新工科課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

關(guān)凱 朱萬成 劉洪磊 侯晨 張鵬海

摘? 要：新工科教育注重培養(yǎng)具有較強(qiáng)實(shí)踐能力和國際競(jìng)爭(zhēng)力的未來復(fù)合型人才。巖石力學(xué)作為采礦工程等工科相關(guān)學(xué)科的重要專業(yè)課程，對(duì)學(xué)生科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和工程分析能力培養(yǎng)具有重要作用。針對(duì)目前課程教學(xué)中巖石力學(xué)理論與礦山工程應(yīng)用結(jié)合不夠緊密等難題，文章以應(yīng)用巖石力學(xué)課程教學(xué)為例，結(jié)合多手段教學(xué)方法提出課程教學(xué)思路，即以服務(wù)于礦山安全高效開采為核心目標(biāo)，以巖石和巖體為重要支撐，以巖石力學(xué)分析和監(jiān)測(cè)方法為骨干內(nèi)容，建立起巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論與采礦工程實(shí)際應(yīng)用之間的聯(lián)系。

關(guān)鍵詞：巖石力學(xué);教學(xué)設(shè)計(jì);理論聯(lián)系實(shí)際;工程思維

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2022）06-0071-05

Abstract： The new engineering education focuses on the cultivation of future compound talents with strong practical ability and international competitiveness. As an important professional course of mining engineering and other engineering related disciplines， Rock Mechanics plays an important role in cultivating students' basic scientific knowledge and engineering analysis ability. In view of the problem that the theory of Rock Mechanics is not closely combined with the application of mine engineering in the current course teaching， taking the teaching of Applied Rock Mechanics as an example， combined with the multi-means teaching method， the course teaching idea is put forward， that is， taking rock and rock mass being the important support， and the rock mechanics analysis and monitoring method being the backbone content， the relationship between the basic theory of rock mechanics and the practical application of mining engineering is established， which aims at serving the safe and efficient mining of mines.

Keywords： Rock Mechanics; teaching design; integrating theory with practice; engineering thinking

礦產(chǎn)資源是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)、保障國家安全的物質(zhì)基礎(chǔ)，而巖石力學(xué)是支撐地下及露天礦山工程行穩(wěn)致遠(yuǎn)必不可少的基礎(chǔ)學(xué)科。東北大學(xué)應(yīng)用巖石力學(xué)著眼于將巖石力學(xué)應(yīng)用解決采礦工程問題，通過介紹巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試、巖體質(zhì)量分級(jí)、地應(yīng)力、圍巖狀態(tài)及其檢測(cè)等內(nèi)容，將巖石力學(xué)用于指導(dǎo)采礦設(shè)計(jì)，該指導(dǎo)作用貫穿于礦山開拓、采準(zhǔn)、切割、回采及復(fù)墾等工程的全生命周期，并對(duì)礦山動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)、預(yù)警和防控提供重要的理論與技術(shù)指導(dǎo)。

在新工科教育背景下，培養(yǎng)具有實(shí)踐能力強(qiáng)、具備國際競(jìng)爭(zhēng)力的面向未來復(fù)合型人才是其中的重要理念，需要在專業(yè)布局優(yōu)化、學(xué)科交叉融合及工程教育“新體系”建設(shè)等方面推進(jìn)多樣化和個(gè)性化人才培養(yǎng)體系的搭建[1]。在新經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，從未來的資源開發(fā)角度來看，礦山工程將面向深部開采、智能采礦和綠色開發(fā)方向發(fā)展[2]，以現(xiàn)代采礦工程人才需求為導(dǎo)向，探索提升傳統(tǒng)巖石力學(xué)課程的教學(xué)體系，運(yùn)用與前沿理論和技術(shù)相融合的教學(xué)設(shè)計(jì)思路和方法，致力于培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的巖石力學(xué)基礎(chǔ)和應(yīng)用巖石力學(xué)知識(shí)體系解決礦山工程實(shí)際問題的創(chuàng)新能力，是巖石力學(xué)教學(xué)中實(shí)踐新工科教育理念的一個(gè)較好嘗試。

考慮到巖石力學(xué)在采礦工程實(shí)踐中的突出作用，當(dāng)前地礦類高校均將其作為采礦工程等相關(guān)專業(yè)本科教學(xué)的主干課程，并在教學(xué)改革及人才培養(yǎng)中進(jìn)行了諸多嘗試，取得了豐富的進(jìn)展。李擎等[3]從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)手段和改善考查方式等方面進(jìn)行了巖石力學(xué)教學(xué)改革，以克服學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的教學(xué)現(xiàn)狀。包春燕等[4]和劉溪鴿等[5]提出利用現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)新理論、新方法對(duì)巖石的損傷失穩(wěn)破裂過程進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，突破傳統(tǒng)巖石力學(xué)物理實(shí)驗(yàn)觀測(cè)難、重復(fù)難等諸多難題，探索了一條巖石力學(xué)課程教學(xué)改革的新路。年廷凱等[6]通過改進(jìn)多媒體課件、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬環(huán)節(jié)等手段來豐富巖石力學(xué)教學(xué)內(nèi)容，使其更加充分兼顧理論教學(xué)、物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真三個(gè)方面。劉宗輝等[7]為了激發(fā)學(xué)生對(duì)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣和熱情，提出了“基本-綜合設(shè)計(jì)性-個(gè)性培養(yǎng)”三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路，并對(duì)不同層次的具體實(shí)施措施進(jìn)行了細(xì)致闡述。

隨著我國科技的發(fā)展，信息技術(shù)和現(xiàn)代教育手段也逐漸應(yīng)用于課程教學(xué)中，不斷創(chuàng)新教學(xué)手段，有利于實(shí)現(xiàn)學(xué)生互動(dòng)式學(xué)習(xí)和教研相長。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）能夠?qū)?shí)際工程素材融合于計(jì)算機(jī)建模中，具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)感官效果且成本較低的優(yōu)點(diǎn)，因此在教學(xué)應(yīng)用中愈加受到高校的歡迎。楊天鴻等[8-10]全面介紹了東北大學(xué)金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采國家級(jí)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并將其應(yīng)用于巖石力學(xué)參數(shù)估算、巖體質(zhì)量分級(jí)以及巖石破裂過程三維可視化教學(xué)中，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深學(xué)生對(duì)巖石力學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)的理解，提高了學(xué)習(xí)效果。王培濤等[11]探索協(xié)同虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和3D打印技術(shù)的“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)模式，并基于巖土工程實(shí)例進(jìn)行了較好的實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用。左偉芹等[12]提出需將翻轉(zhuǎn)課堂的教育模式運(yùn)用于巖石力學(xué)的課堂教學(xué)中，借助于微課程、MOOCs平臺(tái)等多元化教學(xué)方式，將傳統(tǒng)的被動(dòng)式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，充分體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性和參與度。

巖石力學(xué)的服務(wù)對(duì)象為礦山工程，這就決定了巖石力學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)要以工程應(yīng)用為背景，需要在巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論和礦山工程實(shí)踐應(yīng)用之間建立緊密聯(lián)系，推進(jìn)和加強(qiáng)巖石力學(xué)在采礦工程中的應(yīng)用，在培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)理論素養(yǎng)的同時(shí)，提升學(xué)生的工程哲學(xué)思維。本文結(jié)合東北大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究所開設(shè)的應(yīng)用巖石力學(xué)本科生課程，探索建立教學(xué)設(shè)計(jì)思路和實(shí)踐手段，旨在有效銜接起巖石、巖體基礎(chǔ)理論與采礦工程應(yīng)用之間的聯(lián)系，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于巖石力學(xué)在礦山工程應(yīng)用的理解，以期提高應(yīng)用巖石力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)，為將來學(xué)生運(yùn)用巖石力學(xué)知識(shí)體系更好地服務(wù)于礦山工程奠定基礎(chǔ)。

一、存在問題及教學(xué)設(shè)計(jì)思路

（一）巖石力學(xué)教學(xué)中的不足

在新經(jīng)濟(jì)形式下，特別是在礦山工程向地球深部進(jìn)軍的發(fā)展新格局下[13]，礦山科研及技術(shù)人員面臨的災(zāi)害處置及技術(shù)革新等難題愈加復(fù)雜，對(duì)于巖石力學(xué)人才的培養(yǎng)，更要客觀思考目前巖石力學(xué)人才教育存在的問題，即礦山工程專業(yè)學(xué)生缺乏實(shí)踐性以及利用專業(yè)科學(xué)素養(yǎng)解決工程實(shí)際問題的能力。造成上述問題的主要原因可以歸納為以下幾方面：

（1）課程內(nèi)容需更新，教學(xué)方法需創(chuàng)新。在傳統(tǒng)的巖石力學(xué)課程教學(xué)中，側(cè)重于介紹巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論和計(jì)算方法，巖石力學(xué)理論與礦山工程應(yīng)用結(jié)合不夠緊密;同時(shí)，由于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)及國防建設(shè)的需求，巖石力學(xué)研究有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容嚴(yán)重滯后于目前巖石力學(xué)與工程的高速發(fā)展。傳統(tǒng)線下教學(xué)模式比較單一，迫切需要采用現(xiàn)代信息技術(shù)和教育手段提升課程的教學(xué)效果。

（2）實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)難以大量有效開展。巖石力學(xué)的很多實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)錢，難以在實(shí)驗(yàn)室完成。例如，采礦工程中遇到巷道的冒頂、塌方、突水、巖爆以及邊坡失穩(wěn)滑移等礦山動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象，也難以采用物理相似試驗(yàn)進(jìn)行有效開展、并向?qū)W生進(jìn)行直觀演示。

（3）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以觀察、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)難以解析。巖石中應(yīng)力狀態(tài)及能量釋放、轉(zhuǎn)移和集聚過程比較抽象，難以通過肉眼直觀看到;此外，礦山巖體工程分析和監(jiān)測(cè)產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，學(xué)生短時(shí)間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整理、挖掘、分析和理解。

（二）應(yīng)用巖石力學(xué)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)思路及其實(shí)踐

礦山工程的穩(wěn)定性與巖體性質(zhì)和周圍的賦存環(huán)境狀態(tài)密切相關(guān)，巖體由巖塊和結(jié)構(gòu)面構(gòu)成，而巖體賦存環(huán)境可通過巖石力學(xué)分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)（檢）測(cè)手段進(jìn)行表征。因此，要實(shí)現(xiàn)巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論與礦山工程的緊密聯(lián)系，巖石力學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)思路應(yīng)著眼于巖石、巖體、賦存環(huán)境以及巖石力學(xué)分析和監(jiān)測(cè)方法這四方面。

應(yīng)用巖石力學(xué)的總體教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖1所示。該課程以服務(wù)于礦山安全高效開采為核心目標(biāo)，以構(gòu)成采礦工程基本單元的巖石和巖體為兩個(gè)重要基礎(chǔ)支撐，以巖石力學(xué)分析和監(jiān)測(cè)方法為重要紐帶和服務(wù)軀干，有效建立起巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論與采礦工程實(shí)踐應(yīng)用之間的緊密聯(lián)系。為夯實(shí)基礎(chǔ)、行穩(wěn)致遠(yuǎn)，巖石的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)包括巖石的離散性、物理力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，巖體的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)包括巖體結(jié)構(gòu)特征、地應(yīng)力及賦存環(huán)境和巖體質(zhì)量分級(jí);然后以巖石力學(xué)分析和監(jiān)測(cè)方法為重要紐帶和橋梁，有效銜接起巖石、巖體基礎(chǔ)理論知識(shí)與采礦工程應(yīng)用之間的穩(wěn)固三角關(guān)系，采礦工程為巖石和巖體提供取樣環(huán)境和地質(zhì)條件，巖石和巖體為采礦工程提供力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特征，借以巖石力學(xué)多手段的分析和監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論在采礦工程中的實(shí)踐應(yīng)用，最終為礦山動(dòng)力災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理與災(zāi)害分析、災(zāi)害防控與采礦設(shè)計(jì)以及災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)的搭建提供重要指導(dǎo)。

（1）巖石

巖石是地殼表層巖石圈的主體，也是構(gòu)成礦山開采環(huán)境的基本單元，因此在應(yīng)用巖石力學(xué)教學(xué)中首先需要學(xué)生了解巖石離散性及其物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。在教學(xué)過程中，通過結(jié)合室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)、上機(jī)數(shù)值試驗(yàn)以及課堂講解等多手段讓學(xué)生掌握巖石強(qiáng)度和變形的測(cè)試方法。

例如，巖石的力學(xué)性質(zhì)具有離散性，一方面與巖石本身的非均勻性有關(guān)，另一方面也與人為因素（試樣的加工及測(cè)試條件）有關(guān)。如果通過開展室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)來讓學(xué)生認(rèn)識(shí)測(cè)試參數(shù)的離散性，在教學(xué)時(shí)間上不允許;如果只是片面地講解，則顯得比較抽象和空洞。然而，開展數(shù)值模擬則有利于認(rèn)識(shí)這種離散性，并為消除離散性提供理論依據(jù)。如圖2所示，為了反應(yīng)巖石本身的非均勻性，采用RFPA數(shù)值試驗(yàn)方法來開展巖石破裂過程的數(shù)值試驗(yàn)[14]，通過揭示巖石的破裂機(jī)理，加深學(xué)生對(duì)于這種離散性的認(rèn)識(shí)。對(duì)于外部因素（試樣形狀、測(cè)試條件等）的影響，通過開展不同工況的數(shù)值試驗(yàn)，解析測(cè)試結(jié)果具有離散性的原因。這一方面彌補(bǔ)了不能開展大量物理實(shí)驗(yàn)所帶來的巖石基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)不足的弊端，更重要的是通過數(shù)值試驗(yàn)加深了學(xué)生對(duì)于巖石破裂機(jī)制的認(rèn)識(shí)，這對(duì)于將巖石力學(xué)應(yīng)用于解決礦山工程實(shí)際問題是非常有益的。

（2）巖體

對(duì)于巖體結(jié)構(gòu)面性質(zhì)，在教學(xué)中結(jié)合實(shí)際工程案例和最新的結(jié)構(gòu)面攝影測(cè)量技術(shù)，提升學(xué)生對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型及分布特征的直觀認(rèn)知。圖3所示為運(yùn)用ShapeMetriX 3D三維不接觸測(cè)量系統(tǒng)對(duì)某礦山進(jìn)行的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息采集和分析，通過對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行清晰攝影、展示和產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)，幫助學(xué)生直觀形象地認(rèn)識(shí)巖體結(jié)構(gòu)類型以及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息的采集分析方法，提高學(xué)生對(duì)于結(jié)構(gòu)面性質(zhì)的理解程度。

由于工程巖體尺度較大且礦山現(xiàn)場(chǎng)存在一定安全隱患，所以無法讓每一位學(xué)生到實(shí)際工程巖體旁進(jìn)行每一個(gè)結(jié)構(gòu)面的識(shí)別統(tǒng)計(jì)和巖體強(qiáng)度估算，本課程基于Unity3D引擎開發(fā)了“巖石及巖體力學(xué)參數(shù)估算虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”平臺(tái)，可以讓學(xué)生在線進(jìn)行從目標(biāo)區(qū)域選取、巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試、結(jié)構(gòu)面虛擬仿真識(shí)別、賦存環(huán)境表征、巖體強(qiáng)度估算到巖體質(zhì)量分級(jí)的整個(gè)操作流程，如圖4所示。由于學(xué)生對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)這種新技術(shù)十分感興趣，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于巖石力學(xué)課程教學(xué)中，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)習(xí)效果。此外，通過該虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行礦山三維漫游，學(xué)生能夠根據(jù)巖體質(zhì)量等級(jí)劃分結(jié)果對(duì)礦山不同區(qū)域進(jìn)行工程災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，進(jìn)而提出針對(duì)性的災(zāi)害防控建議，有利于實(shí)現(xiàn)“教與學(xué)互動(dòng)、理論與實(shí)踐結(jié)合、能力與興趣共增”的教學(xué)目標(biāo)[8，15]。

（3）礦山巖體工程

為了搭建巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論和礦山巖體工程應(yīng)用之間的聯(lián)系，需要向?qū)W生介紹巖石力學(xué)分析及監(jiān)測(cè)礦山巖體工程穩(wěn)定性的基本方法和手段，并在傳統(tǒng)分析方法的基礎(chǔ)上，更新講解最新的工程巖體數(shù)值試驗(yàn)方法和工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。通過國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合數(shù)值試驗(yàn)方法，讓學(xué)生身臨其境體驗(yàn)礦山災(zāi)害發(fā)生的時(shí)空演化過程（圖5），指導(dǎo)學(xué)生針對(duì)性地進(jìn)行災(zāi)害防治及采礦方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓抽象的礦山巖石力學(xué)問題具體化和形象化;學(xué)生根據(jù)虛擬礦山遇到的巖石力學(xué)問題，可以采用數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)行機(jī)理探索，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)式學(xué)習(xí)。同時(shí)，通過參觀校內(nèi)搭建的深部模擬巷道和本科生巷道實(shí)訓(xùn)基地，讓學(xué)生進(jìn)行更真實(shí)的實(shí)踐和了解現(xiàn)場(chǎng)工程不同的監(jiān)測(cè)手段。

此外，課程還充分利用東北大學(xué)巖石破裂失穩(wěn)研究所搭建的礦山災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)，結(jié)合工程案例，向?qū)W生展示大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)等前沿信息技術(shù)在礦業(yè)工程中的應(yīng)用情況，可視化礦山生產(chǎn)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、挖掘、巖石力學(xué)計(jì)算分析、災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警及警情發(fā)布的整個(gè)流程，極大地拓寬傳統(tǒng)巖石力學(xué)分析方法的功能，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新動(dòng)力，提高學(xué)習(xí)興趣。

二、結(jié)束語

新工科背景下增強(qiáng)學(xué)生解決專業(yè)科學(xué)問題的能力以及解決工程實(shí)際問題的能力符合礦業(yè)工程學(xué)科及社會(huì)需求的發(fā)展趨勢(shì)。本文探索了應(yīng)用巖石力學(xué)的課程設(shè)計(jì)思路，從巖石、巖體、巖石力學(xué)分析和監(jiān)測(cè)方法以及礦山巖體工程等教學(xué)內(nèi)容為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合工程案例、物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)訓(xùn)基地以及前沿信息技術(shù)等多手段教學(xué)方式，有效建立起了巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論與采礦工程實(shí)踐應(yīng)用之間的緊密聯(lián)系，強(qiáng)化了學(xué)生的理論科學(xué)素養(yǎng)和工程哲學(xué)思維，同時(shí)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，有利于學(xué)生專業(yè)綜合素質(zhì)的提升。

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