面向工程實(shí)際需要的巖體力學(xué)實(shí)踐教學(xué)改革

王銀梅 孫建生 李兵

摘要：巖體力學(xué)是理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的一門工程學(xué)科。我校水利學(xué)院巖體力學(xué)課程存在重理論學(xué)習(xí)，輕實(shí)踐教學(xué)的問題，該課程的教學(xué)中，室內(nèi)試驗(yàn)少，不進(jìn)行野外教學(xué)實(shí)習(xí)，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)非常缺乏。針對現(xiàn)狀，開展巖體力學(xué)實(shí)踐教學(xué)改革，創(chuàng)新試驗(yàn)教學(xué)和管理新體系。采取增加室內(nèi)試驗(yàn)并優(yōu)化試驗(yàn)內(nèi)容、進(jìn)行巖體力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)，創(chuàng)造巖體力學(xué)現(xiàn)場試驗(yàn)和開展創(chuàng)新型研究試驗(yàn)等，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動手和實(shí)際工作能力，提高巖體力學(xué)教學(xué)水平。

關(guān)鍵詞：巖體力學(xué)；實(shí)踐教學(xué)；教學(xué)改革；能力

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）12-0135-02

巖體力學(xué)是研究巖石和巖體力學(xué)性能的理論和應(yīng)用的科學(xué)。[1]巖體力學(xué)研究問題的方法包括科學(xué)實(shí)驗(yàn)、理論分析和實(shí)踐驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，其中科學(xué)實(shí)驗(yàn)是巖體力學(xué)研究的基礎(chǔ)工作，幾乎所有巖體力學(xué)問題的研究都是從實(shí)驗(yàn)開始的，以試驗(yàn)為依據(jù)，巖體力學(xué)的試驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生更好地了解巖石（體）的強(qiáng)度和變形特性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維，進(jìn)而理論聯(lián)系實(shí)際，解決巖體工程中的實(shí)際問題。鑒于巖體力學(xué)鮮明的應(yīng)用學(xué)科特征和試驗(yàn)環(huán)節(jié)的重要性，巖體力學(xué)教學(xué)中必須重視實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[2-4]。

一、我校的巖體力學(xué)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

長期以來我校師資力量不足，比較缺乏承擔(dān)巖體力學(xué)課程的教師，巖體力學(xué)教學(xué)中存在重理論講授，輕實(shí)踐教學(xué)的問題。教學(xué)模式大多是“填鴨式”，教學(xué)體系以理論教學(xué)為主，課程偏重老師口頭講解，滿堂灌輸知識概念、原理、結(jié)論等。該課程的教學(xué)中實(shí)踐教學(xué)部分僅僅是簡單介紹試驗(yàn)原理和演示試驗(yàn)過程，因試驗(yàn)設(shè)備短缺，課程室內(nèi)試驗(yàn)很少，沒有安排學(xué)生單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn)，不進(jìn)行野外教學(xué)實(shí)習(xí)。由于缺乏試驗(yàn)及教學(xué)實(shí)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，沒有理論與實(shí)踐的結(jié)合，出現(xiàn)教師很難生動透徹地講解理論知識，教師感覺課程不好教；學(xué)生理解巖體的特性及領(lǐng)悟巖體力學(xué)理論起不到很好的幫助作用，學(xué)生普遍反映教學(xué)比較枯燥、不好學(xué)、不好用甚至不會用。同時(shí)學(xué)生不能參與試驗(yàn)其中，試驗(yàn)?zāi)芰T乏，試驗(yàn)的創(chuàng)新意識和能力無從談起，無法滿足工程實(shí)際對巖體力學(xué)人才的需要。因此，我們必須加強(qiáng)巖體力學(xué)的實(shí)踐教學(xué)，在教學(xué)中找到當(dāng)前存在的主要問題，并提出有效的解決辦法，以適應(yīng)實(shí)際需求，不斷突破和創(chuàng)新，達(dá)到教好、學(xué)好、用好巖體力學(xué)的目的。

二、巖體力學(xué)實(shí)踐教學(xué)的探索

針對上述實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，我校出臺了一系列政策措施，如購置相關(guān)的試驗(yàn)設(shè)備、引進(jìn)專業(yè)教師和實(shí)驗(yàn)管理人員、倡導(dǎo)改革創(chuàng)新，這為巖體力學(xué)實(shí)踐教學(xué)改革帶來了難得的機(jī)遇。為此我們開展了巖體力學(xué)實(shí)踐教學(xué)改革的探索。

（一）增加室內(nèi)試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)

實(shí)踐環(huán)節(jié)的重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能，虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，動手與動腦相結(jié)合。故創(chuàng)新試驗(yàn)教學(xué)和管理體系，限于目前實(shí)驗(yàn)室的條件，先增加室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)節(jié)，初步開設(shè)基礎(chǔ)室內(nèi)試驗(yàn)如表1所示，并編制相應(yīng)的試驗(yàn)指導(dǎo)書，使學(xué)生進(jìn)一步掌握和理解課堂所學(xué)的巖體力學(xué)理論知識，掌握試驗(yàn)基本技能，以后再逐步增加研究性和綜合性試驗(yàn)的開設(shè)比例。

表1中的試驗(yàn)內(nèi)容，試驗(yàn)時(shí)長，在有限的課時(shí)內(nèi)完成也比較困難。由于高校擴(kuò)招，開課班級多，學(xué)生人數(shù)大幅增加已成事實(shí)，實(shí)驗(yàn)室在場地和時(shí)間的安排上確實(shí)有很大難度，所以必須全面開放實(shí)驗(yàn)室，實(shí)行實(shí)驗(yàn)室開放式管理，即實(shí)驗(yàn)室要最大程度地滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)之用，讓學(xué)生有充裕的時(shí)間能夠進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)管理人員要毫不保留地指導(dǎo)并讓學(xué)生熟練掌握試驗(yàn)操作。我們通過與實(shí)驗(yàn)室相關(guān)人員協(xié)調(diào)，在不影響實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)行的前提下，開放實(shí)驗(yàn)室，將學(xué)生劃分多批次，利用學(xué)生課余時(shí)間，盡可能多地鍛煉學(xué)生的實(shí)際動手能力。

（二）進(jìn)行巖體力學(xué)的數(shù)值模擬演示（4學(xué)時(shí)）[5]

在本科教學(xué)過程中一般只能有選擇地讓學(xué)生動手做幾種最基本的基礎(chǔ)室內(nèi)試驗(yàn)。因?yàn)閷W(xué)校不可能將最新的巖體力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)大量引進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，所以學(xué)生根本無法接觸最前沿的試驗(yàn)技術(shù)，難以很好地培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，要想與時(shí)俱進(jìn)，應(yīng)增加新的試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)中，我們引進(jìn)了數(shù)值計(jì)算軟件ANSYS，利用有限元ANSYS軟件制作的單軸和三軸受壓數(shù)值試驗(yàn)，拓寬了學(xué)生的思路和創(chuàng)造性。而在學(xué)習(xí)邊坡巖體應(yīng)力和非圓形巷道圍巖應(yīng)力分布時(shí)則采用Flac3D專業(yè)軟件，將數(shù)值方法的優(yōu)勢，通過數(shù)值仿真模型，穿插于實(shí)驗(yàn)課中，動態(tài)而直觀地顯現(xiàn)全過程變化特征和規(guī)律。

用計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)來優(yōu)化試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，可以替代部分的實(shí)驗(yàn)室物理試驗(yàn)，還能觀察物理試驗(yàn)所不能觀察到的力學(xué)及微觀現(xiàn)象。直觀闡述單軸壓縮，單軸拉伸、直接剪切、三軸壓縮等試驗(yàn)原理；試驗(yàn)方法和步驟的講解，再配合采用專題錄像片，巖石的變形與破壞過程有更加清晰的認(rèn)識。巖體力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)環(huán)節(jié)，把引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會科學(xué)的思維方法放在首位，試驗(yàn)教學(xué)安排上注意保持了試驗(yàn)的科學(xué)性、先進(jìn)性和基礎(chǔ)性，同時(shí)也注意培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

我們的教學(xué)實(shí)踐證明，通過實(shí)現(xiàn)室內(nèi)試驗(yàn)與增加數(shù)值仿真試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，使本科生在實(shí)踐中體會所學(xué)知識，找到自己的不足，增強(qiáng)對巖體力學(xué)的理解與掌握，鍛煉動手能力，提高分析問題、解決問題的能力與創(chuàng)新能力，在降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本的同時(shí)，確實(shí)提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

（三）創(chuàng)造巖體力學(xué)現(xiàn)場試驗(yàn)[6]

巖體是由巖石組成的，具有一定結(jié)構(gòu)，賦存于一定地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。巖體區(qū)別于巖石，學(xué)生僅憑室內(nèi)試驗(yàn)掌握巖石的性質(zhì)是不夠的。巖體性質(zhì)能不能滿足各類工程的要求，現(xiàn)場巖體的原位試驗(yàn)和測試是重要內(nèi)容。故有必要開展巖體原位變形試驗(yàn)，巖體剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度，巖體回彈及巖體聲波測試等現(xiàn)場試驗(yàn)，這樣在巖體力學(xué)教學(xué)理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際工作能力方面起到重要作用。我們將巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度，巖體回彈及巖體聲波測試等便攜式測試結(jié)合老師們的部分科研項(xiàng)目和生產(chǎn)實(shí)習(xí)予以實(shí)施，收到了效果，但因儀器少，時(shí)間較短，仍顯不足。近年來，我校加大了實(shí)習(xí)基地建設(shè)和校企合作辦學(xué)力度，期望通過學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、實(shí)習(xí)基地建設(shè)等項(xiàng)目的資助有所突破，努力創(chuàng)造巖體力學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)機(jī)會，進(jìn)一步提高巖體力學(xué)教學(xué)質(zhì)量和水平。

三、結(jié)語

在研究巖體力學(xué)實(shí)踐自身特點(diǎn)與認(rèn)知規(guī)律的基礎(chǔ)上[6-8]，增加并重組實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，開展數(shù)值試驗(yàn)，創(chuàng)造現(xiàn)場巖體力學(xué)試驗(yàn)條件和開展創(chuàng)新型研究試驗(yàn)，構(gòu)建適用我校、體現(xiàn)特色、具有專業(yè)特點(diǎn)的巖體力學(xué)實(shí)踐教學(xué)體系。通過上述實(shí)踐環(huán)節(jié)，理論聯(lián)系實(shí)際，鍛煉學(xué)生的實(shí)際操作能力，培養(yǎng)學(xué)生分析能力和解決實(shí)際問題的能力，更好地為工程建設(shè)服務(wù)。

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Practical Teaching Reform of Rock Mass Mechanics for Engineering Needs

WANG Yin-mei，SUN Jian-sheng，LI Bing

（ College of Hydraulic Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

Abstract：Rock mass mechanics is a subject with strong theory and practice. Our course has the problems of heavy theory study and light practice teaching. The practice teaching reform is carried out. By increasing the indoor tests，numerical and field tests，etc，the teaching level of rock mass mechanics has been improved.

Key words：Rock mass mechanics；practice teaching；teaching reform；ability