“高等巖石力學”課程教學改革的初步探討

劉開云 劉保國

摘 要：巖石力學既是一門復合理論，又是一門實踐性很強的工程學科。作為巖土工程、水利水電工程、隧道工程以及礦業(yè)工程等專業(yè)研究生的重要專業(yè)基礎課之一，為滿足日益發(fā)展的基礎設施建設對巖石力學高層次人才的需求，研究生巖石力學教學改革勢在必行。文章在詳細分析巖石力學課程教學主要特點的基礎上，對目前中國高校研究生巖石力學教學中存在的問題進行了探討，結合教學實際情況，提出了今后研究生巖石力學課程教學改革的思路及指導思想。

關鍵詞：“高等巖石力學”;教學改革;人才培養(yǎng)

近年來，隨著“一帶一路”倡議的大力推進和西部大開發(fā)的持續(xù)展開，大規(guī)模的交通、通信、能源和水利水電等基礎設施建設日益增多，在設計和施工上出現(xiàn)大量高難度的隧道及地下工程建設問題，這些問題在既有設計和施工規(guī)范中都較少涉及或缺乏明確對應的設計理論和施工方法?！案叩葞r石力學”（Advanced Rock Mechanics）作為國內巖土工程、隧道工程、地下工程和防災等專業(yè)研究生的重要專業(yè)基礎課之一，其傳統(tǒng)的授課內容、授課方法及教學模式已面臨極大的挑戰(zhàn)，筆者結合近年來巖石工程中出現(xiàn)的疑難問題及多年“高等巖石力學”的教學經驗，以及在國外訪學的心得，分析目前“高等巖石力學”課程教學存在的問題，提出初步的改革方案與具體思路。

一、“高等巖石力學”教學存在的問題

（一）巖石力學學科的特點

巖石（體）力學是研究巖石（或巖體）的力學性態(tài)的理論和應用的科學，是研究巖石或巖體在外力作用下的應力狀態(tài)、變形規(guī)律和破壞條件等力學性質的學科，它是解決所有巖石工程技術問題的理論基礎。從巖體的以上特點可以看出，巖石力學研究一般應以工程中出現(xiàn)的問題為切入點，在將工程問題凝練成科學問題的基礎上，視解決問題的需要引入不同的方法與理論，經過現(xiàn)場測試、室內試驗、數(shù)值模擬和理論分析，形成解決此類問題的理論或方法并應用于工程實踐進行相應的修正和深化，最終形成此類問題比較成熟的方法或理論。在理論研究的同時，各種成熟的工程經驗方法和理論也是不可或缺的。

近年來，伴隨工程中層出不窮的各類新問題，巖石力學的研究內容越來越豐富，研究手段也越來越多樣化，幾乎涉及所有的力學與數(shù)學理論，且越來越呈現(xiàn)出多學科交叉、多理論交融的發(fā)展趨勢。正如前國際巖石力學學會（ISRM）主席Fairhurst教授所言，“巖石力學，與其說其是一門科學，不如說其是一門藝術！”這句話高度概括了巖石力學這門學科的基本特征。巖石力學至今仍是一門開放的、處于不斷發(fā)展之中的學科，這既是巖石力學理論發(fā)展的機遇，同時也是“高等巖石力學”課程教學的極大挑戰(zhàn)，其教學過程目前還很難像其他學科那樣為學生提供一個完整的標準理論框架和方法來解決今后遇到的巖石工程問題。

（二）當前“高等巖石力學”課程教學存在的一些問題

1.教材陳舊，內容滯后，理論教學內容與工程實際脫節(jié)嚴重，教學內容無法體現(xiàn)“高等巖石力學”的“高等”所在

國內高校至今沒有一本統(tǒng)一的碩士研究生教學的“高等巖石力學”教材（清華大學周維垣教授主編的教材除外），大多數(shù)高校都根據(jù)自身行業(yè)特點采用自編講義或教材授課，甚至有些高校借鑒西方高校的教學特點，對本科生和研究生不區(qū)別對待，采用統(tǒng)一教材授課，教學內容也完全一致，這與本科生和研究生不同的培養(yǎng)目標是相悖的。西方由于在幾十年前就已經完成基礎設施建設，同時由于國情和國策的差異，西方國家高校對巖石力學研究熱度和強度遠沒有國內強烈，其巖石力學教材內容多年來也了無新意?？傮w而言，巖土工程學科在其工科專業(yè)中也不再是重點發(fā)展的學科，因而本科生和研究生共用同一本巖石力學教材，學習同樣的教學內容。而我國伴隨對基礎設施建設的大規(guī)模投資，巖石力學理論研究和巖石工程建設都進入“深水區(qū)”，出現(xiàn)了一大批高難度、全球罕見的標志性工程，這為培育高水平巖石力學專業(yè)人才，突破和完善現(xiàn)有巖石力學理論提供了一個良好的契機，使得中國在巖石力學和工程的理論研究、室內外試驗、現(xiàn)場監(jiān)測和經驗積累方面獲得了飛速進展。然而，受各種因素制約，國內高校專業(yè)教師深入現(xiàn)場調查研究不足，對現(xiàn)場所出現(xiàn)的各種新工藝、新技術、新裝備以及新問題了解不夠，在一定程度上導致理論教學內容與工程實踐存在較大脫節(jié)。

現(xiàn)階段的主要問題是作為巖石力學高級人才的研究生培養(yǎng)缺乏一本明顯有別于本科教學目的，兼顧專用性和通用性，與時俱進，緊密結合現(xiàn)階段理論研究進展與工程技術革新，同時能夠適用于研究生培養(yǎng)目的的“高等巖石力學”教材。

2.實驗與測試教學嚴重不足

實驗與測試在巖石力學教學與研究中起著至關重要的作用。然而，國內高校普遍現(xiàn)狀是試驗儀器和場地普遍不足，各種現(xiàn)代化的工程現(xiàn)場測試技術和設備也奇缺。如霍普金森桿、進口高精度電液伺服巖石三軸試驗機、大型剪切流變儀、真三軸試驗機、核磁共振儀和地質雷達、TSP等物探設備，更遑論各種大型三維物理模擬試驗臺。同時，許多高校不設專職實驗員和實驗室管理人員，這給設備維護、儀器檢修、實驗安全帶來了很大隱患。另外，在本科階段，巖石力學在許多高校是選修課程，學生對課程的重視程度以及課程課時安排必將受到影響，這也將對進入碩士研究生階段后的學生帶來不利的影響。

二、巖石力學教學改革的必要性

巖石力學作為巖土工程、水利水電工程、建筑工程以及礦業(yè)工程等專業(yè)研究生的重要專業(yè)基礎課，被廣泛應用于采礦、土建、石油、國防、水利水電、交通、海洋開發(fā)、環(huán)境保護、防災減災和核廢料處理等領域，而且隨著工程建設的增多和規(guī)模不斷擴大，將給巖石力學帶來許多新的復雜課題。而“高等巖石力學”教學情況，將在一定程度上影響相關專業(yè)高層次人才在實際工程中解決相應問題的能力。因此，過去傳統(tǒng)的教學模式以及教學內容將很難跟上日益發(fā)展的基礎建設步伐，其教學改革勢在必行。

三、巖石力學教學改革思路

針對當前“高等巖石力學”課程教學存在的問題，筆者提出以教材改革為基礎，以先進的多媒體和數(shù)值仿真技術為主，輔以大學生創(chuàng)新性實驗，探索新的“高等巖石力學”的教學方法。

（一）中西結合，教材更新

國內高校碩士研究生巖石力學課程一般沒有統(tǒng)一教材，各學校應在充分考慮本校行業(yè)特色的基礎上，聚焦本?？蒲许椖?，在介紹一般性和通用性巖石力學理論的基礎上，兼顧行業(yè)關注的新理論、新技術和新方法，選擇性編寫“高等巖石力學”教材。北京交通大學作為國內主要鐵路高校之一，“橋梁與隧道工程”和“道路與鐵道工程”既是特色學科也是國家重點學科，其中隧道工程為重中之重。結合近年來國家高速鐵路和高速公路的持續(xù)建設過程中出現(xiàn)的各類隧道工程巖石力學新問題，參考同濟大學沈明榮主編的《巖體力學》（1999）、天津大學張學言主編的《巖土塑性力學基礎》（1999）、河海大學徐志英主編的《巖石力學》（第3版，1993）、北京科技大學蔡美峰主編的《巖石力學與工程》（2002）以及清華大學周維垣編著的“高等巖石力學”（1990）教材;帝國理工學院（Imperial College）J.A.Hudson教授的專著《Engineering Rock Mechanics》、英屬哥倫比亞大學（University of British Columbia）D.Tannant教授主編的《Rock Mechanics and Rock Engineering》以及Evert Hoek教授編著的《Practical Rock Engineering 》。其中，國內教材偏重于理論介紹和學習，國外教材偏重于介紹現(xiàn)場測試和工程實踐等經驗方法介紹，相關教師要取長補短，相互融合，精心編制“高等巖石力學”講義。

（二）教學內容的優(yōu)化整合

本校很多碩士研究生本科階段沒有接觸過《巖石力學》，學生入學時水平參考不齊，根據(jù)課時安排，兼顧專業(yè)需要，有選擇地對以上教材進行編輯選講，在滿足講授巖石力學基本原理和基礎知識的基礎上，結合授課教師自身科研進展，適當向學生介紹學科專業(yè)當前的發(fā)展動態(tài)。本?！案叩葞r石力學”課程重點分為如下8講：①緒論，包括巖石力學發(fā)展歷史及研究新進展概況、巖石力學應用領域及重大巖石工程事例介紹、巖石力學研究方法;②巖石與巖體的力學特性，包括巖石的力學特性（巖石力學性質試驗方法、變形與破壞規(guī)律）、巖體的力學特性（巖體變形與破壞規(guī)律、結構面力學性質、巖體強度、工程巖體分類）;③巖石的強度理論與彈塑性本構模型，包括巖石的本構關系（非線性彈性、彈塑性、彈塑性耦合）、巖石的強度準則及應用;④巖石流變力學，包括巖石流變的力學特性、巖石流變本構模型、巖石流變試驗、巖石流變問題的工程應用;⑤巖石動力學與巖爆分析，包括動載荷作用下巖石的物理力學特性、巖石工程中的動力學問題與分析、巖爆發(fā)生的機理及其預測與防治;⑥巖體工程中反分析方法，包括巖石力學反分析的原理、線彈性位移反分析、非線性位移反分析;⑦斷裂與損傷力學在巖石力學中的應用，包括基于線彈性斷裂力學的巖石與巖體力學行為分析方法、節(jié)理巖體損傷本構模型及其應用;⑧相似材料模型試驗理論。

“高等巖石力學”是隧道、巖土和地下工程專業(yè)研究生的學位課程，總學時量為48學時，根據(jù)國家學科組制定的教學大綱，編制教學計劃，結合本校隧道和巖土專業(yè)發(fā)展需要，重點講授隧道工程中遇到的巖石力學問題和相關基礎，并根據(jù)近年國內外巖石力學研究進展，適時對講義進行調整修改，刪減與其他課程相關的重復性內容，經過幾年的教學實踐，效果較好。

（三）寓教于研，教研結合

本校巖土、隧道及地下工程專業(yè)教師與鐵路和公路建設聯(lián)系較為緊密，自身科研課題比較多，因而在課堂教學時應充分利用本校教師的科研機會和科研成果，包括授課教師自身最新科研成果，向學生介紹當前巖石工程中遇到的新問題，巖石力學新理論，緊密跟蹤國內外科研前沿授課，介紹新的巖石力學前沿研究方向，同時學校對教師授課質量進行了嚴格監(jiān)督，以確保在日常教學中保證較高的教學質量。

（四） 啟發(fā)教學，活躍課堂

巖土工程專業(yè)對學生實踐動手能力要求較高，畢業(yè)生必須具備一定的工程勘察、設計和施工過程控制及管理能力，并具備相應的發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題的能力，實踐教學對這些能力的培養(yǎng)與提高起著重要的作用。本著從“實踐中來，到實踐中去”的宗旨，結合專業(yè)對人才培養(yǎng)的要求，制訂相應的實踐教學計劃培養(yǎng)環(huán)節(jié)。首先，在開課之初給每位研究生布置一個巖石力學或巖石工程相關專題的文獻綜述任務，要求該綜述報告要找出每篇相關研究文獻的創(chuàng)新和不足，培養(yǎng)學生獨立思考的能力;其次，在教學過程中，通過主動讓學生參與任課教師和導師的科研項目，給每位學生分配一定的科研任務，調動其主觀能動性，達到提高學生動手能力的目的;最后，在教學過程中經常性地給學生布置作業(yè)，并及時對作業(yè)進行批改講評，不斷鞏固學生的理論知識，鍛煉其動手能力?？傊?，將工程實踐能力的培養(yǎng)融入教學過程之中，既能提高學生對相應理論知識的理解，又能使學生未出校門就得到實踐鍛煉。

（五）統(tǒng)籌安排，加強實驗教學

正如前面所提到的，巖石力學教學普遍存在實驗設備短缺的窘境，這在短期內是很難得以改善的。這就要求授課教師統(tǒng)籌安排，做好實驗教學工作。巖石力學實驗主要以驗證性實驗為主，對于激發(fā)學生的創(chuàng)新能力和獨立思考能力有限，因此，加大對巖石力學實驗的資金投入，進行創(chuàng)新性實驗可以有效地推動現(xiàn)有的巖石力學實驗課程教學的發(fā)展。同時，要改變傳統(tǒng)的實驗思路，在整個實驗過程中，教師只需扮演指導的角色并給出建設性意見，至于實驗的方法大可根據(jù)學生自有的想法實施，實驗結果由學生自行總結。對于已有的數(shù)據(jù)和實驗現(xiàn)象，學生可以根據(jù)自己所學知識進行處理，形成以學生為主的實驗方式。以學生為主，體現(xiàn)在實驗過程中實驗想法的構思、巖石試樣的制備、實驗方法的制定、實驗數(shù)據(jù)結果分析等均以學生為主體，重在培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，將本專業(yè)理論知識學習、實驗及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)結合起來。同時，學校應增加大學生創(chuàng)新性實驗平臺，學習知識不應該停留在理論階段。

實驗教學把培養(yǎng)學生實驗技能放在首位，將虛擬與現(xiàn)實相結合，動手與動腦相結合，充分發(fā)揮數(shù)值分析和計算機模擬技術在實驗教學中的突出作用。鑒于學生人數(shù)多、實驗場地小、 儀器設備缺和巖塊樣品不足等問題，要將數(shù)值仿真與計算機模擬相結合，并引入實驗教學，即以數(shù)值模擬演示試驗機巖樣單軸或三軸壓縮實驗。應用大型巖土材料專用數(shù)值分析軟件FLAC3D進行巖石力學數(shù)值仿真模擬實驗教學。由于巖石破裂過程現(xiàn)象的復雜性和巖石介質的復雜性，在真實的巖石三軸壓縮實驗過程中，學生很難通過大量重復性實驗觀察到巖石破壞的各種類型的復雜現(xiàn)象。而利用FLAC3D仿真程序，模擬不同巖石材料、不同圍壓和不同軸壓情況下，巖石試件的物理力學反應，仿真具有極好的可重復性，同時也可以激發(fā)學生對數(shù)值仿真的極大興趣，使學生參與教學活動的主動性、創(chuàng)造性大大增強。 隨著現(xiàn)代計算機技術的發(fā)展，利用計算機對巖石的變形與破裂過程進行數(shù)值試驗，不僅具有通用性強、 方便靈活、省時、降費，齊頭并進等特點，而且可以通過數(shù)值試驗得到許多在常規(guī)實驗室試驗中難以觀測到的重要信息，作為巖石力學實驗教學的重要補充，達到巖石力學實驗輔助教學的目的。但是，只有在證明數(shù)值試驗方法正確的基礎上才能使用它進行巖石力學的數(shù)值試驗。 此外，巖石力學數(shù)值試驗也可完成復雜巖石塊體的變形破壞過程的數(shù)值仿真。

四、結語

巖石力學同時具有理論科學和工程學科的屬性，其研究內容豐富，但又沒有完整的體系，這對該學科的教學造成相當?shù)睦щy。這既是挑戰(zhàn)，也是機遇，要求學校在巖石力學教學過程中與時俱進，緊跟國內外巖石力學學科與工程發(fā)展，改變傳統(tǒng)的教學模式，著重加強理論基礎教學，提高學生認識問題的起點，并通過理論分析以及工程實例研究，構建理論與工程實踐的橋梁，使學生既有較好的理論分析基礎，又具有較強的工程實踐分析能力。為國家培養(yǎng)出具備解決越來越復雜的巖石力學問題的高層次合格人才，并在教學過程中有針對性地培養(yǎng)學生的課程應用能力，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的高技能人才奠定良好基礎。

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作者簡介：劉開云（1971—），男，安徽池州人，北京交通大學土木建筑工程學院副教授，博士，主要從事巖石力學與巖石工程的教學與研究工作;

劉保國（1964—），男，河北保定人，北京交通大學土木建筑工程學院教授，博士，主要從事巖石力學的研究。