關(guān)聯(lián)性教學(xué)在巖石力學(xué)實驗課程改革中的探索

黃 倩， 潘益鑫， 彭巖巖， 伍法權(quán)， 沙鵬， 易紅清

（1.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江紹興 312000；2.浙江省巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，浙江紹興 312000；3.浙江省有色金屬地質(zhì)勘查局，浙江紹興 312000）

0 引 言

巖石力學(xué)實驗課是地質(zhì)工程和巖土工程專業(yè)課程教學(xué)中的一門基礎(chǔ)專業(yè)課，該門實驗課以輔助學(xué)習(xí)、理解巖石力學(xué)中相關(guān)理論知識點為目的，具有較強(qiáng)的實踐性和應(yīng)用性［1-3］。在實際各類工程應(yīng)用中，設(shè)計一個結(jié)構(gòu)必須考慮其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，以求得在安全條件下的最大經(jīng)濟(jì)效果，這往往依賴于大量的實驗資料為設(shè)計和施工方案提供數(shù)值參考依據(jù)，因此巖石力學(xué)實驗在解決巖土工程、地質(zhì)工程實際問題中起著重要的作用［2］。通過巖石力學(xué)實驗課教學(xué)可以幫助學(xué)生理解復(fù)雜工程活動中巖體在受力作用下產(chǎn)生的一系列力學(xué)問題，從而更有效地理解掌握巖石力學(xué)中的理論知識［4-5］。近年來教育部對高等教育的課程建設(shè)提出了高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度“兩性一度”的要求，為此在巖石力學(xué)實驗課程的開展過程中進(jìn)行了教學(xué)改革的探索，以滿足創(chuàng)新型和應(yīng)用型復(fù)合型人才的培育目標(biāo)［6-7］。

1 巖石力學(xué)實驗課的現(xiàn)狀

1.1 教學(xué)內(nèi)容

由于課程設(shè)置上巖石力學(xué)實驗課與理論課是分別獨立授課的，理論課與實踐課之間的孤立讓該門實驗課難以達(dá)成幫助學(xué)生系統(tǒng)地理解掌握相關(guān)知識點。在以往的實驗教學(xué)中，受課時限制，課程中一般會重點介紹實驗設(shè)備，通過演示講解實驗操作的步驟和流程讓學(xué)生掌握每個實驗。學(xué)習(xí)過程中學(xué)生缺乏將每一個實驗與巖石力學(xué)理論課對應(yīng)的知識點建立聯(lián)系，難以將理論知識應(yīng)用在工程中解決實際問題，從而導(dǎo)致實驗教學(xué)內(nèi)容與理論知識關(guān)聯(lián)不夠密切，沒有與工程實例應(yīng)用結(jié)合，難以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用、融會貫通的綜合應(yīng)用能力和解決實際問題的能力。

巖石力學(xué)實驗課除了與巖石力學(xué)理論課密切相關(guān)，還與礦物巖石學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等課程相關(guān)聯(lián)，如果實驗教學(xué)內(nèi)容僅僅停留在操作步驟流程和計算公式層面，缺乏與其他課程知識點的關(guān)聯(lián)，則無法實現(xiàn)多門課程思維融合、跨課程能力融合以及產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的實踐融合，知識的廣度和深度受限則難以體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的高階性。

1.2 教學(xué)設(shè)備

巖石力學(xué)實驗課的開展主要依賴實驗儀器設(shè)備，然而在實際的課程開展過程中，用于教學(xué)的實驗儀器多存在落后陳舊或測量精度低等問題，致使教學(xué)質(zhì)量差，學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣和熱情。儀器數(shù)量有限，使學(xué)生需要分多組進(jìn)行實驗操作致使實際課程耗時遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)定課時量，教學(xué)時間和精力成本高，為實驗教學(xué)帶來重重阻力。教學(xué)實驗儀器與科研實驗儀器獨立分隔，雖然對于部分高精密儀器的保護(hù)，考慮維護(hù)成本高、操作難度大不對本科教學(xué)開放，造成高價購置的先進(jìn)儀器設(shè)備利用率不高，資源浪費。另一方面，用于教學(xué)的儀器大多為常規(guī)設(shè)備，缺乏先進(jìn)性、智能化，使得學(xué)生無法接觸到學(xué)科發(fā)展前沿技術(shù)，不能學(xué)到最新的測試技術(shù)方法。

1.3 教學(xué)模式

2 關(guān)聯(lián)性教學(xué)理念

結(jié)合當(dāng)下國家對高等教育提出的高階要求和地質(zhì)工程、巖土工程行業(yè)發(fā)展對人才的需求，在巖石力學(xué)實驗課教學(xué)改革探索的過程中，既要充分體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的高度、深度和廣度，又要調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和綜合應(yīng)用能力，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和批判性思維，將所學(xué)到的知識應(yīng)用到工程案例中解決實際問題，建立必要的關(guān)聯(lián)性思維。

2.1 核心內(nèi)涵

關(guān)聯(lián)性教學(xué)理念致力于讓學(xué)生建立嚴(yán)密、系統(tǒng)的知識體系，讓知識與知識建立關(guān)聯(lián)，科研與實踐教學(xué)建立關(guān)聯(lián)，課堂教學(xué)與工程應(yīng)用建立關(guān)聯(lián)，這種密切的關(guān)聯(lián)性也體現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研一體化的深度融合，促進(jìn)科研成果、項目成果與教學(xué)成果之間的互相轉(zhuǎn)化。

2.2 思路框架

建立關(guān)聯(lián)性教學(xué)包括將教學(xué)內(nèi)容分別與對應(yīng)的理論知識點、先進(jìn)的儀器設(shè)備、工程實例建立關(guān)聯(lián)。其核心思路框架如圖1 所示。

圖1 關(guān)聯(lián)性教學(xué)核心思路架構(gòu)

（1）關(guān)聯(lián)理論課知識點。本著學(xué)以致用的教學(xué)目的，在實驗課的教學(xué)過程中建立每一個實驗與理論課知識點的關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生形成系統(tǒng)的知識框架，切實讓實驗課學(xué)習(xí)幫助學(xué)生深入系統(tǒng)地理解相關(guān)理論知識，打破不同課程、不同學(xué)科之間的知識壁壘，只有充分理解才能融會貫通地把不同課程學(xué)習(xí)的知識應(yīng)用到位。

（2）關(guān)聯(lián)先進(jìn)的科研儀器設(shè)備。高水平的實驗教學(xué)依賴于先進(jìn)的教學(xué)儀器設(shè)備，將先進(jìn)的科研設(shè)備應(yīng)用到實驗教學(xué)中，既有效地將科研資源轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，又提高了教學(xué)內(nèi)容的前沿性和時代性，讓實驗知識緊跟時代要求，使培養(yǎng)的人才能更好地適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展需求。在實驗課學(xué)習(xí)中通過接觸學(xué)科前沿的儀器設(shè)備，有助于挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛力，培養(yǎng)科研素養(yǎng)，形成高階的思維。

（3）關(guān)聯(lián)工程實例。在工科人才的培養(yǎng)中，將實驗與相關(guān)工程實例融合組織教學(xué)，不僅可以豐富教學(xué)內(nèi)容，還能帶動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生積極參與討論。對進(jìn)一步消化相關(guān)知識點，提高知識的綜合應(yīng)用能力都起到促進(jìn)作用。

3 教學(xué)改革實施

3.1 教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

（1）優(yōu)化課前預(yù)習(xí)資源。巖石力學(xué)實驗涉及到實驗原理、操作步驟、計算公式等基礎(chǔ)性知識的內(nèi)容，可以充分利用精選的網(wǎng)課資源，結(jié)合超星、智慧樹等學(xué)習(xí)平臺，將優(yōu)化的學(xué)習(xí)資源上傳平臺供學(xué)生課前預(yù)習(xí)學(xué)習(xí)。面對海量的網(wǎng)課資源，學(xué)生不可能把所有的資源都學(xué)習(xí)一遍，授課教師這時就需要花時間對網(wǎng)課資源進(jìn)行篩選，針對授課學(xué)生的特點，對篩選過的學(xué)習(xí)資源進(jìn)行簡化和凝練，提取重點內(nèi)容，以便學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率。在實驗課程預(yù)習(xí)資源優(yōu)化的過程中，可以通過附上儀器結(jié)構(gòu)示意圖、受力分析圖、應(yīng)力應(yīng)變曲線圖等來幫助學(xué)生理解抽象的實驗內(nèi)容，增強(qiáng)預(yù)習(xí)效果。

（2）深化理論知識。建立每一個巖石力學(xué)實驗相關(guān)聯(lián)的理論知識框架，例如在抗剪強(qiáng)度實驗的教學(xué)中，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容以室內(nèi)直接剪切儀操作為主，為了完善學(xué)生系統(tǒng)的知識框架，在優(yōu)化抗剪強(qiáng)度實驗預(yù)習(xí)資源時，加入抗剪強(qiáng)度的分類、抗剪強(qiáng)度的影響因素、剪應(yīng)力的分布情況，加強(qiáng)實驗內(nèi)容與關(guān)聯(lián)理論知識的結(jié)合，避免實驗學(xué)習(xí)與理論知識脫軌。同時還拓展加入抗剪強(qiáng)度室內(nèi)與現(xiàn)場的其他測定方法的介紹，讓學(xué)生拓寬了解不同條件下獲取抗剪強(qiáng)度的測試方法。

項目經(jīng)理部按照建設(shè)工程施工合同的要求，明確了項目三大控制和安全生產(chǎn)的目標(biāo)，明確驗收標(biāo)準(zhǔn)，施工組織設(shè)計，施工圖預(yù)算等工作。為便于具體的施工，開展資料收集工程具體特點和施工難點分析等工作，為開工申請的順利獲批做好一切準(zhǔn)備。

（3）延伸知識拓寬視野。在確保學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識的同時，對實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行高階性優(yōu)化，適當(dāng)加入實驗相關(guān)聯(lián)的延伸知識，以拓寬學(xué)生的視野，提高能力素養(yǎng)和高級思維。例如在單軸壓縮實驗的內(nèi)容優(yōu)化中，增加普通試驗機(jī)只能產(chǎn)生半程壓縮曲線以及剛度對壓力試驗機(jī)影響的內(nèi)容探討，強(qiáng)化了學(xué)生對單軸壓縮實驗的全面認(rèn)知和理解，突顯學(xué)習(xí)內(nèi)容的高階性。

3.2 關(guān)聯(lián)先進(jìn)科研設(shè)備

高校作為開展前沿科學(xué)研究的場所集聚了一批代表科技先進(jìn)水平的儀器設(shè)備，利用科研團(tuán)隊研發(fā)的實驗裝備包括便攜式多功能巖石壓縮實驗儀和便攜式點荷載儀，可以開展單軸抗壓強(qiáng)度實驗、三軸抗壓強(qiáng)度實驗、點荷載實驗的教學(xué)，讓學(xué)生更直觀地理解巖石力學(xué)的重要參數(shù)：單軸抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度（內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角）及點荷載強(qiáng)度。其輕便易攜式的特性讓實驗教學(xué)可以結(jié)合工程項目在野外現(xiàn)場開展。將科研自主研發(fā)成果應(yīng)用到教學(xué)中，進(jìn)行現(xiàn)場采樣、測試、無線采集和傳輸數(shù)據(jù)，為學(xué)生親臨現(xiàn)場的參與式學(xué)習(xí)提供可能，不僅讓學(xué)生掌握了先進(jìn)的測試技術(shù)方法，還了解到特定地質(zhì)條件下巖石的力學(xué)性質(zhì)。先進(jìn)的儀器設(shè)備為交叉融合學(xué)習(xí)提供了便利條件。

3.3 關(guān)聯(lián)工程實例

考慮巖石力學(xué)實驗課具有較強(qiáng)的實踐性和應(yīng)用性，結(jié)合實驗教學(xué)內(nèi)容，走出實驗室，走出校門選取校企合作生產(chǎn)單位已有的工程項目地作為開展實驗教學(xué)的場地，充分利用項目場地資源，將實驗課教學(xué)與工程實例有機(jī)地結(jié)合在一起。傳統(tǒng)的巖石力學(xué)實驗教學(xué)在室內(nèi)開展，實驗使用的試樣多為澆筑的標(biāo)準(zhǔn)巖樣，使學(xué)生對自然條件下形成的巖石缺乏客觀認(rèn)識，學(xué)習(xí)內(nèi)容與實際脫離，難以結(jié)合實際應(yīng)用進(jìn)行觸類旁通的關(guān)聯(lián)性學(xué)習(xí)。針對這一教學(xué)缺陷，利用科研團(tuán)隊研發(fā)的新一代便攜式實驗儀，開展野外現(xiàn)場實驗教學(xué)。關(guān)聯(lián)工程項目的現(xiàn)場實驗教學(xué)不僅實現(xiàn)了實驗課由室內(nèi)走向室外，還能將生產(chǎn)實踐與理論知識融合在一起，豐富學(xué)習(xí)內(nèi)容的同時也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，實現(xiàn)了產(chǎn)教融合，滿足應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求。

3.3.1 教學(xué)儀器設(shè)備

依托浙江省巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室平臺，由實驗中心巖石力學(xué)團(tuán)隊研發(fā)的便攜式多功能實驗儀具有便攜、智能、高效地獲取巖石力學(xué)參數(shù)的功能，方便在野外現(xiàn)場使用，可以密切結(jié)合工程現(xiàn)場組織教學(xué)。便攜式多功能實驗儀如圖2 所示。

圖2 便攜式多功能實驗儀

（1）便攜式多功能巖石壓縮實驗儀［見圖2（a）、（b）］。實驗儀可以對直徑2 ～3 cm、高度4 ～6 cm 的柱狀巖芯進(jìn)行單軸壓縮試驗和三軸抗壓強(qiáng)度測試。對實驗試件既能進(jìn)行軸向加壓，又能實現(xiàn)圍壓加壓。實驗樣品在實驗現(xiàn)場利用小型化取樣工具獲取，通過便攜式多功能巖石壓縮實驗儀進(jìn)行現(xiàn)場試驗，同時可以利用手機(jī)軟件進(jìn)行記錄分析巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角的參考值。

（2）液壓式點荷載儀［見圖2（c）］。主要由實驗主機(jī)和液壓泵兩部分組成，包括實驗主機(jī)底座，油缸，下壓頭，上壓頭，固定板，螺桿，上頂板，L型架，放置板組成。儀器采用上下梁、兩邊柱加載結(jié)構(gòu)與下部油壓千斤頂組合，并使用液壓泵提供動力。儀器可以對試塊施加70 kN的荷載力，適用于強(qiáng)度較大的巖石試件。

3.3.2 教學(xué)場地

現(xiàn)場實驗教學(xué)選取老鷹山石料礦山作為教學(xué)場地（見圖3），老鷹山礦區(qū)位于紹興市上虞區(qū)小越鎮(zhèn)東南方向，南側(cè)毗鄰上虞區(qū)驛亭鎮(zhèn)。由于礦區(qū)經(jīng)歷了多年的露天開采，巖質(zhì)邊坡大量裸露。受節(jié)理切割、長期風(fēng)化剝蝕影響，局部邊坡存在崩塌危巖體，該地區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，是非常適合開展巖石力學(xué)現(xiàn)場實驗教學(xué)的場地。老鷹山礦山邊坡現(xiàn)場距離學(xué)校36 km，交通便利，組織學(xué)生到現(xiàn)場實驗學(xué)習(xí)可以實現(xiàn)市內(nèi)當(dāng)天來回。

圖3 老鷹山礦山實驗教學(xué)場地

3.3.3 教學(xué)設(shè)計

巖石力學(xué)實驗課是為學(xué)習(xí)巖石力學(xué)理論課而開設(shè)，是邊坡工程野外地質(zhì)調(diào)查工作中的重要組成部分，巖石力學(xué)實驗在工程實踐中有著廣泛的應(yīng)用，對巖體的巖性、堅硬度、風(fēng)化度的描述都要依賴實驗測定的力學(xué)參數(shù)作為判定依據(jù)。為直觀地讓學(xué)生了解并學(xué)習(xí)巖石力學(xué)中單軸抗壓強(qiáng)度、巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角、點荷載強(qiáng)度這些力學(xué)參數(shù)是如何應(yīng)用在邊坡工程中，結(jié)合邊坡工程現(xiàn)場組織開展實驗教學(xué)。首先對礦區(qū)邊坡的情況做簡要的介紹，包括現(xiàn)場的地形地貌、地層巖性、工程地質(zhì)條件、地質(zhì)剖面揭露情況以及相應(yīng)結(jié)構(gòu)的分布情況，讓學(xué)生初步了解礦區(qū)邊坡在不同高度上的節(jié)理發(fā)育和風(fēng)化程度的差異。指出在工程項目中往往會應(yīng)用巖石力學(xué)實驗測定的巖石力學(xué)參數(shù)作為工程分析和設(shè)計的判定依據(jù)，繼而引入如何通過多功能巖石壓縮實驗儀和點荷載儀測定單軸抗壓強(qiáng)度、巖石的粘聚力和內(nèi)摩擦角、點荷載強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)，再結(jié)合現(xiàn)場利用地質(zhì)錘敲擊、小刀刻痕、表層顏色辨別來分析判斷巖石的堅硬度、風(fēng)化度，從而綜合判定邊坡巖體的力學(xué)特性。

3.3.4 教學(xué)效果

實驗教學(xué)與邊坡工程項目的關(guān)聯(lián)，使得實驗課學(xué)習(xí)與工程應(yīng)用建立了緊密的聯(lián)系，通過現(xiàn)場實踐的應(yīng)用學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)會將實驗技術(shù)應(yīng)用到工程實例中，真正踐行了理論聯(lián)系實際，達(dá)到了學(xué)以致用的學(xué)習(xí)目標(biāo)。在現(xiàn)場教學(xué)的過程中，學(xué)生通過自己現(xiàn)場采集的巖樣進(jìn)行實驗并獲取實驗數(shù)據(jù)，對結(jié)果的差異性展開討論學(xué)習(xí)，例如在礦區(qū)采集的外觀看似相同的巖樣，但測定的數(shù)據(jù)值卻差異較大，在教師的啟發(fā)引導(dǎo)下，通過仔細(xì)觀察實驗壓裂后的巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對比發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在天然裂隙［見圖4（a）］或礦物成分填充的巖樣［見圖4（b）］的強(qiáng)度會低于內(nèi)部沒有裂隙或礦物填充的巖樣。學(xué)生在現(xiàn)場實驗操作學(xué)習(xí)的過程中表現(xiàn)出濃厚的學(xué)習(xí)興趣，積極參與現(xiàn)場討論，掌握測定巖石力學(xué)參數(shù)方法的同時，也進(jìn)一步理解巖石的力學(xué)特性與邊坡現(xiàn)場工程地質(zhì)條件的聯(lián)系。教學(xué)內(nèi)容更貼近實際，深度得到了延伸，體現(xiàn)了實用性和前沿性。在教學(xué)形式上突破以往局限在室內(nèi)實驗機(jī)上的教學(xué)，實現(xiàn)了在野外現(xiàn)場結(jié)合工程實例的教學(xué)創(chuàng)新。

圖4 教學(xué)現(xiàn)場采集的天然凝灰?guī)r巖樣

4 課程思政

（1）實驗教學(xué)改革使用到的儀器設(shè)備是經(jīng)過科研團(tuán)隊多次更新?lián)Q代研發(fā)出的便攜式多功能實驗儀，只有客觀認(rèn)識到現(xiàn)有實驗儀器設(shè)備的不足，才能對其進(jìn)行改進(jìn)和二次開發(fā)，研發(fā)出功能齊全、應(yīng)用性能更廣的科研設(shè)備。這說明否定是事物發(fā)展的環(huán)節(jié)，只有經(jīng)過否定，舊事物才能向新事物轉(zhuǎn)變。

（2）儀器研發(fā)設(shè)備是團(tuán)隊力量支持和時間打磨的成果，需要集眾人之力，在付出大量的時間和精力后才能錘煉出一款優(yōu)秀的產(chǎn)品。

（3）學(xué)習(xí)的過程就像巖石風(fēng)化的過程一樣，是時間積累形成的結(jié)果，學(xué)習(xí)是知識日積月累的一個過程，只有腳踏實地做好專業(yè)知識的積累，才能為將來參與科研或從事生產(chǎn)工作提供扎實可靠的專業(yè)基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

巖石力學(xué)實驗課除了掌握基礎(chǔ)的巖石力學(xué)測試技術(shù)與方法，還要學(xué)會運用實驗方法解決實際工程問題。在開展現(xiàn)場實驗教學(xué)的過程中，注重將實驗內(nèi)容與相關(guān)理論知識點建立緊密的聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)實驗的過程中對知識進(jìn)行關(guān)聯(lián)整合，建立系統(tǒng)的知識體系；將前沿的科研設(shè)備與實驗教學(xué)相關(guān)聯(lián)，有效地將科研資源轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源；把相關(guān)聯(lián)的工程案例引入實驗教學(xué)中，理論聯(lián)系實際，既豐富了課程內(nèi)容，也加強(qiáng)了課程學(xué)習(xí)深度，知識傳授與能力培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到學(xué)以致用的終極目標(biāo)。

關(guān)聯(lián)性教學(xué)的實施在前期需要教師付出大量的時間精力做準(zhǔn)備，包括教學(xué)資源優(yōu)化、工程案例選擇與匹配、場地選取以及關(guān)聯(lián)教學(xué)內(nèi)容的整合，對現(xiàn)場教學(xué)的組織需要做好科學(xué)合理的安排。關(guān)聯(lián)性教學(xué)的開展是巖石力學(xué)實驗教學(xué)改革具有創(chuàng)新性的一次探索，在保持實驗教學(xué)的基礎(chǔ)性、科學(xué)性、先進(jìn)性的前提下，引導(dǎo)學(xué)生在現(xiàn)場積極地探索和發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的研究能力和實際應(yīng)用能力，為未來的實驗教學(xué)改革提供了新思路、新方向。