劉宗輝,周 東,胡 旭,蘇國韶,梁少平

(廣西大學 a.土木建筑工程學院;b.土木建筑工程國家級實驗教學示范中心,南寧 530004)

0 引 言

當代土木建筑業(yè)的發(fā)展和科技進步，提高了土建類從業(yè)人員的職業(yè)標準，也對高校的專業(yè)人才培養(yǎng)提出了新的要求[1-3]。巖石力學作為土建類本科專業(yè)的重要基礎課程，不僅具有理論性強、涉及本概念多的特點，同時工程實踐性也十分鮮明，很多理論、經驗等都來源于工程實踐。實驗教學作為專業(yè)課程學習中理論與實踐相結合的一個重要實踐性教學環(huán)節(jié)，有利于培養(yǎng)學生的工程意識和綜合素質[4-5]。因此，巖石力學課程教學過程中應使實驗教學成為學生綜合應用與研究能力培養(yǎng)的重要切入點。

巖土與地下工程是我校土木工程“世界一流建設學科”的本科專業(yè)方向，相比該方向其他必修專業(yè)課，巖石力學實驗室建設起步較晚，現(xiàn)有實驗教學內容簡單、模式單一，未針對專業(yè)特點形成系統(tǒng)、科學的專業(yè)實驗教學體系，難以滿足“雙一流”建設創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求[6-7]。因此，研究建立系統(tǒng)、科學的巖石力學實驗教學體系，對落實巖土與地下工程專業(yè)方向“雙一流”培養(yǎng)目標具有重要意義。

1 巖石力學實驗教學現(xiàn)狀分析

1.1 教學內容與方式

在教學內容上，目前巖土與地下工程專業(yè)傳統(tǒng)巖石力學實驗教學環(huán)節(jié)包括巖石塊體密度、巖石單軸抗壓強度、巖石抗拉強度(巴西法)、巖石三軸剪切強度4個試驗。學生通過這4個試驗可以增強理解巖石的強度特性、破壞方式等重要的知識點。其中塊體密度試驗是巖石物理性質試驗，后3個試驗是巖石的力學經典試驗，旨在獲得巖石的抗壓、抗拉、抗剪強度。但目前實驗教學內容均屬于驗證性為主，實驗內容單一，大多只是對前人知識的驗證、重復和再現(xiàn)，綜合性、設計性、創(chuàng)新性巖石力學實驗項目涉及很少。

目前實驗課為6學時，為完成教學任務，實驗教師往往先集中講授試驗程序、數據處理等方法，然后演示試驗操作過程，再讓學生分小組進行試驗操作，完成實驗教師規(guī)定的實驗內容。整個實驗過程中，學生處于被動狀態(tài)、無需自己做太多分析思考，也就難以直觀地理解巖石和巖體力學特性的復雜性，更難以與工程實際相結合。這樣導致學生參與意識差，依賴性強，未充分發(fā)揮學生自身的積極性,不利于學生創(chuàng)新意識和能力的培養(yǎng)。

此外，常規(guī)考核方式主要包括出勤率和實驗報告完成情況兩方面,這樣的考核方式往往不能體現(xiàn)實驗完成質量的好壞、學生實驗能力的高低，使得學生實驗積極性比較低。

1.2 教學設備及管理

(1)受傳統(tǒng)實驗教學模式以及資金制約，我校存在著巖石力學本科實驗教學場地和實驗設備不足的現(xiàn)象。目前用于本科實驗教學設備僅有3臺常規(guī)壓力試驗機和1臺TJW-1000電液伺服巖石多功能試驗機，且部分設備較為陳舊，其精確度和可操作性都遠遠落后于其他先進的巖石力學試驗系統(tǒng)。遠遠不能滿足每個學生都能動手操作的要求，無法讓學生領會到巖石力學實驗的精髓。

(2)我校擁有國內最先進的高壓伺服動真三軸試驗機，其在巖石力學試驗方面的精度與功能均達到國際先進水平。但目前該類先進的巖石力學試驗設備只對科研人員及研究生開放實驗，盡管能在一定程度保護先進的巖石力學設備不受損害，但同時也嚴重不能滿足本科生綜合性、設計性、創(chuàng)新性試驗開設。

(3)我校巖石力學實驗設備管理較為分散，不同學科專業(yè)巖石力學設備各自為政，沒有集中統(tǒng)一管理。這樣一方面不利于將設備共享開展教學，另一方面也對設備管理維護帶來隱患。

總之，目前我?，F(xiàn)有巖石力學實驗教學設備及管理模式落后、實驗教學內容簡單模式單一，未針對專業(yè)特點形成系統(tǒng)、科學的專業(yè)實驗教學體系，從而難以實現(xiàn)對學生創(chuàng)新能力、工程實踐能力、綜合分析與解決巖石力學相關問題能力的培養(yǎng)目標。

2 三層次實驗教學體系構建

2.1 理念及思路

核心理念是“學生為主體、教師為主導、創(chuàng)新是靈魂”，堅持以培養(yǎng)“綜合應用與研究”型人才為目標。在實驗教學改革中注重培養(yǎng)學生的主體意識，充分發(fā)揮學生的主體作用，充分發(fā)揮學生自身的積極性，使學生能主動學習、主動發(fā)展個性特長。注意理論教學與實驗教學相結合、教學與科研相結合，使實驗教學成為學生綜合應用與實踐能力培養(yǎng)的重要切入點[8-9]。

核心思路是以教育創(chuàng)新為動力，以優(yōu)化、高效、共享的實驗教學平臺和有效的管理運行機制為保障，以培養(yǎng)學生的動手能力、實踐能力和創(chuàng)新能力為最終目的[10]。實驗教學改革應緊密結合土木建筑水利行業(yè)發(fā)展趨勢，從“大工程觀教育”綜合性和實踐性的理念出發(fā)，把工程所涉及的多方面知識、能力和方法系統(tǒng)地整合到一起，讓工程教育從側重理論知識積累回歸到重視工程實踐素質培養(yǎng)上來[2]。

2.2 總體框架

三層次實驗教學體系包括“基本-綜合設計性-個性培養(yǎng)”3個層次。第1層次為基礎實驗，第2層次為綜合設計實驗，第3層次為個性化實驗，各層次間的實驗技能與要求逐層提高，前一層次是后一層次的基礎。其中第3層次個性化培養(yǎng)實驗涉及到較多的巖石力學專業(yè)前沿內容，重點是訓練學生的綜合、創(chuàng)新和初步的科研能力。體系框架如圖1所示。

圖1 三層次實驗教學體系框架

2.3 具體實施措施

(1)引入微課教學模式優(yōu)化實驗內容。微課是指將相關教學內容聚焦于某個知識點或某個教學環(huán)節(jié)，以微型視頻為主要載體而開展的教與學過程[11]。微視頻是核心，其設計應當綜合考慮學生特征、教學目標、教學內容、課時安排及實驗設備條件等因素。巖石力學基本實驗微視頻設計應包括實驗設備介紹、試樣制備、試樣安裝、實驗過程展示及實驗結果處理等步驟，制作過程應當做到操作規(guī)范、內容飽滿、精煉、聲音洪亮清晰。

教師提前將微課教學視頻、學習任務布置給學生，學生可以自主學習掌握巖石力學實驗過程與力學性能分析方法，完成學習報告，并將學習微視頻后所思考的問題帶入課堂，這樣動手操作時有針對性、有目的性。微課教學可以在達到第1層次基礎實驗教學目的同時也可節(jié)省教師講述、演示時間。

但對學生來說，微課教學并不是實際動手操作，因此，在此基礎上進一步將傳統(tǒng)教學模式中的驗證性試驗改革為設計性、綜合性實驗。教師提供某實際工程的巖石試樣，由學生根據微課所學知識自主設計試驗方案，并完成巖石單軸壓縮變形試驗、三軸壓縮變形試驗、軟弱面剪切強度試驗、縱波波速測定、泊松比測定。

引入微課教學模式變傳統(tǒng)驗證性實驗為設計性實驗，可為巖石力學實驗教學提供了一條新思路。

(2)建立研究式教學方法。借助大學生創(chuàng)新訓練計劃項目、開放實驗室基金等，形成以項目為驅動的“導師制”課外個性培養(yǎng)創(chuàng)新訓練教學模式。全面推行“多成分的考核和評價體系”，以提高學生對本專業(yè)學科的綜合應用與創(chuàng)新研究的興趣，激發(fā)學生自主學習的熱情，實現(xiàn)巖石力學試驗教學的個性培養(yǎng)[12-14]。

學生可以選擇導師和課題組，在進行基礎技能訓練之后，結合導師的科研課題申請大學生創(chuàng)新訓練項目，開展自主創(chuàng)新訓練。學生也可以自主選擇研究方向，根據研究內容選擇在實驗中心或者科研基地完成項目的研究。如正在開展“大創(chuàng)計劃”國家級創(chuàng)新訓練項目：基于聲音信號的深部地下工程巖爆地質災害智能預警技術研究，該項目通過真三軸巖爆試驗收集巖爆過程聲音信號，分析其特征并建立預警系統(tǒng)。試驗過程涉及真三軸試驗機、錄音設備和聲音信號無線傳輸設備等(見圖2)。

顯然，學生在開展該創(chuàng)新項目之前應當很好完成巖石力學課堂教學中的各項教學任務，并熟練掌握相關儀器設備使用方法及基本原理。在此基礎上，再由導師指導開展“大創(chuàng)計劃”項目的試驗研究，從而把巖石力學實驗教學融入到解決實際科研問題當中去，培養(yǎng)了學生的科研意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，進而實現(xiàn)第3層次個性化培養(yǎng)目的。

圖2 真三軸巖爆試驗系統(tǒng)

(3)合理配置、更新和建設實驗教學硬件平臺。當前我校正處于土木工程“世界一流建設學科”建設關鍵時期，根據學科建設需求，將投入大量經費更新和建設實驗教學硬件平臺。在此背景下，巖石力學實驗室建設迎來關鍵時期。實驗室近期將新購置ZTR-2000電液伺服巖石常規(guī)三軸試驗機3臺、TJW-1000電液伺服巖石多功能試驗機2臺、STX-1202A全自動小型巖樣切割機1臺，以滿足實驗教學設備臺套數的要求。此外，學院重新規(guī)劃、布局本科實驗教學中心，擬將新購置的巖石力學試驗設備與原有真三軸試驗機等其他巖石試驗設備整合，建設集教學、科研一體的大型多功能巖石力學試驗平臺。

(4)建立面向本科生的實驗室開放制度。開放的實驗管理制度是落實三層次實驗教學體系的基礎[15-16]。實驗室開放除了面向所承擔的實驗課程，也要面向大學生創(chuàng)新訓練項目等課外實驗。這就對管理效率提出了很高的要求，為了確保高效運行，我院實驗中心已初步建立起統(tǒng)一的實驗教學中心信息化管理平臺，實現(xiàn)實驗內容、空間、時間、人員、儀器設備等的高效利用和開放共享，推動了課程管理、師生交流、教學評價的信息化。

此外，我院也已開始建設大學生創(chuàng)新性實驗室，由學生成立創(chuàng)新設計協(xié)會自主管理，定期舉行各類創(chuàng)新競賽活動。該實驗室建設能為“大學生創(chuàng)新性實驗計劃”項目研究提供集中開放性的研究場地，也活躍了學生課外創(chuàng)新實踐活動，鍛煉了學生管理能力和創(chuàng)新實踐能力。但由于該實驗室剛剛開始建設，儀器設備、管理制度尚需不斷完善。

(5)實行全方位的考核評價體系。客觀、健全、有效的考核評價體系是激發(fā)學生自主學習意識的有效措施。針對新的巖石力學實驗教學體系，考核評價體系由基本實驗、綜合設計實驗、個性培養(yǎng)實驗3個模塊組成。其中，基本實驗、綜合設計實驗為該實驗課的基本成績，考核內容包括：微課學習報告、綜合實驗設計方案、實驗操作技能、實驗報告等；個性培養(yǎng)實驗依據學校創(chuàng)新學分管理辦法進行考核，評定指標包括：實驗創(chuàng)新性、實驗完成情況、實驗成果以及學生參與度等。為保證客觀性，避免 “吃瓜群眾”現(xiàn)象，考核注重學習的過程性評價，實行組內成員互評、組間互評、任課教師或指導教師考核“三位一體”模式。

3 結 語

創(chuàng)新人才培養(yǎng)是我校土木工程“世界一流建設學科”建設的基本任務之一，而實驗教學是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑，實驗教學改革勢在必行。本文圍繞巖石力學實驗教學改革，首先分析我校巖石力學實驗教學現(xiàn)狀與存在的問題，然后提出三層次實驗教學體系，并分別從教學內容、教學方法、教學平臺、管理制度以及考核評價5方面探討新實驗體系建設具體措施。所提出的巖石力學實驗教學體系可大大提高培養(yǎng)學生科研意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。

實驗教學體系建設是一項復雜的系統(tǒng)工程，是高校高等教育的基礎之一，需要不斷探索、實踐、沉淀、積累，才能不斷完善，適應時代潮流。