吳 姜

巖石力學(xué)實驗教學(xué)改革探討

吳 姜

隨著國家教育改革的不斷推進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的全面發(fā)展能力已成為教育的根本目標(biāo)。我院注重實驗教學(xué)，提高學(xué)生的動手能力。通過推進(jìn)彈性學(xué)習(xí)制度，搭建新的實驗室教學(xué)體系，將實驗項目進(jìn)行優(yōu)化組合，減少驗證性實驗，注重實驗的綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性和整體性。在完成基本實驗的基礎(chǔ)上，鼓勵、支持學(xué)生在課余時間參加創(chuàng)新性的實驗和SRT等科研活動，為學(xué)生個性化發(fā)展創(chuàng)造條件，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了很好的教學(xué)效果。

巖石力學(xué)；實驗教學(xué)；彈性學(xué)習(xí)制度

實驗教學(xué)是工程科學(xué)最基本的教學(xué)手段之一，在教學(xué)中起著至關(guān)重要的作用。我院結(jié)合自身的特點，通過不斷的教學(xué)探索，在巖石力學(xué)實驗教學(xué)模式上做出了一定的改革。我院早在1990年就實行了獨立設(shè)課，但由于傳統(tǒng)的教學(xué)模式和授課內(nèi)容存在諸多弊端以及實驗條件的局限，巖石力學(xué)的實驗教學(xué)仍需要不斷改進(jìn)。筆者根據(jù)多年教學(xué)經(jīng)驗，分析了目前高校巖石力學(xué)課程教學(xué)中存在的問題，對教學(xué)改革取得的成果進(jìn)行總結(jié)。

一、巖石力學(xué)實驗課程的特點

巖石力學(xué)的研究對象是各類巖體，主要采用力學(xué)原理和方法研究巖石或巖體在外力作用下的變形與破壞規(guī)律，是解決所有巖石工程技術(shù)問題的理論基礎(chǔ)。巖石力學(xué)實驗課程包括：巖石力學(xué)、土力學(xué)、礦山壓力及控制、井巷工程、礦山測試技術(shù)、相似模擬等課程，是一門力學(xué)和地學(xué)結(jié)合的應(yīng)用性基礎(chǔ)學(xué)科，理論性和實踐性相結(jié)合的工程學(xué)科，與國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)、資源開發(fā)等密切相關(guān)，具有重要的實用價值。巖體是漫長的地殼運動和地層演化過程形成的地質(zhì)體，對它的物理力學(xué)性質(zhì)的了解相當(dāng)困難。所研究的問題大多是多尺度、不確定的，研究對象也不停變化，難以找到精確的求解算法。作為工程性質(zhì)較強的專業(yè)基礎(chǔ)課程，巖石力學(xué)實驗這門課程讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的同時用于實踐，同時也讓學(xué)生在實驗中注重綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性和整體性，使學(xué)生有更多的動腦、動手機會，養(yǎng)成學(xué)生勤于思考、勤于動手的習(xí)慣，綜合所學(xué)，達(dá)到提高學(xué)生綜合分析問題的能力和推陳出新的能力的教學(xué)目的。

二、巖石力學(xué)實驗教學(xué)中存在的問題

1.教學(xué)內(nèi)容狹窄、觀念落后。由于高等學(xué)校專業(yè)劃分過于細(xì)致，許多課程的教學(xué)內(nèi)容精細(xì)，課程服務(wù)對象相對狹窄，與相關(guān)學(xué)科的結(jié)合不多。造成學(xué)生的知識面狹窄，解決實際問題的能力不夠。根據(jù)目前社會對復(fù)合型人才的大量需求，教師在教學(xué)中不能太拘泥于專業(yè)限制，否則會導(dǎo)致學(xué)生因為知識面狹窄而視野不開闊，甚至出現(xiàn)在解決實際工程問題時因知識不足而束手無策的現(xiàn)象。

2.過分注重理論，忽略實驗教學(xué)。目前，很多高校依然強調(diào)學(xué)生的理論知識學(xué)習(xí)而忽略學(xué)生的動手能力培養(yǎng)。同時，國內(nèi)高校普遍存在著實驗經(jīng)費缺乏、試驗場地和實驗設(shè)備不足的現(xiàn)象。如，電液伺服巖石三軸試驗機，國產(chǎn)的試驗機在國內(nèi)高校中數(shù)量就極其有限，更不用提高精度、功能齊全的進(jìn)口試驗機，因此，學(xué)生對實驗的認(rèn)識大多僅停留在背書階段。與此同時，一些高投資、大尺寸的實驗設(shè)備，需占用大面積的試驗場地，許多高校對此投資不夠。另外，許多高校沒有專職實驗員和實驗管理人員，設(shè)備的維護(hù)和儀器檢修都存在很多隱患。

3.實驗教學(xué)方法、教學(xué)手段單一。實驗是自然科學(xué)最基本的研究手段，在巖石力學(xué)教學(xué)與研究中起著至關(guān)重要的作用。但是，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)單調(diào)乏味，不能引起學(xué)生的興趣和開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。實驗教學(xué)課時少任務(wù)重、經(jīng)費匱乏，仍然采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，依附于理論教學(xué)、傳統(tǒng)的以教師為中心、傳授知識為主的教學(xué)模式，導(dǎo)致學(xué)生動手能力差。同時，因為受各種條件影響，許多專業(yè)教師對現(xiàn)場調(diào)查的深入研究不足，對新工藝、新設(shè)備和新技術(shù)了解太少，都在某種程度上影響了教學(xué)的效果。

三、巖石力學(xué)實驗教學(xué)建議

1.制定彈性學(xué)習(xí)制度。開放實驗室，實行彈性學(xué)習(xí)制度。實驗室的開放包括實驗室時間的開放、空間的開放和實驗儀器設(shè)備、實驗項目的開放，甚至對實驗內(nèi)容和形式也實行開放，這樣可以讓學(xué)生自主安排時間進(jìn)行實驗學(xué)習(xí)。在實驗室開放的同時，為適應(yīng)實驗的綜合性和設(shè)計性，我院還將分散的實驗室進(jìn)行整合，探索綜合實驗教學(xué)環(huán)境。良好的開放式實驗環(huán)境和彈性的學(xué)習(xí)制度，有利于發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和潛能，幫助學(xué)生對所學(xué)知識進(jìn)行融會貫通，提高了學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力。

2.整合優(yōu)化課程內(nèi)容，增設(shè)綜合性、設(shè)計性實驗。根據(jù)課程要求和教學(xué)目標(biāo)，對實驗項目進(jìn)行重新整合，將幾個單一的實驗項目整合為一個大的綜合性的實驗項目，如，將巖石視密度測試實驗、巖石真密度測試實驗、巖石孔隙率測試實驗整合為巖石的物理性實驗；將巖石吸水性測試實驗、巖石含水率測試實驗、巖石軟化系數(shù)測試等整合為巖石的水理性實驗；將巖石單向抗壓強度、巖石單向抗拉強度、巖石單向抗剪試驗整合為巖石的力學(xué)性實驗等。這樣既節(jié)約了時間，又通過對實驗項目的整合使學(xué)生對巖石性質(zhì)有全面的了解和評價。

3.改善實驗條件，改進(jìn)教學(xué)方法。由于室內(nèi)實驗條件的不足和有限，以及巖石的非均勻性、非線性以及破壞行為、地壓、失穩(wěn)、巖爆等，對于這些概念涉及的尺度較大的巖體在普通實驗室通過對小型試樣的實驗往往很難完成。野外和現(xiàn)場實例能很好的彌補這一缺陷，但由于實驗費用過高、耗時過長的原因，在教學(xué)中不宜采用。同時，對于這方面教學(xué)有幫助的資料檔案如照片、掛圖、錄像等也很稀缺。這種情況下，通過數(shù)值計算方法進(jìn)行巖石力學(xué)數(shù)值實驗?zāi)芎芎玫亟鉀Q這一問題。例如，利用巖石破裂過程分析RFPA系統(tǒng)的研究能有效地解決巖石在載荷作用下的變形與破裂全過程的數(shù)值計算問題；用Flash建立巖石力學(xué)的虛擬實驗系統(tǒng)。這樣使學(xué)生可以隨時將網(wǎng)絡(luò)上虛擬的巖石力學(xué)實驗需要的各種儀器設(shè)備按每個實驗要求、過程組裝成一個完整的實驗系統(tǒng)。在虛擬實驗系統(tǒng)上完成整個實驗，包括巖石試件的添加、實驗條件的改變、數(shù)據(jù)采集以及實驗結(jié)果的模擬、分析等。

在沒有電液伺服三軸試驗機的情況下，教師可以充分利用ANsYs有限元軟件或FLAC有限差分軟件，在計算機上給學(xué)生演示標(biāo)準(zhǔn)巖樣在單軸受壓和三軸受壓狀態(tài)下巖石破壞的全應(yīng)力一應(yīng)變曲線。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，借助現(xiàn)代數(shù)值模擬技術(shù)，通過計算機終端虛擬模擬礦山壓力與巖層控制實驗，并依靠數(shù)值模擬軟件的強大的后處理功能，將虛擬模擬的實驗結(jié)果直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前。這對于解決目前只能做教學(xué)大綱規(guī)定的基本實驗，而礦山壓力與巖層控制實驗室的設(shè)備短缺問題進(jìn)行了彌補。

4.以科研項目引導(dǎo)、帶動實驗教學(xué)。鼓勵學(xué)生以小組的方式申請學(xué)校提供的基金資助項目，參與以老師名義立項的有巖石課程背景的SRII，以及由學(xué)生自己設(shè)計的巖石力學(xué)科研工程項目。學(xué)生研究過程中將巖石力學(xué)課程中的知識點融入到項目，以項目為主線貫穿始終。教師以設(shè)計選擇與工程實踐有聯(lián)系的實驗項目，并以工程任務(wù)數(shù)的形式傳達(dá)給學(xué)生。學(xué)生通過自己預(yù)習(xí)、查閱資料，明確實驗原理、方法和實驗步驟等，并通過小組討論確定實施方案，最后親自動手操作完成。教師以學(xué)生完成項目的質(zhì)量評定學(xué)生的設(shè)計效果，這樣的過程有效地鍛煉了學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，取得了很好的效果。

四、小結(jié)

通過學(xué)校教學(xué)改革項目“改革教學(xué)方法和手段，積極推進(jìn)彈性學(xué)習(xí)制度、為學(xué)生個性化發(fā)展創(chuàng)造條件的研究”，將開放的彈性制的學(xué)習(xí)方法引入到巖石力學(xué)實驗教學(xué)的改革，搭建出了實驗室新的教學(xué)體系；將實驗項目進(jìn)行優(yōu)化組合，減少驗證性實驗，注重實驗的綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性和整體性；在完成基本實驗的基礎(chǔ)上，鼓勵、支持學(xué)生在課余時間參加創(chuàng)新性的實驗和SRT等科研活動，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生有了更多的動腦、動手機會，提高了學(xué)生綜合分析問題的能力和創(chuàng)新的能力，取得了很好的教學(xué)效果。

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責(zé)任編輯：姚 旺

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1671-6531（2012）08-0102-02

吳姜/貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院（蔡家關(guān)校區(qū)）高級實驗師（貴州貴陽550003）。