用，很多經典理論均來自實驗結果總結，相關的理論模型也是基于現場工程巖體的受力狀態，所學內容與實驗和實際工程聯系緊密，具有較強的實踐性和應用性。

1.2.3 知識更迭快，新理論、新技術蓬勃發展

現代科學技術的快速發展帶動了巖石力學相關學科的進步，進而促進了巖石力學的發展[6]。此外，我國經濟建設步伐的加快催生出各類大型巖土工程，這些工程難度系數高，對巖石力學提出了更高要求，促進了該學科的發展。快速的知識更迭導致教材內容滯后于科技前沿，亟須在教學中引入巖石力學的新理論和新技術，從而開闊學生的學科視野。

2 地方應用型高校巖石力學與工程課程教學存在問題

2.1 教學和考核模式單一

巖石力學與工程課程仍以傳統的講授式教學為主，采用板書與PPT 相結合的授課模式，缺乏師生互動，學生被動接受知識，學習積極性難以調動。此外，現有考核模式規定學生總成績由平時成績（占50%）和期末考試成績（占50%）構成，平時成績考核學生的出勤、平時表現和課后作業等，期末考試以閉卷考試為主。這種模式仍是傳統的應試教育考核模式，學生通過期末突擊復習即可通過考核，該模式僅考核學生對知識的識記，缺乏對學生分析問題、解決問題能力的考核。

2.2 缺少實驗教學環節

為適應社會發展，教學大綱會適時增加新課程，導致部分主干課程學時逐步減少。此外，受教學運行經費、實驗室條件等因素的綜合影響，城市地下空間工程專業巖石力學與工程課程均為理論教學，缺少實驗教學環節。然而，巖石力學基礎理論基本是從實驗中獲得的[7]，缺少實驗環節使得教師只能在課堂上介紹巖石力學實驗的原理、過程和結果，難以安排學生開展實驗，這在一定程度上割裂了教學過程，學生缺乏對實驗結果背后原理的深入思考和理解，實驗及實踐技能無法得到訓練。

2.3 理論教學脫離工程實踐

巖石力學與工程課程教學仍然以教材為主，講授內容主要為基礎理論知識和簡單工程應用，使得理論教學脫離了工程實踐，導致學生只會求解簡單模型化的工程問題，難以解決復雜多變的實際工程問題。此外，教材內容滯后于巖石力學學科前沿發展，局限于教材的理論教學難以符合基礎理論和工程實踐發展的要求，也無法滿足企業對應用型人才職業能力的要求。

3 地方應用型高校巖石力學與工程課程教學改革實踐

針對巖石力學與工程課程教學特點及存在的問題，本文從以下四個方面進行課程教學改革實踐：

3.1 改革教學模式，豐富教學方法

首先，利用圖表、動畫、視頻等多媒體資源，將巖石力學與工程的巖石試樣破壞的實物照片、巖石力學實驗過程、巖石工程施工步驟等一一呈現出來，彌補教材內容的不足，讓書本知識能夠“活”起來和“動”起來，充分調動學生的學習積極性，從而加深對課程內容的理解與掌握。

其次，利用巖石力學與工程以實驗為主、與工程聯系緊密等特點，開展以特定巖石實驗或巖石工程為主題的輔助式互動教學，設置20min 左右的翻轉課堂[8]，課前讓學生分組收集資料、制作PPT 并在課上匯報，最后由教師進行點評打分。這樣不但能夠有效激發學生學習的主觀能動性，培養學生主動學習的習慣，還能鍛煉其口語表達能力、PPT 制作技能和團隊協作能力。

最后，針對巖石地下工程、巖石邊坡工程和巖石地基工程等章節，除了課程教學之外，還開展相關的課程設計任務。通過設定工程背景，安排學生按照相關的設計規范，通過計算、比選、驗算等，最終確定工程巖體的結構形式，并繪制設計圖。這樣不僅能使學生在設計過程中將知識學以致用，也為學生今后從事巖土工程設計及施工工作奠定堅實的基礎。

3.2 引入數值模擬，開展實驗教學

雖然受教學經費、實驗室條件等影響，該課程缺少實驗教學環節，但是巖石力學是以實驗為重要基礎的學科，尤其是巖石的單軸壓縮、三軸壓縮、單軸拉伸、剪切等力學性質和變形特征是課程的核心內容，沒有開展系統性實驗操作，學生很難深入理解和掌握實驗結果及其力學本質。由于數值模擬實驗具有可操作性強、節約教學成本、用時少、可反復實驗等顯著優勢[9]，可以開展巖石力學與工程的實驗教學，因此可以將其引入課程教學。

數值模擬實驗針對典型巖石力學實驗開展，包括單軸抗壓實驗、三軸抗壓實驗、抗拉實驗、角模壓剪實驗等。教師課前兩周將學生分組，并將數值模擬軟件安裝包和學習資源發送給學生，讓學生自學軟件后自主完成數值模擬實驗操作，最后提交實驗報告，教師批閱。課堂上，教師將數值實驗結果與教材中的實驗結果進行對比講解，不僅能夠使學生加深對巖石經典實驗力學本質的理解，還能讓學生了解到計算機技術在巖石力學領域的應用，更重要的是能夠培養學生自主學習、自主分析和解決問題的能力。

3.3 融合工程案例，緊跟科技前沿

巖石力學與工程教學的根本目標是培養學生分析、解決巖石工程中的巖石力學問題，因此，在課堂教學中要充分引入一些標志性的工程案例，尤其是工程項目。在講解巖石地下工程時，針對常州市內第一條高速公路隧道——邀賢山隧道進行講授，該隧道為雙洞雙線隧道，左線長1 465m，最大埋深39m，右線長1 470m，最大埋深48m，包含U 型槽、暗挖段、明挖暗埋段等多種結構形式[10]。結合工程地質資料和設計圖紙，教師為學生講解隧道建設中巖石力學參數測定、工程巖體的分級標準、初期支護和二次襯砌設計、鉆爆施工流程、圍巖變形動態監測等知識[11]。工程案例能使學生提升對課程學習的興趣，同時使學生了解巖石力學理論在現實工程中的應用，讓學生認識到該專業知識的實用價值。

隨著我國基礎設施建設的發展，巖石力學與工程的新理論和新技術涌現，因此課堂教學應緊跟科技前沿，引入巖石力學領域最新的科技成果，如由中國礦業大學為第一完成單位并獲得2022 年中國巖石力學與工程學會科學技術進步獎一等獎的“工程巖體滲流演化與控制多尺度評測技術及在深地工程中應用”[12]，不僅能夠讓學生對學科前沿發展有一定了解，還能初步培養學生的科研興趣和創新思維。此外，教師應有效利用社交網絡平臺（如抖音、微信公眾號等）輔助教學，向學生推送有關巖石力學與工程在科學研究、技術發明方面的最新資訊，也有利于開闊學生的學科視野。

3.4 注重過程性考核，完善考核評價體系

考核是評價學生對巖石力學與工程相關知識掌握程度的重要方式，客觀、全面的評價體系至關重要[13]。為多元化考核學生的學習效果，加大課程過程性考核力度，制定了如表1 所示的“N+1”課程考核方式，即總評成績包含在教學過程中進行的N 種過程性考核和在課程結束后進行1 次期末考核。由表1 可知，過程性考核包含出勤、課堂表現、課后作業、數值模擬實驗和課程設計。出勤占過程性考核的10%，采用課堂隨機點名+雨課堂掃碼簽到相結合的考勤方式[14]；課堂表現占過程性考核的10%，基礎分為60 分，其余40 分根據學生課堂回答問題、課后答疑和分析溝通情況酌情評定；課后作業評分占過程性考核的25%，客觀題采用雨課堂進行發布，主觀題按照作業本手寫的方式完成，不僅提高了測驗效率，還方便教師及時了解學生對知識的掌握程度；數值模擬實驗評分占過程性考核的25%，根據數值模擬實驗報告酌情評分；課程設計評分占過程性考核的30%，根據計算說明書和設計圖紙綜合評定。

表1 巖石力學與工程“N+1”課程考核方式

4 地方應用型高校巖石力學與工程課程教學改革效果評價

常州工學院城市地下空間工程專業巖石力學與工程課程在教學過程中逐年進行改革與實踐，授課對象包括城市地下空間工程專業2019 級、2020 級和2021級三屆學生。為了合理評價和檢驗該課程教學改革的實施效果，采用調查問卷的形式收集了以上三屆學生對該課程教學的反饋意見，統計結果如圖1 所示。

圖1 巖石力學與工程課程教學反饋結果

由圖1 可知，該課程教學改革的效果隨著教改措施的落實而逐年得到顯現。2019 級至2021 級學生對課程教學效果的正面反饋占比逐年增高，負面反饋占比逐年降低，其中2021 級學生的平均正面反饋比例高達70%。統計發現：學生對該課程教學的負面反饋主要集中在課程本身較難，這與課程特點以及應用型高校學生專業基礎薄弱有關，需要在后續課程教學中持續改進。基于此類反饋意見，在講解強度理論章節時，先引導學生復習材料力學、彈性力學相關知識點，以便與巖石力學強度理論重點內容合理銜接。此外，學生的考核成績也隨著課程教學改革推進而顯著提升，其中總評成績均分由2019 級的68 分提高至2021 級的75 分，而不及格率由2019 級的8%下降至2021 級的3%。上述教學改革效果表明，與傳統的教考模式相比，改進后的教學模式更具實踐性、包容性和互動性，改進后的考核評價方式更注重多樣性和過程性，有效增強了學生的學習興趣，提高了學生分析和解決實際問題的能力。另外，需要基于反饋意見對課程教學改革具體措施進行持續改進和完善，并強化對教改效果的及時監控與評價。

5 結語

巖石力學與工程課程是常州工學院土木建筑工程學院城市地下空間工程專業的主干基礎課程。基于應用型人才培養目標，該課程在教學實踐中還存在諸多問題，如教學和考核模式單一、缺少實驗教學環節、理論教學脫離工程實踐等。針對這些問題，采用豐富課程教學方法、引入數值模擬實驗、加強產教研融合、注重過程性考核等改革措施，并基于教改效果進行及時評價和改進，以期提高巖石力學與工程課程的教學質量，提升學生解決復雜工程問題的能力，滿足社會和行業對城市地下空間工程專業應用型人才的要求。