綜合性大學巖體力學教學綜合改革

劉 高，張帆宇，劉小偉，諶文武，趙紅亮，王 娟

蘭州大學 土木工程與力學學院，甘肅 蘭州 730000

一、前言

巖體力學(亦稱巖石力學)是研究巖體在各種力場作用下變形與破壞規(guī)律的理論及應用的科學，不僅研究天然巖體的變形破壞，也研究已經(jīng)遭受過變形和破壞的巖體因各種工程作用使其環(huán)境變化時的再變形和再破壞規(guī)律[1]，進而解決巖體工程中的實際問題。

巖體力學是地質(zhì)工程、土木工程及相關專業(yè)的基礎學科。如以地質(zhì)體為工程結(jié)構(gòu)、地質(zhì)體為工程建筑材料、地質(zhì)體賦存環(huán)境為工程建筑環(huán)境的地質(zhì)工程專業(yè)，以地質(zhì)體(土體和巖體)為研究對象，土力學和巖體力學共同為其兩大支柱學科(“兩條腿”)，通過運用土力學和巖體力學的理論方法，研究巖體和土體的基本性質(zhì)及其在工程作用下的變化規(guī)律，分析它們的工程適宜和可利用性，據(jù)此提出合理的利用方案和改良對策，為工程的合理設計、科學施工和安全運營提供理論和技術支撐。隨著人們對生存環(huán)境和生活質(zhì)量提高的需求，當前水利、交通、能源、礦產(chǎn)和高放廢物地質(zhì)處置等工程，無不向“高、大、深、難”拓展，更多地涉及并依賴巖體力學。因此，巖體力學是地質(zhì)工程、土木工程及相關專業(yè)的核心基礎課程之一，是工程勘查、工程地質(zhì)、地基基礎、邊坡工程、地下工程、地質(zhì)災害等后續(xù)課程的先導基礎，在專業(yè)人才培養(yǎng)中具有舉足輕重的作用。

由于研究對象的復雜性和服務對象的廣泛性，巖體力學理論要求高、實踐性強、內(nèi)容龐雜。加之巖體力學還是一門僅有50多年發(fā)展歷史的年輕學科，仍處于隨工程實踐的深入而不斷發(fā)展中，體系尚不完善[2]。因此，知識龐雜而不系統(tǒng)的巖體力學很難像土力學等其他學科那樣，已有成熟的理論框架和完整的思路，致使教師賣力仍感“不好教”，學生費力但覺“不好學”，甚至因恐懼而“不愿學”，影響課程教學效果及后續(xù)課程學習，而且畢業(yè)生從事巖體力學工作時，雖知其“很有用”，但感“不好用”甚至“不會用”，巖體力學因此而陷入“聲譽高、信譽低”[1]的窘境，這引起業(yè)界和學界高度關注。1986年，中國巖石力學與工程學會教育工作委員會在北京召開了“高等學校巖石力學教學工作會議”[3]。近年來，針對巖體工程實踐不斷深入的新局面及其對巖體力學人才的新需求，部分高校紛紛開展了巖體力學教學改革探索，包括教學內(nèi)容[4]、教學模式[2,5]、教學方法[6-13]和考評方法[14-15]等。

綜觀當前教學探索，高校多結(jié)合各自的辦學特色和定位而有所側(cè)重和針對，并不完全適合于綜合性大學。為此，在“蘭州大學教學研究項目”(綜合性大學巖體力學教學改革)和“蘭州大學主干課程教學團隊建設項目”(巖體力學)資助下，參考巖體力學及相關課程既有教改經(jīng)驗和成果，針對綜合性大學的特點、人才培養(yǎng)目標與定位，我們開展巖體力學的教學綜合改革研究，探索適合于綜合性大學的巖體力學的知識體系與教學內(nèi)容、教學模式、教學方法和教學手段等，以提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)知識和能力兼?zhèn)涞母咚刭|(zhì)巖體力學人才。本文是這兩項教學研究成果的總結(jié)。

二、教學內(nèi)容與知識體系

巖體力學一直是我校地質(zhì)工程專業(yè)的基礎課。根據(jù)巖體力學的特點以及知識更新和人才需求的變化，結(jié)合近40年的教學實踐，不斷完善巖體力學教學內(nèi)容，構(gòu)建“以三大先導學科群為基礎、巖體三大組成要素為紐帶和三大研究內(nèi)容為總綱”的巖體力學框架體系，簡稱“333體系”，為巖體力學的教學提供完整的思路和框架。

1.三大先導學科群

巖體力學不僅需研究巖體的基本地質(zhì)特征和物理力學性質(zhì)，也要研究由于賦存環(huán)境變化(天然的和工程作用力疊加的)后的再變形和再破壞的規(guī)律，還要研究它對工程的適宜性，因此，巖體力學理論基礎要求高、工程實踐性強，涉及復雜理論基礎和眾多先導學科，缺乏這些基礎或基礎不強，都直接影響到巖體力學的“教”與“學”。

基于巖體力學知識和能力并重的培養(yǎng)目標，我們提出以地質(zhì)科學、數(shù)學和力學三大學科群為巖體力學的先導基礎。其中，基礎地質(zhì)學科群包括礦物巖石、構(gòu)造地質(zhì)、工程地質(zhì)、工程地質(zhì)勘察、地球物理和水文地質(zhì)等；數(shù)學類學科群包括微積分、概率與數(shù)理統(tǒng)計、線性代數(shù)和空間解析幾何等；力學類包括理論力學、材料力學、彈性力學、塑性力學、流變力學、斷裂力學、損傷力學、流體力學等。本課程對相關知識點所涉及的這些先導知識的掌握程度和能力提出明確要求，課程中強調(diào)并突出這些知識的綜合應用，這使學生在先導課程學習期間明白“有何用”，巖體力學中知道“如何用”，從而保證了巖體力學內(nèi)容的理解、方法的掌握與運用，提高了教學效果。

2.三大知識版塊與知識點

針對巖體力學知識龐雜和體系不完善的現(xiàn)狀，基于巖體力學工作的流程以及人們對事物的認知過程和思維過程，對巖體力學知識進行詳細梳理，以“巖體的地質(zhì)特征—巖體的力學性質(zhì)—巖體工程”為總綱，將其內(nèi)容分解為三大知識模塊，各模塊又分解為若干次級模塊并細化到知識點(表1)，如此綱舉目張地組織和編排課程內(nèi)容。

模塊之間和知識點之間既相對獨立又有機聯(lián)系，這有利于學生從全局上掌控巖體力學知識架構(gòu)的基礎上，明確各知識點的位置及作用，加強理解和掌握，有效地避免了一葉障目而不見森林的局面，確保全面系統(tǒng)掌握巖體力學知識并得到能力訓練。

3.巖體的三大組成要素

巖體是在地質(zhì)歷史過程形成且已經(jīng)遭受過變形和破壞的，具有一定物質(zhì)成分(巖石)、特定結(jié)構(gòu)(巖體結(jié)構(gòu))并賦存于一定地質(zhì)環(huán)境(賦存環(huán)境)中的地質(zhì)體[1]。由于結(jié)構(gòu)面的存在并且賦存于活的、易變的地質(zhì)環(huán)境之中，巖體是不同于一般固體(包括巖石)的一類復雜而特殊的材料，其不連續(xù)性的本質(zhì)和有條件轉(zhuǎn)化性的靈魂使得它仍不具備完備而統(tǒng)一的理論，基于連續(xù)介質(zhì)的經(jīng)典力學理論并不完全適用和勝任，這正是學生覺得這門課“深奧”和“不可捉摸”的原因所在。

為此，本課程以巖體組成要素(巖石、巖體結(jié)構(gòu)和賦存環(huán)境)為紐帶，將組成要素貫穿于巖體力學各模塊和知識點(表1)。無論是地質(zhì)特征、物理力學性質(zhì)及其影響因素、巖體演化的分析研究，還是工程應用(巖體力學參數(shù)選取、巖體工程評價和巖體工程設計施工)，均從巖石、巖體結(jié)構(gòu)和賦存環(huán)境（地應力場、滲流場和地熱場等）這三大要素入手，全面收集各方面資料并加以系統(tǒng)的分析，有利于從本質(zhì)上認識巖體，理解巖體的靈魂并掌握巖體力學的精髓。

三、教學模式

根據(jù)巖體力學的特點，充分利用綜合性大學資源豐富、學科齊全和學生基礎扎實的優(yōu)勢，對理論基礎要求高、內(nèi)容龐雜但體系不完善、工程實踐性強的“巖體力學”課程，一改傳統(tǒng)的“一言堂”式被動學習方式，嘗試“以學校為資源平臺、以教師為引導者、以學生為實踐者”的自主學習教學模式 (圖1)。

1.學?！灾鲗W習的資源平臺

作為“985”、“211”高校和教育部直屬的全國重點綜合性大學，蘭州大學辦學歷史悠久、學科門類齊全（涵蓋12個學科門類）、教學資源豐富，這為自主學習提供了極佳的平臺。不僅學校擁有各學科齊全的圖書資料、儀器設備，而且不同學科的學生之間很好地相互交流和學習，必要時也能方便地能得到其他學科教師的指導，因此，基礎扎實是我校本科生的鮮明特色。就本課程而言，學生具備所需各類先導學科的知識，從而為開展自主學習奠定了堅實基礎。

2.教學團隊(教師)—自主學習的指導者

根據(jù)巖體力學教學需要，成立由7名專職教師組成的巖體力學教學團隊，團隊成員各具學術專長，涵蓋巖體力學的各個方面。教學團隊成員擔任課程學習的組織者、指導者、促進者和評估者（圖1），由團隊負責人組織本課程的教與學，團隊成員分工協(xié)作，指導學生課程內(nèi)容和學習方法的學習，及時解答各環(huán)節(jié)自主學習過程中的各種問題，采用不同形式評估教學效果。

3.學習小組(學生)—自主學習的實踐者

學生是自主學習的主體，是具體執(zhí)行者和最終受益者（圖1）。在教師組織發(fā)起自主學習后，學生利用各種資源，在教師指導下開展自主學習。將學生分為不同層級的學習小組，并根據(jù)任務和內(nèi)容的工作量大小和難易程度，對小組進行拆分或組合（1人→2人→4人→8人），開展個體學習、自主探究和合作探究，保證更好地開展并自主完成相應內(nèi)容。學生也參與評估，包括自我評估和教師組織下的相互評估。

四、教學方法

蘭州大學素以基礎研究見長，近年來工程科學逐漸得到重視，但仍相對較薄弱。為此，本課程探索“多環(huán)節(jié)并行全程式工程實訓”教學方法。

圖1 巖體力學自主學習教學模式

選用來自教學團隊有關巖體力學的若干科研和生產(chǎn)項目來模擬具體“工程”，學習小組模擬巖體力學工作團隊，教學團隊模擬顧問組，課程學習期模擬巖體力學工作的完整周期，教學進度和知識點模擬巖體力學工作流程和具體工作內(nèi)容，以此開展全程工程實訓式教學。在課程學習開始，教師向各學習小組下達“工程”任務，組織并發(fā)起自主學習。各小組在接到工程的基本素材并明確目標任務后，帶著“工程”任務，自行分工和協(xié)作，在教師指導下，按照課程進度，開展課程各模塊及知識點(表1)的自主學習，并適時完成所承擔“工程”的對應工作內(nèi)容，撰寫工作報告，以此作為評估依據(jù)。課程學習結(jié)束，整理并編寫總報告，并撰寫總結(jié)。

為達到更好的效果，全程式工程實習自主學習過程中，對同一知識點，采用多環(huán)節(jié)同步進行的方式（表2）。基于總學分不變原則，在原有基礎理論和基礎實驗的基礎上，對學時、學分和教學環(huán)節(jié)進行了合理的調(diào)整，降低課堂講授的學時和學分，增加了課程設計、課間實習和輔導答疑等教學環(huán)節(jié)。除這些基礎教學環(huán)節(jié)外，本課程也鼓勵學生申請各級本科生培養(yǎng)質(zhì)量工程（國家級、校級、院級創(chuàng)新計劃），參加教學團隊教師承擔的與巖體力學相關的科研和生產(chǎn)項目。

表2 多環(huán)節(jié)教學及其學時與學分

通過以工程為導向的多環(huán)節(jié)同步并行的全程實戰(zhàn)式自主學習，學生不僅更容易理解和掌握巖體力學基礎理論知識，而且熟悉了巖體力學工作流程，學會了現(xiàn)場資料收集、實驗技能和資料處理與分析等，知道了巖體力學在巖體工程中“有何用”和“如何用”。

五、教學手段

上述各環(huán)節(jié)自主學習強調(diào)師生共同參與，學生是主要實踐者，而教師是指導者。本課程自主學習指導過程中，綜合運用板書、多媒體課件、專題錄像和數(shù)值仿真技術等多種教學手段，通過圖、文、影、音等信息的動態(tài)顯現(xiàn)，充分調(diào)動各種感官，激發(fā)學習興趣，幫助學生的理解和掌握，以達良好的教學效果。

不同教學環(huán)節(jié)的教學手段有所側(cè)重?；A理論環(huán)節(jié)主要采用在教師指導下（課堂講授和課后輔導答疑）的個體自主學習。課堂教學中，利用板書靈活性特點，采用時下流行的“思維導圖”，向?qū)W生闡明整體框架體系、知識點間的聯(lián)系及所講知識點在體系中的地位，通過逐層展開并加以講解，幫助學生厘清知識點的脈絡關系，以便自主學習。重點和難點的講解采用動畫式多媒體課件，以動畫形式逐次展開內(nèi)容，這既符合人的思維過程及知識接受方式，也避免一次性信息量大而難以消化的弊端；同時，對于涉及深奧和抽象力學原理的內(nèi)容，如含結(jié)構(gòu)面巖體的力學行為、硐室圍巖演化與變形破壞特征、邊坡巖體演化與變形破壞等，則采用RocTopple、Midas/GTS、Ansys和Flac3D等專業(yè)軟件，利用數(shù)值方法的優(yōu)勢，通過數(shù)值仿真模型，穿插于課件之中，動態(tài)而直觀地顯現(xiàn)全過程變化特征和規(guī)律。

巖體力學實驗的指導中，采用上述數(shù)值計算軟件，制作數(shù)值試驗，直觀闡述單軸壓縮、單軸拉伸、直接剪切、三軸壓縮等試驗的原理；試驗方法和步驟的講解，還配合采用專題錄像片。

課程設計是本課程自主學習的重要環(huán)節(jié)，自主學習指導中，大量相關工程案例的引入和分析、各小組所承擔的具體“工程”基本素材的講解以及設計方法與要求等，均利用多媒體課件信息大的優(yōu)點，采用多媒體課件和相關工程應用軟件進行講解。

六、結(jié)語

針對巖體力學的特點以及綜合大學的優(yōu)勢和弱勢，揚長補短，開展巖體力學教學全面改革，包括“以三大先導學科群為基礎、巖體三大組成要素為紐帶和三大研究內(nèi)容為總綱”的模塊式框架體系、“以學校為資源平臺、教師為指導者、學生為實踐者”的多層次自主學習教學模式、“多環(huán)節(jié)并行全程式工程實訓”教學方法以及基于信息化和數(shù)字化等多種教學手段的綜合應用。

2年教學實踐及反饋信息表明，改革取得了明顯效果，實現(xiàn)了知識與能力并重的培養(yǎng)目標，解決了巖體力學不好教、不好學和不好用的問題。通過多種舉措下的教師指導下的自主學習，學生更容易理解巖體力學基礎知識，熟悉工作流程和工作方法，掌握綜合運用所學知識分析和解決巖體力學問題的能力，而且增強了參與意識和團隊協(xié)作意識，培養(yǎng)了自主學習和終身學習的習慣。研究成果為綜合性大學地質(zhì)工程專業(yè)課程群的教學提供了參考，為專業(yè)的課程體系奠定基礎，并在我校本輪地質(zhì)工程專業(yè)培養(yǎng)方案和教學計劃修訂中得到應用。

[1]孫廣忠．巖體結(jié)構(gòu)力學[M].北京：科學出版社，1986.

[2]王迎超，耿凡，張成林．巖石力學課程的現(xiàn)狀與案例教改思路探討[J].高等建筑教育，2013， 22（6）：51-55.

[3]楊顧安．高等學校巖石力學教學工作會議在京召開[J].地質(zhì)科技情報，1986，5（4）：14-14.

[4]林軍志，莫麗華，強躍．基于應用型本科人才培養(yǎng)的《巖石力學》課程教學內(nèi)容改革研究[J].科學咨詢，2013（3）：72-73.

[5]王渭明．《巖石力學》教學改革與回顧[J].教育教學論壇，2011（14）：221-222.

[7]沈明榮．巖體力學課程教學方法探討[J].高等建筑教育，2013， 22（6）：64-66.

[7]胡斌，唐輝明，劉強．巖石力學課程實驗教學改革的探索[J].科教文匯，2012（10）：111-112.

[8]王述紅，唐春安，朱萬成，等．數(shù)值試驗在巖石力學實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2003， 20（6）：140-143.

[9]齊偉，代樹林．巖體力學教學實習的改革與實踐[J].中國地質(zhì)教育，2005，14（2）：57-59.

[10]毛市龍，陳新萬.淺談“巖石力學與井巷工程”課堂教學改革[J].中國冶金教育，2001（5）：36-37.

[11]蘇堪華，龍芝輝．“油氣井工程巖石力學”課程教學改革探索[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2012（15）：158-159.

[12]喻清，曾晟，楊月平，等.礦物資源工程專業(yè)“巖體力學”課程教學[J].河北聯(lián)合大學學報（社會科學版），2012（4）：22-124.

[13]徐營，萬志軍，柏建彪，等.“礦山巖體力學”課程的教學改革研究[J].煤炭高等教育，2013，31（3）：122-125.

[14]王亮清，梁燁，梅芹芹.巖體力學考試方法探討[J].科教文匯，2011（7）：49-50.

[15]王迎超，靖洪文，耿凡.“巖石力學”試題庫與工程案例庫建設思路探索[J].中國電力教育，2014（11）：135-136.