巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

吳 姜

巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

吳 姜

隨著國(guó)家教育改革的不斷推進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的全面發(fā)展能力已成為教育的根本目標(biāo)。我院注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。通過(guò)推進(jìn)彈性學(xué)習(xí)制度，搭建新的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)體系，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化組合，減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，注重實(shí)驗(yàn)的綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性和整體性。在完成基本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)、支持學(xué)生在課余時(shí)間參加創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)和SRT等科研活動(dòng)，為學(xué)生個(gè)性化發(fā)展創(chuàng)造條件，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了很好的教學(xué)效果。

巖石力學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；彈性學(xué)習(xí)制度

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工程科學(xué)最基本的教學(xué)手段之一，在教學(xué)中起著至關(guān)重要的作用。我院結(jié)合自身的特點(diǎn)，通過(guò)不斷的教學(xué)探索，在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式上做出了一定的改革。我院早在1990年就實(shí)行了獨(dú)立設(shè)課，但由于傳統(tǒng)的教學(xué)模式和授課內(nèi)容存在諸多弊端以及實(shí)驗(yàn)條件的局限，巖石力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍需要不斷改進(jìn)。筆者根據(jù)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，分析了目前高校巖石力學(xué)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，對(duì)教學(xué)改革取得的成果進(jìn)行總結(jié)。

一、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)

巖石力學(xué)的研究對(duì)象是各類(lèi)巖體，主要采用力學(xué)原理和方法研究巖石或巖體在外力作用下的變形與破壞規(guī)律，是解決所有巖石工程技術(shù)問(wèn)題的理論基礎(chǔ)。巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程包括：巖石力學(xué)、土力學(xué)、礦山壓力及控制、井巷工程、礦山測(cè)試技術(shù)、相似模擬等課程，是一門(mén)力學(xué)和地學(xué)結(jié)合的應(yīng)用性基礎(chǔ)學(xué)科，理論性和實(shí)踐性相結(jié)合的工程學(xué)科，與國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)、資源開(kāi)發(fā)等密切相關(guān)，具有重要的實(shí)用價(jià)值。巖體是漫長(zhǎng)的地殼運(yùn)動(dòng)和地層演化過(guò)程形成的地質(zhì)體，對(duì)它的物理力學(xué)性質(zhì)的了解相當(dāng)困難。所研究的問(wèn)題大多是多尺度、不確定的，研究對(duì)象也不停變化，難以找到精確的求解算法。作為工程性質(zhì)較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)這門(mén)課程讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的同時(shí)用于實(shí)踐，同時(shí)也讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中注重綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性和整體性，使學(xué)生有更多的動(dòng)腦、動(dòng)手機(jī)會(huì)，養(yǎng)成學(xué)生勤于思考、勤于動(dòng)手的習(xí)慣，綜合所學(xué)，達(dá)到提高學(xué)生綜合分析問(wèn)題的能力和推陳出新的能力的教學(xué)目的。

二、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.教學(xué)內(nèi)容狹窄、觀念落后。由于高等學(xué)校專(zhuān)業(yè)劃分過(guò)于細(xì)致，許多課程的教學(xué)內(nèi)容精細(xì)，課程服務(wù)對(duì)象相對(duì)狹窄，與相關(guān)學(xué)科的結(jié)合不多。造成學(xué)生的知識(shí)面狹窄，解決實(shí)際問(wèn)題的能力不夠。根據(jù)目前社會(huì)對(duì)復(fù)合型人才的大量需求，教師在教學(xué)中不能太拘泥于專(zhuān)業(yè)限制，否則會(huì)導(dǎo)致學(xué)生因?yàn)橹R(shí)面狹窄而視野不開(kāi)闊，甚至出現(xiàn)在解決實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)因知識(shí)不足而束手無(wú)策的現(xiàn)象。

2.過(guò)分注重理論，忽略實(shí)驗(yàn)教學(xué)。目前，很多高校依然強(qiáng)調(diào)學(xué)生的理論知識(shí)學(xué)習(xí)而忽略學(xué)生的動(dòng)手能力培養(yǎng)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)高校普遍存在著實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)缺乏、試驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的現(xiàn)象。如，電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，國(guó)產(chǎn)的試驗(yàn)機(jī)在國(guó)內(nèi)高校中數(shù)量就極其有限，更不用提高精度、功能齊全的進(jìn)口試驗(yàn)機(jī)，因此，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)大多僅停留在背書(shū)階段。與此同時(shí)，一些高投資、大尺寸的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，需占用大面積的試驗(yàn)場(chǎng)地，許多高校對(duì)此投資不夠。另外，許多高校沒(méi)有專(zhuān)職實(shí)驗(yàn)員和實(shí)驗(yàn)管理人員，設(shè)備的維護(hù)和儀器檢修都存在很多隱患。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、教學(xué)手段單一。實(shí)驗(yàn)是自然科學(xué)最基本的研究手段，在巖石力學(xué)教學(xué)與研究中起著至關(guān)重要的作用。但是，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)單調(diào)乏味，不能引起學(xué)生的興趣和開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)少任務(wù)重、經(jīng)費(fèi)匱乏，仍然采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，依附于理論教學(xué)、傳統(tǒng)的以教師為中心、傳授知識(shí)為主的教學(xué)模式，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手能力差。同時(shí)，因?yàn)槭芨鞣N條件影響，許多專(zhuān)業(yè)教師對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的深入研究不足，對(duì)新工藝、新設(shè)備和新技術(shù)了解太少，都在某種程度上影響了教學(xué)的效果。

三、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建議

1.制定彈性學(xué)習(xí)制度。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，實(shí)行彈性學(xué)習(xí)制度。實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放包括實(shí)驗(yàn)室時(shí)間的開(kāi)放、空間的開(kāi)放和實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)放，甚至對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和形式也實(shí)行開(kāi)放，這樣可以讓學(xué)生自主安排時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的同時(shí)，為適應(yīng)實(shí)驗(yàn)的綜合性和設(shè)計(jì)性，我院還將分散的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行整合，探索綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。良好的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境和彈性的學(xué)習(xí)制度，有利于發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和潛能，幫助學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通，提高了學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力。

2.整合優(yōu)化課程內(nèi)容，增設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。根據(jù)課程要求和教學(xué)目標(biāo)，對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行重新整合，將幾個(gè)單一的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目整合為一個(gè)大的綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如，將巖石視密度測(cè)試實(shí)驗(yàn)、巖石真密度測(cè)試實(shí)驗(yàn)、巖石孔隙率測(cè)試實(shí)驗(yàn)整合為巖石的物理性實(shí)驗(yàn)；將巖石吸水性測(cè)試實(shí)驗(yàn)、巖石含水率測(cè)試實(shí)驗(yàn)、巖石軟化系數(shù)測(cè)試等整合為巖石的水理性實(shí)驗(yàn)；將巖石單向抗壓強(qiáng)度、巖石單向抗拉強(qiáng)度、巖石單向抗剪試驗(yàn)整合為巖石的力學(xué)性實(shí)驗(yàn)等。這樣既節(jié)約了時(shí)間，又通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的整合使學(xué)生對(duì)巖石性質(zhì)有全面的了解和評(píng)價(jià)。

3.改善實(shí)驗(yàn)條件，改進(jìn)教學(xué)方法。由于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件的不足和有限，以及巖石的非均勻性、非線性以及破壞行為、地壓、失穩(wěn)、巖爆等，對(duì)于這些概念涉及的尺度較大的巖體在普通實(shí)驗(yàn)室通過(guò)對(duì)小型試樣的實(shí)驗(yàn)往往很難完成。野外和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例能很好的彌補(bǔ)這一缺陷，但由于實(shí)驗(yàn)費(fèi)用過(guò)高、耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的原因，在教學(xué)中不宜采用。同時(shí)，對(duì)于這方面教學(xué)有幫助的資料檔案如照片、掛圖、錄像等也很稀缺。這種情況下，通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行巖石力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)芎芎玫亟鉀Q這一問(wèn)題。例如，利用巖石破裂過(guò)程分析RFPA系統(tǒng)的研究能有效地解決巖石在載荷作用下的變形與破裂全過(guò)程的數(shù)值計(jì)算問(wèn)題；用Flash建立巖石力學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。這樣使學(xué)生可以隨時(shí)將網(wǎng)絡(luò)上虛擬的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)需要的各種儀器設(shè)備按每個(gè)實(shí)驗(yàn)要求、過(guò)程組裝成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，包括巖石試件的添加、實(shí)驗(yàn)條件的改變、數(shù)據(jù)采集以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的模擬、分析等。

在沒(méi)有電液伺服三軸試驗(yàn)機(jī)的情況下，教師可以充分利用ANsYs有限元軟件或FLAC有限差分軟件，在計(jì)算機(jī)上給學(xué)生演示標(biāo)準(zhǔn)巖樣在單軸受壓和三軸受壓狀態(tài)下巖石破壞的全應(yīng)力一應(yīng)變曲線。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，借助現(xiàn)代數(shù)值模擬技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)終端虛擬模擬礦山壓力與巖層控制實(shí)驗(yàn)，并依靠數(shù)值模擬軟件的強(qiáng)大的后處理功能，將虛擬模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前。這對(duì)于解決目前只能做教學(xué)大綱規(guī)定的基本實(shí)驗(yàn)，而礦山壓力與巖層控制實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備短缺問(wèn)題進(jìn)行了彌補(bǔ)。

4.以科研項(xiàng)目引導(dǎo)、帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。鼓勵(lì)學(xué)生以小組的方式申請(qǐng)學(xué)校提供的基金資助項(xiàng)目，參與以老師名義立項(xiàng)的有巖石課程背景的SRII，以及由學(xué)生自己設(shè)計(jì)的巖石力學(xué)科研工程項(xiàng)目。學(xué)生研究過(guò)程中將巖石力學(xué)課程中的知識(shí)點(diǎn)融入到項(xiàng)目，以項(xiàng)目為主線貫穿始終。教師以設(shè)計(jì)選擇與工程實(shí)踐有聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并以工程任務(wù)數(shù)的形式傳達(dá)給學(xué)生。學(xué)生通過(guò)自己預(yù)習(xí)、查閱資料，明確實(shí)驗(yàn)原理、方法和實(shí)驗(yàn)步驟等，并通過(guò)小組討論確定實(shí)施方案，最后親自動(dòng)手操作完成。教師以學(xué)生完成項(xiàng)目的質(zhì)量評(píng)定學(xué)生的設(shè)計(jì)效果，這樣的過(guò)程有效地鍛煉了學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，取得了很好的效果。

四、小結(jié)

通過(guò)學(xué)校教學(xué)改革項(xiàng)目“改革教學(xué)方法和手段，積極推進(jìn)彈性學(xué)習(xí)制度、為學(xué)生個(gè)性化發(fā)展創(chuàng)造條件的研究”，將開(kāi)放的彈性制的學(xué)習(xí)方法引入到巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，搭建出了實(shí)驗(yàn)室新的教學(xué)體系；將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化組合，減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，注重實(shí)驗(yàn)的綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性和整體性；在完成基本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)、支持學(xué)生在課余時(shí)間參加創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)和SRT等科研活動(dòng)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生有了更多的動(dòng)腦、動(dòng)手機(jī)會(huì)，提高了學(xué)生綜合分析問(wèn)題的能力和創(chuàng)新的能力，取得了很好的教學(xué)效果。

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責(zé)任編輯：姚 旺

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1671-6531（2012）08-0102-02

吳姜/貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院（蔡家關(guān)校區(qū)）高級(jí)實(shí)驗(yàn)師（貴州貴陽(yáng)550003）。