巖石力學公共實驗課程教學項目的建設與思考

摘要：巖石力學實驗課是一門為補充巖石力學理論而開設的實踐性課程。結合武漢理工大學土木工程專業研究生培養計劃，以巖石力學公共實驗課程教學項目為例，從該課程開設背景和目的出發，闡述實驗課程教學體系、課程內容建設過程，以及教學方法和教學手段，并構建了教學質量保證體系。對實驗課程教學建設模式進行總結和思考，提出課程教學后期建設需完善的幾個要點。結果表明，該實驗課程建設實施方案可行，建設成果能較好地應用于研究生課程的具體實踐，能較好地提升巖土工程專業研究生的教育質量，在某種程度上促進學科建設與發展。

關鍵詞：巖石力學；實驗教學；課程建設；課程體系；研究生培養

中圖分類號：G642；TU4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2024）05-0142-07

基金項目：湖北省教育科學規劃課題（2017GB167）；武漢理工大學教學改革研究項目（w2017049；w201914）

2020年，為貫徹落實《教育部關于改進和加強研究生課程建設的意見》，加強研究生課程建設，強化研究生實踐動手能力，提高研究生科研創新能力，推進學校拔尖創新人才培養，武漢理工大學研究生院開展了公共實驗課程建設項目申報工作。巖石力學實驗課程作為高等工科院校研究生教學的重要環節，是理論聯系實際的基礎，土木工程與建筑學院借此次實驗課程建設契機，申報了巖石力學公共實驗課程項目。該實驗課程內容與高等巖石力學理論課程配套，是巖石力學理論實踐性課程的重要補充。經過運行，取得了一定的成效，對研究生的知識拓展和能力培養有較好的促進作用，但也存在亟需解決的問題。在工程教育專業認證潮流下，不少高校結合自身特點，不斷調整和完善實驗教學，從而更好地達成研究生培養目標和要求[1]；部分高校通過公共實驗中心建設提高研究生培養質量，提升研究生科研動手能力[2]；還有不少高校對巖石力學實驗教學平臺建設、實驗平臺管理進行探討和改革，以推動巖石力學教學整體發展[3-6]。文章就該實驗課程教學項目建設進行總結，并對建設過程中存在的問題進行思考。

一、巖石力學實驗課程在研究生培養中的重要性

（一） 實驗課程開設背景

武漢理工大學是首批國家世界一流學科建設高校，首批國家“211工程”建設高校，是具有鮮明理工特色的教育部直屬全國重點大學。巖石力學實驗課程是土木工程與建筑學院首次開設的實驗課程之一，主要依托巖土工程學科建設的實驗教學平臺和正在進行的土木工程結構抗震減災動力試驗系統建設項目。學院已擁有多類大型巖石力學設備，如巖石（單軸）三軸試驗機、巖石剪切試驗機、巖石真三軸試驗機、巖石點荷載儀，以及其他巖石加工設備等，如圖1所示。同時配備探索研究類設備，如巖石巖爆模擬裝置、SHPB（分離式霍普金森壓桿）系統等，如圖2所示。在儀器設備方面基本能滿足學術型和專業型碩士研究生開設巖石力學實驗選修課程的要求，學院首次開設巖石力學實驗課程，且將該課程作為專業選修課程。下一步，學院將該課程逐步發展成為土木工程專業的公共實驗課程，通過該平臺的建設，一方面滿足實驗教學，提供研究生在巖石力學實驗課程的教學所需，另一方面為研究生提供巖石力學創新實驗項目實踐。

（二） 目前存在的主要問題

由于巖石在形成過程中的特殊地質特性不等同于混凝土等均質體，其表現出的力學特性相當復雜，而現有的巖石力學理論基礎對不同類型巖石的力學行為不具備較好的詮釋，在實際工程中，現有規范提供的巖石力學參數及計算以經驗值居多[7-8]。

此外，巖石力學涉及的專業面廣，研究生培養人數多，實驗項目數量多，巖石力學實驗的儀器設備價格普遍昂貴，院系購置設備的臺套數量有限，且儀器設備占場面積大等問題，學生從取樣、制樣到最終完成試驗，難以保證每位研究生都能實際體驗所有的課程項目。經過多年的調查研究，大部分研究生對理論課程缺乏思考，近九成學生對實驗課的重視度不夠。長期的理論課教學中，大部分學生缺少動手操作機會，傳統的理論教學方法對培養學生的實驗能力和創新能力有一定影響，對實驗過程中存在的問題也缺少深入研究。

（三） 實驗課程建設的目的和意義

巖石力學實驗課注重培養研究生操作能力、實踐能力、邏輯思維能力、創新設計能力及知識轉化與應用五個方面的能力。一方面，學生掌握巖石力學實驗的相關原理，靈活運用到具體實踐中；另一方面，實驗課程可為專業理論課教學環節積累經驗。研究生在實驗課程的學習過程中，在理解實驗原理及實驗方案的基礎上，掌握正確的操作規程和各種儀器的使用方法，了解其性能參數、適用范圍及注意事項，提高自身的綜合設計能力。

作為高等巖石力學理論課程配套的實踐課程，通過具體的試驗操作過程，不但能加深研究生對理論課程的理解，還能鍛煉動手實踐能力與試驗操作技能，達到培養研究生理論實踐相結合的綜合素質。開展巖石力學實驗課程建設，進一步完善巖石力學理論課程教學改革，發揮實驗課程在高等巖石力學理論中的作用，使得研究生對理解和掌握基本概念和原理有著重要的意義，也是研究生從理論到實踐的重要環節。在一定程度上深入研究高等巖石力學理論，對研究生今后深入學習和實踐有著重要的作用。

二、巖石力學實驗課程的教學體系和內容

巖石力學實驗課程的建設主要依托土木建筑學科實驗教學中心（巖土工程實驗室）和巖土工程院士創新基地。按照學校研究生培養方案，構建巖石力學實驗教學平臺，根據學院專業特色，針對土木工程專業的學術型和專業型碩士研究生而開設的選修課程，兩者的課程類別設立相同，從課程編號到教學大綱、課程內容和教學方法采取相同的方式開展相應的實驗課程教學。

（一） 巖石力學實驗課程教學體系

教學體系緊密結合研究生培養方案，以土木工程學科研究生課程實驗教學平臺建設作為支撐，同時開展部分巖石力學實驗設備的自主研發工作，豐富和完善現有的科研設備，達到提升研究生公共實驗課程教學質量的目的。

按研究生培養方案，巖石力學實驗課程體系主要分為兩大部分，一部分是巖石力學基礎型實驗，研究生的主要任務是掌握巖石力學試驗裝置的原理及基本操作技能；另一部分是巖石力學研究設計型實驗，主要培養研究生的創新能力，從設計試驗方案、試驗操作，到后期的數據處理和結果分析，由研究生獨立完成。整個巖石力學公共實驗課程體系的主要對象為研究生，且該體系是以一級學科和交叉學科為基礎開展實驗課程的開發和建設。

教學團隊在巖石力學公共實驗課程建設時，構建教學體系主要從以下三方面綜合考慮：（1）充分利用研究生公共實驗課程教學平臺資源，根據培養目標的要求，建設系列專題實驗，如巖石物理性質試驗；（2）學習國內外先進技術，將現有高水平的科研成果引入巖石力學實驗教學，利用學科交叉平臺開發建設創新性實驗，如巖石三軸試驗、SHPB試驗，激發研究生的研究興趣；（3）做好課程資源建設。巖石力學實驗課程教學項目在建設過程中涉及的課程資源主要包括巖石力學實驗教學大綱、實驗課程教材、實驗課程課件及實驗操作視頻等，通過不斷豐富實驗教學資源，提高研究生的學習主動性。同時，對于操作復雜、存在一定安全風險的儀器設備也逐漸發展成網絡開放課程，后期進一步開發虛擬仿真試驗系統。

（二） 巖石力學實驗課程教學內容

針對課程內容不同環節從基本實驗、綜合性設計、自主研制等方面開設實驗項目。實驗課程教學的前提是結合巖石類的相關規范，如《巖石試驗方法標準》（GB/T 50266-99）、SL 264-2001水利水電工程巖石試驗規程等行業標準和規范，結合巖石本身具有的物理力學性質，從以下三方面講解。

1.巖石物理性質試驗

巖石物理性質試驗主要包括巖石天然含水率、吸水率及飽和吸水率試驗，巖石比重試驗，巖石密度試驗，巖石耐崩解試驗，巖石膨脹試驗，巖石凍融試驗六大內容，除巖石耐崩解試驗過程相對復雜外，其他試驗研究生均可在實驗室利用教學平臺自己動手完成。該部分授課內容占整個實驗課程的30%。

2.巖石力學性質試驗

巖石力學性質試驗主要包括巖石單軸抗壓強度試驗、巖石壓縮變形試驗、巖石抗拉強度試驗（巴西法）、巖石抗剪強度試驗（變角剪法）、巖石三軸壓縮及變形試驗、巖石弱面抗剪強度試驗、巖石點載荷指數測定試驗、巖石縱波速度測定試驗、巖石力學伺服控制剛性試驗和巖石聲發射試驗。以目前現有條件，除了巖石抗剪強度試驗（變角剪法）缺乏相應的加載裝置，其他設備基本配備到位，可以通過教學平臺完成。該部分授課內容占整個實驗課程的30%。

3.巖石力學創新性試驗

針對研究生創新性教學配套了巖石巖爆模擬裝置、SHPB（分離式霍普金森壓桿）系統，主要結合國內外最具前沿性和創造性的內容，采用最新的實驗技術和方法，通過教學科研互補的模式，達到培養學生解決關鍵技術問題，提高實踐操作和創新思維能力。該部分授課內容占整個實驗課程的40%。

通過筆者的巖石力學實驗課程教學實踐，整個巖石力學實驗課程的重點內容為巖塊和巖體的地質特征，該部分內容與專業的相關性較強，如巖石的物理、水理性質，巖塊強度試驗，巖石變形試驗等，是研究生必須掌握的部分。課程難點體現在巖石力學試驗，巖石綜合性、設計性力學試驗，以及巖石力學試驗新進展等。

三、教學方法與教學手段

基于上述教學體系和內容，課程建設項目結合土木工程專業學科特點和研究生實驗教學實際情況，根據實驗教學內容，探索該實驗課程的教學方法和手段，并分別以巖石三軸試驗和SHPB試驗作為基礎試驗和探索研究實驗，從實驗特點、教學中存在的問題，對巖石力學實驗教學項目建設中存在的問題展開分析。

（一） 實驗項目的教學方法

1.基礎實驗教學

基礎實驗教學項目以巖石物理力學性質實驗為主，包括巖石天然含水率試驗、巖石三軸壓縮及變形試驗等，主要以驗證性實驗為主，注重培養研究生的動手能力，從基本實驗到綜合性實驗。根據巖石力學實驗課程特點和巖石三軸試驗設備的特點，該實驗教學從以下幾方面展開。

首先，巖石的力學特性分析。包括該巖石三軸試驗方法的目的，通過試驗能獲取的有效參數。此階段，研究生的主要任務是利用巖石力學理論，遵照規范掌握試驗操作方法，能根據實驗過程中數據的變化對其展開分析；教師總結實驗過程中的問題與不足，改進并制定適合該實驗項目的教學方法。

其次，實驗操作方面。巖石三軸試驗的操作復雜，需要做好實驗前的準備工作，包括巖石的加工程序。在教學過程中，需要熟悉設備，可提前錄制操作視頻，針對實施過程中存在的風險及難點，提前線上開展實驗教學或者演示實驗教學，避免操作過程中存在安全隱患，提高試驗過程中研究生操作水平，同時增強學生安全意識。

最后，數據處理方面。在前兩階段基礎上，此環節由學生獨立完成，根據試驗過程數據，分析試驗規律，驗證其結果是否滿足條件。教師對試驗結果進行分析，嚴格把控實驗過程的各個細節，更好地為學生授業解惑。

2.探索研究類教學

該項目首次向武漢理工大學土木工程專業學術型、專業型碩士研究生開放，主要以自主設計、綜合實驗為主，以演示實驗為輔，以培養學生的綜合創新意識和動手能力為前提，力求實現從基本實驗拓展至創新性、綜合性設計實驗等。因SHPB系統儀器設備較為復雜，實驗教學從以下三方面展開。

首先，培養研究生對巖石力學實驗中SHPB系統的感性認識。其中，教師是關鍵，研究生為核心，讓學生了解國內該SHPB試驗方法的內容，包括該實驗方法的目的，用于解決什么問題，前期教學方法主要是教師通過文獻研究法，查閱與本實驗方法相關的著作及成果，分析國內外高校在本實驗中體現的實驗教學方法和改革的背景與現狀，吸取不同教學方法具有的優勢，剖析不同院校對該實驗項目教學方法存在的問題與不足，需要改進和完善的方向，制定適合土木工程專業研究生的教學方法。

其次，實驗操作方面的教學。考慮到巖石力學實驗SHPB系統屬于大型精密設備，且操作有一定的復雜性，通過對國內兄弟院校在巖石力學實驗教學開展調研，如觀摩兄弟院校巖石力學實驗課程SHPB沖擊實驗的教學現場，在借鑒經驗的同時，探討兄弟院校在巖石力學實驗教學在實施過程中存在的問題，結合土木工程與建筑學院和專業學科特色，分析總結教學方法和手段，實現對SHPB系統進行線上實驗教學或者演示實驗教學。

最后，研究生能力提升方面的教學。在前兩階段基礎上，此環節主要由學生自主完成，教師在實驗操作教學中，記錄不同SHPB沖擊實驗過程中研究生的操作能力、試驗結果的分析情況。利用故障樹分析等方法，總結不同SHPB沖擊實驗效果、不同層次學生在教學過程中的薄弱環節及存在的問題，采用啟發式、開放式等方法提高學生做實驗的積極性。

（二） 巖石力學實驗課程考核方法

巖石力學實驗課程考核主要包括兩方面，一是學校或學院對教師教學水平的考核；二是教師對研究生成績的考核。

1.教師教學水平的考核

巖石力學實驗項目多，以學院作為本實驗課程教學管理主體，院教學督導每學期開展3～5次隨機抽堂聽課，主要從教師的教學備課內容，教學計劃制定、教學方法、儀器操作使用，以及研究生評價等方面綜合考核，形成具有學院特色的實驗教學成績評定標準和運行機制，提升實驗教學和管理水平。

2.研究生實驗成績考核方法

結合實驗課程的特點，從研究生做實驗的作風、安全知識、操作規范性、數據處理能力、報告規范性等方面，立足于實驗教學成績評定，建立多層次、多角度的實驗教學成績評定體系，健全成績評定標準。

采用撰寫試驗報告的形式對學生進行考核。試驗過程表現和考勤作為平時成績評估內容，其中，平時成績40%（實驗知識占20%，考勤占20%，），設計和操作技能40%，實驗報告20%。主要考查學生對理論知識掌握程度、操作動手能力、數據分析處理能力，以及實驗報告撰寫能力等。

四、教學質量保證體系

巖石力學實驗課程首次向武漢理工大學土木工程專業碩士研究生開設，該實驗課程圍繞土木工程學科研究生實驗教學平臺建設，為提高巖石力學實驗課程教學質量，建立了完善的教學質量保證體系，主要包括以下幾方面。

一是，配備優秀的實驗教學團隊。課程團隊成員長期在教學科研管理第一線，積極從事實驗教學的研究與改革。近年來，課程團隊承擔多項教研課題，其中，2016年獲校級教學成果特等獎1項，2018年獲湖北省教學成果一等獎；指導多名學生獲省級優秀碩、博士學位論文；發表教研論文10余篇。主持或參與多項科研課題，多次獲湖北省科學技術進步獎和自然科學獎。團隊在課程建設、教學改革和科研工作中積累的經驗和取得的成績，為研究生實驗課程的建設奠定了良好的工作基礎。

二是，積極開展實驗教學改革研究。團隊經常就實驗教學過程中存在的問題開展研究，利用多年的教學經驗，不斷創新和改革，提高教學能力。在實驗教學建設和改革研究中積累的經驗和取得的成就，為適應實驗課程教學成績評定方法和改革奠定了基礎。在專業研究領域已積累了較豐富的經驗并具有足夠的知識儲備，其教學效果也多次獲學校及院系的表彰。

三是，建立了教學監督管理和實驗教學管理制度。學校研究生院和學院研工辦雙重教學督查，督導團對實驗教師采取聽課制度，同時定期抽查實驗儀器，確保教師教學質量，保障設備的完好性。此外，還建立了良好的實驗教學管理制度，一方面，學院實驗教學成績評定不斷實現標準化，工作效率顯著提高；另一方面，持續推動高校實驗教學成績評定的改革與創新。

五、巖石力學實驗課程教學建設模式的思考

（1）教學方法和教學體系。隨著巖石力學實驗教學方法的不斷完善和實驗設備的更新換代，后期將更加重視現代教育的應用，采用信息化、網絡化的教學手段，逐漸開發虛擬仿真實驗項目、交互式體驗線上教學平臺，實現多元化實驗教學模式，在提高實驗教學質量的同時，進一步培養學生的綜合素質和創新能力。針對實驗教學環節中存在的問題，尋求解決方案，完善課程的培養模式，根據不同類型研究生的培養目標形成具有針對性的實驗教學內容，探索具有學院特色的實驗教學體系運行模式，完善實驗教學大綱，構建該課程建設成熟的教學質量保證體系。

（2）教學內容組織和資源建設。通過深化改革和創新課程項目，實現理論與實踐的深度融合。明確該課程項目建設過程的重點和難點，針對研究生在理論課程學習環節中的困難，以自主設計、綜合實驗為主。羅列可行的、針對性的實驗內容克服重點與難點方案供研究生思考，激發其研究興趣。進一步加強開發各種實驗教學資源，修改巖石力學實驗課程教學大綱，制作復雜巖石力學實驗項目的教學錄像，形成高水平的課程指導性教材，基于現有實驗設備存在缺陷進一步完善設計方法，升級和研制設備，改善研究生實驗教學條件。達到滿足研究生主動學習和使用的需求，進一步開展實驗室建設，提高教學質量。

（3）教學研究思想和教育理念。鼓勵教學團隊積極申報巖石力學實驗課程方面的教研課題，開展研究生實驗教學研究，提高巖石力學實驗課程建設的教學與管理水平。不斷尋找課程教學中的問題，端正研究生的學習態度，持續完善實驗教學內容，改進實驗教學方法，優化實驗教學方案，提高實驗教學的質量，加強實驗教學管理隊伍建設，提高其積極性。

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Construction and thinking of teaching project of rock mechanics public experiment course

WANG Zhide1， JIANG Limin2， HU Jing1， XIA Yuanyou1， XIE Quanmin1

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， P. R. China；2. School of Architecture Engineering， Wuhan Polytechnic， Wuhan 430074， P. R. China）

Abstract： The rock mechanics experiment course is a practical course set up to supplement the rock mechanics theory. Combining with the postgraduate training plan of civil engineering major of Wuhan University of Technology， taking the teaching project of rock mechanics public experimental course as an example， starting from the background and purpose of the course， the teaching system of the experimental course， the construction process of the course content， and the teaching method are expounded， and a teaching quality assurance system is built. It summarizes and thinks about the teaching construction mode of the experimental course， and puts forward several points that need to be improved in the later construction of the course teaching. Results show that the implementation plan of the experimental course construction is feasible， the construction results can be better applied to the specific practice of postgraduate courses， and improve the education quality of postgraduates majoring in geotechnical engineering， and to some extent promote the discipline construction and development.

Key words： rock mechanics；experimental teaching；curriculum construction；curriculum system；postgraduate training

（責任編輯 鄧云）