新時(shí)代“巖體力學(xué)”“七步法”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探討

陳軍濤 閆莎莎 張培森 陳靜 寧建國(guó)

摘 要 針對(duì)當(dāng)前高?！皫r體力學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的本科學(xué)生多、實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)相對(duì)較少、學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)不足等一系列問(wèn)題，結(jié)合工程教育認(rèn)證中學(xué)生的畢業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提出了“以現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)”、“鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法”和“利用新技術(shù)多途徑實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的新時(shí)代改革方向，并以巖石單軸壓縮試驗(yàn)為例，詳細(xì)闡述了“七步法”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的主要內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式符合工程教育認(rèn)證要求的學(xué)生畢業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，解決了當(dāng)前高校“巖體力學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的諸多弊端，可為新時(shí)代高等院?！皫r體力學(xué)”的高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)和高水平人才培養(yǎng)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 巖體力學(xué) “七步法”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式 高等院校 工程教育認(rèn)證

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2020.01.066

Experiment Teaching Mode of "Seven Steps" for

Rock Mass Mechanics in the New Era

CHEN Juntao[1][2][3]， YAN Shasha[1]， ZHANG Peisen[1]， CHEN Jing[1]， NING Jianguo[1]

（[1] National Demonstration Center for Experimental Mining Engineering Education， Shandong University

of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590;

[2] State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control of Shandong University

of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590;

[3]College of Geosciences and Surveying Engineering， China University of Mining and Technology （Beijing）， Beijing 100083）

Abstract Aiming at the issues of experiment teaching for rock mass mechanics in universities， such as too many students， less experiment equipment， less teaching time and inadequate innovation， the teaching orations about "bringing the field to experiment teaching"， "encouraging the students to innovate experiment" and "make full use of different methods to rich experiment teaching" were brought up based on the demand for graduates of engineering education accreditation in new era， then， taking rock uniaxial compression test for example， the experiment teaching mode of "seven steps" was described in detail. This mode of rock mass mechanics is in accordance with the demand for graduates of engineering education accreditation， and solves many disadvantages existed in experiment teaching in colleges， which could provide some useful guidance for high quality experiment teaching for rock mass mechanics and high level students.

Keywords rock mass mechanics; experiment teaching mode of "seven steps"; colleges and universities; engineering education accreditation

“巖體力學(xué)”課程是采礦工程、土木工程、地質(zhì)工程等學(xué)科必修的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究巖體（巖石）在外力作用下應(yīng)力、變形及其破壞規(guī)律等的學(xué)科，是解決水利、土木、交通工程等建設(shè)領(lǐng)域中巖土工程問(wèn)題的重要方法。因此，“巖體力學(xué)”是一門(mén)融合理論知識(shí)和工程實(shí)踐的基礎(chǔ)課程。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量城市已建和在建的地鐵、隧道，礦產(chǎn)資源開(kāi)采、水利水電工程等都涉及到巖體力學(xué)問(wèn)題。2018年10月24日在中國(guó)境內(nèi)開(kāi)通的港珠澳大橋，是在高溫、高濕、高鹽環(huán)境中于松軟地基之上建成的世界最長(zhǎng)、埋深最大的海底沉管隧道，被英國(guó)《衛(wèi)報(bào)》譽(yù)為“新世界七大奇跡”。這些巖土工程的建設(shè)離不開(kāi)巖體力學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，更是依托于無(wú)數(shù)個(gè)巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得的力學(xué)參數(shù)而設(shè)計(jì)的。所以，“巖體力學(xué)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)于“新工科”學(xué)生的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。

1 “巖體力學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義

（1）進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)課堂專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解。目前全國(guó)高校的“巖體力學(xué)”課程一般為50個(gè)學(xué)時(shí)左右。一般情況下，授課老師通過(guò)PPT、板書(shū)、項(xiàng)目經(jīng)歷和與學(xué)生互問(wèn)互答等教學(xué)方式，講解巖體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)。鑒于“巖體力學(xué)”課程知識(shí)量大，學(xué)時(shí)少的特點(diǎn)，本科學(xué)生對(duì)課程涉及的專(zhuān)業(yè)知識(shí)尚缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。通過(guò)“巖體力學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，可以有效的將理論知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題結(jié)合起來(lái)，多方位思考地下工程中巖體失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理，有助于進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的轉(zhuǎn)化和深入理解。

（2）激發(fā)學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的興趣。相對(duì)于枯燥的課堂教學(xué)，學(xué)生更容易對(duì)巖體力學(xué)中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容感興趣，比如為什么要制作圓柱形和立方體的標(biāo)準(zhǔn)試樣等。授課老師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要多方面、立體式的引導(dǎo)學(xué)生去思考“巖體力學(xué)”課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，借助地下巖土工程的實(shí)際問(wèn)題，生動(dòng)形象地講解每一個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能和主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生積極探索實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的本質(zhì)原因。

（3）搭建學(xué)生對(duì)問(wèn)題研究的思維框架。解決問(wèn)題的思路對(duì)于問(wèn)題的解決至關(guān)重要。巖體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，有助于培養(yǎng)學(xué)生形成遇到問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決和驗(yàn)證問(wèn)題的方法，有效搭建學(xué)生研究巖體力學(xué)問(wèn)題的思維框架，提高學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新研究問(wèn)題的能力，更好的培養(yǎng)新時(shí)代新工科的高水平人才。

2 當(dāng)前高?！皫r體力學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

“巖體力學(xué)”課程主要面向采礦工程、土木工程、地質(zhì)工程等學(xué)科的學(xué)生，學(xué)生數(shù)量較大，加之實(shí)驗(yàn)器材不足、學(xué)時(shí)較少（一般為2個(gè)學(xué)時(shí)）等多方面原因，使得“巖體力學(xué)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多形成了“學(xué)生課前預(yù)習(xí)、教師講解實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)”的教學(xué)模式，這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要帶來(lái)以下問(wèn)題：

（1）教學(xué)模式單一，調(diào)動(dòng)不起學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。目前的“巖體力學(xué)”實(shí)驗(yàn)授課模式主要以教師講授+學(xué)生觀察為主，盡管學(xué)生課前對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作了預(yù)習(xí)，但由于學(xué)生很少能夠逐一親自動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)過(guò)程，導(dǎo)致學(xué)生不能很好的消化巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)涵蓋的知識(shí)點(diǎn)，而且一次性學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)課的同學(xué)比較多，造成學(xué)生學(xué)習(xí)效果往往不盡如人意。所以，學(xué)生對(duì)“巖體力學(xué)”的實(shí)驗(yàn)課程興趣不大，對(duì)涉及的知識(shí)點(diǎn)理解不會(huì)深入。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題聯(lián)系不足，教學(xué)過(guò)程不夠形象具體。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)授課模式只是純粹的講解實(shí)驗(yàn)過(guò)程，至于試樣為什么是圓柱形和立方體形狀的，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐等問(wèn)題，老師們往往不能詳細(xì)的發(fā)散式講述，這樣學(xué)生就不能從全局的角度把握整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，認(rèn)識(shí)不到巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要性，最終導(dǎo)致學(xué)生不能舉一反三和達(dá)到運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段解決實(shí)際問(wèn)題的效果。

3 基于OBE的“巖體力學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方向

我國(guó)工程教育認(rèn)證采用基于OBE（Outcome-based Education）的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對(duì)畢業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)有三點(diǎn)如下：（1）能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)用于解決復(fù)雜工程問(wèn)題;（2）能夠設(shè)計(jì)針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的解決方案，能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí);（3）能夠針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題，開(kāi)發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具。這三個(gè)目標(biāo)對(duì)學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐認(rèn)知和解決能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力以及知識(shí)創(chuàng)新和現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的融合能力提出了要求。

因此，“巖體力學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)須圍繞“以現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)”、“鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法”和“利用新技術(shù)多途徑實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”三個(gè)方向進(jìn)行過(guò)程改革。

3.1 以現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)

科學(xué)實(shí)驗(yàn)，是指根據(jù)一定的目的，運(yùn)用一定的儀器、設(shè)備等物質(zhì)手段，在人工控制的條件下，觀察、研究自然現(xiàn)象及其規(guī)律性的社會(huì)實(shí)踐形式。因此，在進(jìn)行巖體力學(xué)試驗(yàn)教學(xué)時(shí)，老師們要和學(xué)生講明白實(shí)驗(yàn)的來(lái)龍去脈，比如實(shí)驗(yàn)的目的和作用等，最好是結(jié)合巖土工程的現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題去講解實(shí)驗(yàn)的原因、過(guò)程、數(shù)據(jù)處理及分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的解決等，這樣學(xué)生們就會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程形成清晰明確的理解，有助于理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)會(huì)運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的方法，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的思路和能力。所以，“巖體力學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)須要從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題引入。

3.2 鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法

創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂。每個(gè)巖體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法不是固有的，老師們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中要多激發(fā)學(xué)生們?nèi)ニ伎紟r體力學(xué)問(wèn)題，針對(duì)某個(gè)現(xiàn)場(chǎng)工程問(wèn)題，充分發(fā)揮學(xué)生們的想象力和創(chuàng)造力，比如可以通過(guò)全國(guó)大學(xué)生采礦技能大賽等活動(dòng)讓學(xué)生們研制新型的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和研究方法等（實(shí)驗(yàn)考查時(shí)可設(shè)創(chuàng)意分?jǐn)?shù)），培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，搭建學(xué)生對(duì)問(wèn)題研究的思維框架，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力。所以，“巖體力學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，在掌握實(shí)驗(yàn)基本思路、過(guò)程和目的的前提下，要充分啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思想，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方法和過(guò)程進(jìn)行創(chuàng)新。

3.3 利用新技術(shù)多途徑實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

21世紀(jì)以來(lái)，專(zhuān)家們研究巖體力學(xué)問(wèn)題的方法很多，如理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐等，特別是近年來(lái)出現(xiàn)的聲發(fā)射、工業(yè)CT、數(shù)字散斑、高倍掃描電鏡、超聲波成像等技術(shù)，廣泛應(yīng)用于巖體力學(xué)問(wèn)題的研究中。因此，老師們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)的同時(shí)，要采取各種途徑盡可能多的向?qū)W生們介紹這些先進(jìn)設(shè)備的使用情況（如現(xiàn)場(chǎng)操作、視頻講解，遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)等），開(kāi)拓學(xué)生的視野和思維，在部分院校巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的情況下，老師可以利用PFC、RFPA等軟件基本的力學(xué)試驗(yàn)，有助于形象的加深學(xué)生對(duì)巖石破裂失穩(wěn)的理解。所以，實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)采用多種新技術(shù)生動(dòng)形象的展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過(guò)程。

4 以巖石單軸壓縮試驗(yàn)為例，闡述“七步法”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的主要內(nèi)容

為更好的體現(xiàn)“巖體力學(xué)”“以現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)”、“鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法”和“利用新技術(shù)多途徑實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的改革方向，提出一種基于“問(wèn)題來(lái)源-實(shí)驗(yàn)操作-數(shù)據(jù)分析-服務(wù)現(xiàn)場(chǎng)”教學(xué)思路的“七步法”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，該模式從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中引入實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，采用多種新技術(shù)形象生動(dòng)的展現(xiàn)試樣制作、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析的全過(guò)程，充分激發(fā)本科學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造思維，全程教學(xué)貫穿以學(xué)生主動(dòng)探索學(xué)習(xí)為主，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教學(xué)為輔的理念，最后將獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用指導(dǎo)于現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。

巖石單軸壓縮是指巖石在單軸壓縮條件下的強(qiáng)度、變形和破壞特征?，F(xiàn)以巖石單軸壓縮試驗(yàn)為例，簡(jiǎn)要講解“巖體力學(xué)”課程“七步法”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的主要內(nèi)容。

（1）教學(xué)目的：掌握巖石單軸壓縮實(shí)驗(yàn)的方法，學(xué)會(huì)巖石單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比的計(jì)算方法;了解巖石單軸壓縮過(guò)程的變形特征和破壞類(lèi)型，指導(dǎo)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)工程的巖體力學(xué)問(wèn)題。

（2）教學(xué)思路：實(shí)踐問(wèn)題來(lái)源—實(shí)驗(yàn)操作—數(shù)據(jù)分析—應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)。

（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)：

a.實(shí)驗(yàn)教師通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目（如錦屏一級(jí)水電站建造涉及的巖體力學(xué)問(wèn)題），提出需要的巖石力學(xué)參數(shù)，討論這些力學(xué)參數(shù)如何獲取，引出需要講解的巖石單軸壓縮試驗(yàn);

b.帶領(lǐng)學(xué)生參觀地球科學(xué)館，認(rèn)識(shí)巖石試樣的形成過(guò)程和形態(tài)特征，為準(zhǔn)確分析巖石破裂失穩(wěn)原因做準(zhǔn)備;

c.帶領(lǐng)大家參觀試樣的取芯和加工過(guò)程，以及試樣加工需要達(dá)到的精度要求和原因;

d.進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，可配合聲發(fā)射技術(shù)實(shí)現(xiàn)巖石破裂路徑的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（最好是老師指導(dǎo)學(xué)生親自操作一次，儀器設(shè)備不允許時(shí)可通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)），觀看試樣的破裂過(guò)程;

e.以某組試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，講解試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法;

f.針對(duì)試樣破裂形態(tài)，和同學(xué)們討論試樣破裂的原因，最后老師總結(jié)試樣破裂問(wèn)題，同時(shí)講解如何將實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題;

g.學(xué)生們撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

圖1中，（a）為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題來(lái)源;（b）-（f）為實(shí)驗(yàn)操作及分析過(guò)程，涉及一些巖體力學(xué)問(wèn)題研究的新技術(shù)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和過(guò)程的探索創(chuàng)新;（f）為將實(shí)驗(yàn)結(jié)果回歸服務(wù)于現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的解決;（g）為實(shí)驗(yàn)過(guò)程的總結(jié)。

5 結(jié)語(yǔ)

“七步法”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式充分體現(xiàn)了“以現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)”、“鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法”和“利用新技術(shù)多途徑實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的改革方向，契合了工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證中畢業(yè)學(xué)生需要達(dá)到的培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)單實(shí)用，實(shí)施性強(qiáng)，容易為高?！皫r體力學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程老師所接受，可為新時(shí)代“巖體力學(xué)”的高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)和人才培養(yǎng)提供指導(dǎo)思路。

*通訊作者：閆莎莎

基金項(xiàng)目：礦業(yè)工程國(guó)家級(jí)教學(xué)示范中心開(kāi)放基金資助項(xiàng)目（KYSF20180211，KYSF20180104，KYSF20180208）;礦業(yè)工程一流學(xué)科建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)（04CK01903）;國(guó)家自然科學(xué)基金（51604167）;山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2018GSF117018）

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