面向“卓越計劃”的巖石力學課程教學改革探討

蔚立元+張強+楊圣奇

摘要：“卓越計劃”是促進中國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措。巖石力學作為典型的跨行業(yè)通用課程是一門應用性和實踐性很強的應用基礎(chǔ)學科，在目前的教學過程中存在輕視基礎(chǔ)概念、標準混亂陳舊、忽視工程能力培養(yǎng)的問題，難以達到“卓越計劃”的培養(yǎng)要求。從土木工程專業(yè)教學實踐出發(fā)，提出了教學內(nèi)容模塊化，合理選擇培養(yǎng)標準；強化基本概念理解，培養(yǎng)創(chuàng)新能力；深入工程現(xiàn)場，提升工程能力的教學改革方案，收到了良好的教學效果。

關(guān)鍵詞：卓越計劃；巖石力學；教學改革；礦山建設(shè)

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）05-0075-04

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（簡稱“卓越計劃”）是貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》的重大改革項目，也是促進中國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措，科學時報[1]將“卓越計劃”啟動列為2010年中國高等教育十件大事之一。該計劃旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量的各類型工程技術(shù)人才?！白吭接媱潯本哂腥笈囵B(yǎng)特點：一是行業(yè)企業(yè)深度參與培養(yǎng)過程；二是學校按通用標準和行業(yè)標準培養(yǎng)工程人才；三是強化培養(yǎng)學生的工程能力和創(chuàng)新能力。

針對“卓越計劃”的總體要求，面向卓越工程師的培養(yǎng)，許多從事工程教育的專家進行了深入探討。林健[2]從課程體系的價值取向、課程體系的結(jié)構(gòu)形式、課程體系的整合與重組等方面為“卓越計劃”參與高校專業(yè)課程體系和教學內(nèi)容改革提供了借鑒和參考。張文生等[3]圍繞“回歸工程”教育理念，論述了本科“卓越計劃”的四個主要問題：制定專門性培養(yǎng)方案、改革培養(yǎng)模式、培養(yǎng)青年教師工程教育能力、建立健全保障體系，以期培養(yǎng)更多優(yōu)秀的工程技術(shù)人才。王家臣等[4]根據(jù)卓越工程師的要求，從戰(zhàn)略角度對科學培養(yǎng)采礦人才進行了深入思考。

一、 巖石力學課程的特點

巖石力學是一門應用性和實踐性很強的應用基礎(chǔ)學科，是采礦工程、水利水電工程、交通/鐵道工程、工民建工程和石油工程等眾多學科的專業(yè)基礎(chǔ)課，屬于典型的跨學科、跨行業(yè)的通用課程。雖然中國推行了跨行業(yè)的統(tǒng)一標準，如GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》、GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》等，但是由于借鑒前蘇聯(lián)的高等教育體制，目前還存在許多行業(yè)背景鮮明的規(guī)范在廣泛應用，如GB/T 16414—2008《煤礦科技術(shù)語巖石力學》、DL/T 5368—2007《水電水利工程巖石試驗規(guī)程》和JTG E 41—2005《公路工程巖石試驗規(guī)程》 等。

為了提高教學質(zhì)量，不同行業(yè)內(nèi)的巖石力學課程教師從行業(yè)特色角度對課程教學改革進行了有益的嘗試，比如采礦工程[5]、石油工程[6]、地下建筑工程[7]和海洋工程[8]等，都取得了很好的成效。此外，還有學者從模塊化教學[9]、案例教學[10]、研究型教學[11]以及數(shù)值方法輔助教學[12]等方面進行了巖石力學課程的教學改革實踐。遺憾的是，對巖石力學這門跨行業(yè)、特點鮮明的應用基礎(chǔ)學科，目前還未見針對“卓越計劃”培養(yǎng)特點的教學改革研究成果。

作為“卓越計劃”試點高校的中國礦業(yè)大學經(jīng)過長期發(fā)展和建設(shè)已形成了以工科為主、礦業(yè)為特色、多學科協(xié)調(diào)發(fā)展的基本格局，對中國煤炭能源行業(yè)發(fā)展發(fā)揮著不可替代的引領(lǐng)和支撐作用。巖石力學是學校土木工程、采礦工程及地質(zhì)工程等專業(yè)本科生專業(yè)基礎(chǔ)課程，為后續(xù)如礦山建設(shè)工程、采礦學及礦山壓力與巖層控制等煤炭行業(yè)背景鮮明的專業(yè)課程提供巖石力學基礎(chǔ)知識，地位尤其顯著。

在上述背景下，如何在有限的教學時間內(nèi)按通用標準和煤礦行業(yè)標準培養(yǎng)工程人才，強化學生的工程能力和創(chuàng)新能力已成為擺在教育工作者面前的一道難題。筆者結(jié)合自己的教學實踐，初步探討面向“卓越計劃”的巖石力學教學改革思路，期望能夠拋磚引玉，對其他涉及巖石力學的行業(yè)類院校起到啟迪作用。

二 、巖石力學課程教學中存在的問題

（一）課程安排順序及學時不合理

廣義上講，巖石力學應是力學與地質(zhì)學相結(jié)合的交叉學科，更側(cè)重于固體力學與巖石地質(zhì)學的結(jié)合，具體地說，巖石力學是在彈塑性力學、土力學及工程地質(zhì)學的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。巖石力學的很多概念、理論和公式由土力學和工程地質(zhì)學借鑒而來，但是目前高校經(jīng)常將土力學、工程地質(zhì)學與巖石力學同時開課，給教師講授課帶來諸多不便。

為了研究工程環(huán)境下巖體的力學性態(tài)，巖石力學需要涉及諸如材料力學、彈塑性力學、斷裂損傷力學、裂隙滲流力學及流變力學等復雜深奧的力學內(nèi)容；巖石力學的研究對象是地球千百萬年來復雜地質(zhì)作用而形成的各類巖體，巖石學、工程地質(zhì)學、水文地質(zhì)學、地球物理學和構(gòu)造地質(zhì)學等地學學科的內(nèi)容在教材中不斷出現(xiàn)；巖體工程涉及地基工程、邊坡工程和地下工程等具體工程形式，各種新施工技術(shù)和方法層出不窮。由此可見，巖石力學課程的內(nèi)容豐富而繁雜，然而隨著通識教育課程的增加，各專業(yè)課程課時被大幅削減，巖石力學課時由80學時精簡為如今的32 學時， “滿堂灌”現(xiàn)象成為普遍，學生對該課程內(nèi)容的掌握和應用難度較大，學習積極性難以調(diào)動。

（二） 基本概念模糊，難以培養(yǎng)創(chuàng)新性思維

基本知識的深刻理解，是創(chuàng)新思維形成的力量之源。一些教師在課堂教學中對基本概念強調(diào)不夠，分析不透，著重于公式推導、施工工藝或科研項目介紹等細枝末節(jié)的講解，本末倒置，背離了巖石力學課程設(shè)置的初衷。重點概念比如地應力、流變、強度理論、應變軟化現(xiàn)象、剪脹、尺度效應、圍巖支護工作作用原理等內(nèi)容應該重點分析。此外，由于巖石力學部分內(nèi)容與材料力學、土力學內(nèi)容相近（如強度理論、剪脹、三軸試驗、二次應力和附加應力等），如果不進行相關(guān)內(nèi)容的分析對比，學生容易產(chǎn)生疲倦心理，導致思想上的不重視。

（三）標準選擇混亂陳舊

如前所述，由于巖石力學是多個專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，每個工程領(lǐng)域都有各自的行業(yè)術(shù)語、標準、規(guī)范和教材。但是如果教師在巖石力學基礎(chǔ)知識和工程應用方面的講解都遵照本行業(yè)的規(guī)范和術(shù)語，將會造成學生知識面過窄，不利于國家通用標準的推廣和學生就業(yè)；若完全脫離行業(yè)工程背景，則教學過程難免出現(xiàn)學非所用、理論脫離實際。如何達到“按通用標準和行業(yè)標準培養(yǎng)工程人才”的目標值得思考。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，很多新理論、新技術(shù)和新方法蓬勃發(fā)展，國家相關(guān)部門也會適時推出新的標準和規(guī)范，比如深部資源開采帶來的“三高一擾動”、軟巖大變形和沖擊地壓災害頻發(fā)等問題。但是由于教材的更新速度較慢，如果授課教師不能及時跟蹤行業(yè)發(fā)展動態(tài)，將會導致課程知識體系陳舊無用。

（四）忽視工程能力的培養(yǎng)

實踐是工程教育培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，巖石力學是一門應用性很強的工程學科，然而受授課時間、資金、場地和工程條件等因素制約，目前的教學方式主要以書本知識傳授為主，強調(diào)科學基礎(chǔ)，試圖傳授更多的理論知識，理論與工程實踐脫節(jié)嚴重，忽略了工程的系統(tǒng)性及其實踐特征。“重理論、輕實踐，重課堂、輕課外”的教學模式導致學生動手能力差、工程能力弱化，對于巖石力學課程中諸如地應力測量方法、監(jiān)控量測、松動圈測試、超前地質(zhì)預報和地下工程支護技術(shù)等工程現(xiàn)場的常規(guī)問題無法直觀體驗，不適應企業(yè)要求。這種現(xiàn)狀不符合巖石力學服務于工程的課程特點，難以激發(fā)學生學習的積極性和創(chuàng)造性。

三、面向“卓越計劃”的教學改革思路及實施路線

學校土木工程專業(yè)分為礦山建設(shè)工程、城市地下工程、工民建工程和交通土建工程四個方向，所有方向都開設(shè)巖石力學課程。依據(jù)專業(yè)實際情況，以礦山建設(shè)工程方向為重點，具體就面向“卓越計劃”的巖石力學課程教學改革思路及實施路線進行深入探討。

（一）教學內(nèi)容模塊化，合理選擇培養(yǎng)標準

為了達到“學校按通用標準和行業(yè)標準培養(yǎng)工程人才”的要求，在教學內(nèi)容安排上不能 “一刀切”。首先將教學內(nèi)容模塊化，根據(jù)不同培養(yǎng)方向調(diào)整培養(yǎng)方案。

（1）“前置基礎(chǔ)”模塊4學時，包括巖石力學課程中涉及的材料力學、彈性力學、工程地質(zhì)學和土力學等前置學科的基礎(chǔ)知識，根據(jù)各方向前置課程的授課內(nèi)容確定合理的知識點。比如，彈性力學課程不在工民建方向的培養(yǎng)計劃之內(nèi)，對該方向應該加大彈性力學的權(quán)重。

（2）“巖石力學基礎(chǔ)知識”模塊20學時，包括“巖石組構(gòu)及其物理性質(zhì)”“巖塊變形與強度”“弱面變形和強度”“巖體變形和強度”以及“原巖應力”等5部分，是各專業(yè)方向按共同標準和要求學習的內(nèi)容。模塊內(nèi)容中巖塊室內(nèi)物理性質(zhì)（如含水率、耐崩解性等）、強度和變形試驗、巖體原位變形、強度和聲波速度試驗以及原巖應力測試等內(nèi)容，應嚴格按照通用的國家標準GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》來講授。

（3）“工程應用”模塊8學時，根據(jù)專業(yè)方向的不同，選擇各方向重要的工程應用及案例進行講解。巖體分級是各方向都應該著重講授的內(nèi)容，應該以通用標準GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》為主，并輔以各方向的分級標準。如礦山建設(shè)工程方向的普氏分級標準、交通土建工程方向的 JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》和Q分類等。對于具體工程形式而言，礦山建設(shè)工程方向和城市地下工程方向以巖體地下工程為主，工民建工程方向以巖石基礎(chǔ)工程為主，而交通土建工程方向則以邊坡工程和地下工程并重。各方向還應對工程實踐中常見的災害機理作介紹，比如深部礦山工程中的軟巖大變形、煤與瓦斯突出、沖擊地壓和底板透水等。

（二）強化基本概念理解，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

概念和原理是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，只有掌握概念、清晰原理，才能舉一反三而后應用自如。因此，在授課過程中，教師應多措并舉，把基本概念講清楚，講透徹，讓學生深入理解。

（1）剛性試驗機是20世紀70年代巖石力學的重要進展，對其機理進行嚴謹?shù)睦碚撏茖В瑢τ诔醮谓佑|的學生難以激發(fā)學習興趣。為了解釋柔性結(jié)構(gòu)比剛性結(jié)構(gòu)易于儲存變形能的特點，筆者以彈簧和圓鋼柱的壓縮為例，讓學生很快就明白柔性試驗機壓縮蓄能的快速釋放是使脆性巖樣產(chǎn)生爆裂的根本原因。

（2）室內(nèi)巖樣力學試驗是課程的重要內(nèi)容，書面講解試驗步驟較為枯燥，效率低下，但若先上試驗課，一缺乏必要的準備知識，二受試驗條件所限，難以讓每個學生都參與其中，必然導致教學效果較差。由于視覺化的知識能夠在短時間內(nèi)留下深刻的印象，因此，可采用拍攝試驗全過程的方法，包括聲波速度測試、單軸壓縮試驗、單軸抗壓強度試驗、直接剪切試驗、角模壓剪試驗、巴西劈裂試驗和點荷載試驗等，在每個試驗講解前播放視頻，然后書面講解試驗機理和數(shù)據(jù)處理程序，最后通過試驗課直觀體驗，鞏固教學效果。

（3）原巖應力是地下工程圍巖變形、破壞的根本源動力，在巖體工程具有舉足輕重的地位，并由此帶來“先加載，后開挖”、次生應力、開挖擾動和圍巖等一系列巖體工程特有的概念。對于從理論力學、材料力學、彈性力學和結(jié)構(gòu)力學一路學過來的學生而言，理解這些概念并非易事。筆者選擇理想試驗的方式來形象化該概念，具體來講，就是將地層簡化為彈簧-質(zhì)點系統(tǒng)。該系統(tǒng)在重力作用下平衡后，彈簧發(fā)生壓縮變形，系統(tǒng)內(nèi)存在“原巖應力”，此時“開挖”去除一部分質(zhì)點，必然帶來“應力重分布”和“開挖擾動”。

（三）深入工程現(xiàn)場，提升工程能力

為達到“行業(yè)企業(yè)深度參與培養(yǎng)過程，強化培養(yǎng)工程能力”的培養(yǎng)目標，學校土木工程專業(yè)礦山建設(shè)工程方向?qū)嵭小白吭接媱潯迸囵B(yǎng)方案，學生企業(yè)實訓學時達到36周，有充足的時間在煤礦現(xiàn)場進行實踐學習。在學院層面與永煤集團車集煤礦、城郊煤礦簽訂了本科生合作培養(yǎng)協(xié)議，建立了現(xiàn)場實踐教學基地。

在這種良好的前提下，可在課堂教學（32學時）之外，將部分課堂教學內(nèi)容與學院在煤礦現(xiàn)場的科研項目有機結(jié)合，相互配合，是一種高效集約的授課模式，既可以加深學生對理論知識的認識，又能提高學生的動手能力。如課堂內(nèi)的“巖體聲波速度測試”與現(xiàn)場巷道松動圈測試，“原巖應力測試”與現(xiàn)場常用的空心包體法測試，“古典地壓理論”與支護結(jié)構(gòu)地壓實測方法等。在教學過程中應該在確保安全的前提下，采用小班精細化教學模式以適應現(xiàn)場的惡劣條件。

聘請富有工程經(jīng)驗的工程師與授課教師進行交流合作。選擇科學的授課方法、制定合理的授課內(nèi)容是一種有效的培養(yǎng)方式，既可以使學生盡快適應企業(yè)要求，又能對青年教師起到幫助作用。比如：參觀軟巖大變形實例，加深學生對巖石流變的認識；觀摩支護施工流程，掌握新奧法施工的原則；通過“沿空留/掘巷”“應力轉(zhuǎn)移維護巷道”等工程措施的學習，深刻理解開挖引起原巖應力重分布機理在現(xiàn)場的應用。

四、結(jié)語

工程教育必須“回歸工程”， 在“卓越計劃”下的巖石力學課程教學改革，要以培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力為目標，注重行業(yè)背景，優(yōu)化教學內(nèi)容，豐富教學手段，重視基礎(chǔ)概念與機理，深入工程現(xiàn)場，加強實踐環(huán)節(jié)，激發(fā)學生興趣，切實提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)行業(yè)需要的優(yōu)秀工程人才。

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