馬振乾，周 浪，左少杰，王子一

（貴州大學(xué) a.礦業(yè)學(xué)院；b.國土資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025）

引言

隨著現(xiàn)代新媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，多元化教學(xué)模式已被廣泛應(yīng)用于各大高校的課程教學(xué)中，傳統(tǒng)教學(xué)模式不斷受到?jīng)_擊，單一的教學(xué)方式已不能適應(yīng)教學(xué)要求?！皫r石力學(xué)與工程”作為采礦工程專業(yè)的必修課程，涉獵行業(yè)極其廣泛，適用性強(qiáng)，同時(shí)也是一門理論、實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐結(jié)合緊密的特色專業(yè)課程，旨在研究巖體力學(xué)性態(tài)、變形和穩(wěn)定性問題。課程涵蓋巖體的質(zhì)量評價(jià)及其分類理論方法、地應(yīng)力及其測量理論和方法、巖石的流變理論和強(qiáng)度理論，通過分析邊坡工程巖體穩(wěn)定性、巖石地基承載力與穩(wěn)定性，強(qiáng)化學(xué)生對工程問題的認(rèn)識和理解。

傳統(tǒng)“巖石力學(xué)與工程”課程教學(xué)方式單一，多數(shù)采用板書的形式進(jìn)行教學(xué)，無法調(diào)動學(xué)生的積極性，難以培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，對于學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決巖石工程實(shí)際問題綜合能力的提高作用微乎其微。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，多數(shù)高校已為“巖石力學(xué)與工程”課程配套了多媒體和基本的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，“板書+多媒體+實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)方式大大提高了學(xué)生的積極性。但由于一些巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)條件苛刻，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得不到想要的效果，這時(shí)往往需要借助虛擬仿真手段，才能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

李曉蓉等［1］借助有限元ABAQUS開展了單、三軸巖石力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)，充分提高了學(xué)生分析和理解巖石力學(xué)問題的能力；王述紅等［2］把巖體真三維建模仿真技術(shù)引入巖石力學(xué)教學(xué)改革中，取得了良好的效果；張義平等［3］把數(shù)值模擬系統(tǒng)RFPA引入“巖體力學(xué)”課程教學(xué)，加深了學(xué)生對巖石破壞過程的理解；張曉君等［4］通過在“巖體力學(xué)”課堂上演示數(shù)值模擬教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生對科研的興趣。

本文借助中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所和東北大學(xué)共同研制的能夠?qū)こ處r體破裂過程進(jìn)行模擬和計(jì)算的軟件系統(tǒng)CASRock，通過數(shù)值仿真軟件內(nèi)嵌的RFD（巖石破碎程度）模塊讓巖石破碎過程更加可視化，完整呈現(xiàn)巖石裂隙擴(kuò)展過程，讓學(xué)生對巖石破壞機(jī)理有更具體的認(rèn)知，對調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、鼓勵學(xué)生投身科研有著顯著作用。

一、傳統(tǒng)“巖石力學(xué)與工程”課程教學(xué)的局限性

（一）授課方式單一

“巖石力學(xué)與工程”作為采礦類專業(yè)最基礎(chǔ)的一門課程，其重要程度不言而喻，然而由于課程內(nèi)容多涉及一些較深奧的理論知識以及多種推導(dǎo)公式，導(dǎo)致講授過程枯燥乏味，無法培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，更不能學(xué)以致用，這便失去了開設(shè)這門課程的意義。為此，很多教育者進(jìn)行了研究。顧曉薇等［5］在工科類專業(yè)課程教學(xué)中融入社會責(zé)任感、愛國情懷，旨在培養(yǎng)全方位復(fù)合型人才；趙娜等［6］將工程案例引入教學(xué)，與抽象的理論相結(jié)合，有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。即便如此，部分高校依舊沒有改變授課方式單一的問題。

（二）實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)備不健全

“巖石力學(xué)與工程”作為一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的實(shí)踐性課程，其授課質(zhì)量一定程度上取決于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的情況。然而多數(shù)高校由于受教學(xué)經(jīng)費(fèi)、學(xué)校駐地、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)情況以及校領(lǐng)導(dǎo)的重視程度等多因素影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室設(shè)備不全、現(xiàn)存設(shè)備基本沒有檢修、很多設(shè)備已不能使用，甚至一些院校連最基本的實(shí)驗(yàn)室都沒有，這樣培養(yǎng)出來的學(xué)生大多缺乏實(shí)際操作能力，與培養(yǎng)全方位復(fù)合型人才的目標(biāo)背道而馳，這無疑是目前部分高校教學(xué)模式中存在的較大的缺陷。

二、教學(xué)探索與嘗試

“巖石力學(xué)與工程”課程的教學(xué)目的是讓學(xué)生熟悉并掌握巖體工程中巖塊、巖體的概念以及巖石成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等基本概念，進(jìn)而強(qiáng)化學(xué)生在巖石工程實(shí)際中發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力。對該課程教學(xué)模式進(jìn)行改革，使得高校在工程教育認(rèn)證的背景下，結(jié)合時(shí)代發(fā)展需要培養(yǎng)具備相應(yīng)專業(yè)能力的高素質(zhì)全方位復(fù)合型人才。根據(jù)對傳統(tǒng)教學(xué)局限性的分析，本節(jié)從工程教育認(rèn)證的背景出發(fā)，對“巖石力學(xué)與工程”課程提出以引入數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)為主，授課方式多元化、培養(yǎng)學(xué)生主觀能動性為輔的教學(xué)改進(jìn)方法。

（一）授課方式多元化

在工程教育認(rèn)證背景下，“學(xué)生中心”是基本的教學(xué)理念。通過對前人研究進(jìn)行分析，針對目前授課方式單一的問題，高校教育者還需要進(jìn)一步改善授課方式。隨著工程教育專業(yè)認(rèn)證的進(jìn)一步推廣，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，圍繞培養(yǎng)目標(biāo)和全體學(xué)生畢業(yè)要求的達(dá)成進(jìn)行資源配置和教學(xué)安排，并將學(xué)生和用人單位滿意度作為專業(yè)評價(jià)的重要參考依據(jù)。

新時(shí)代應(yīng)以全方位復(fù)合型人才為目標(biāo)來培養(yǎng)學(xué)生，高校作為人才培養(yǎng)的搖籃，應(yīng)利用教師流動性大的特點(diǎn)安排教師串堂講課。如當(dāng)“巖石力學(xué)與工程”課程需要畫圖才能有助于學(xué)生理解問題時(shí)，可適當(dāng)安排美術(shù)類課程的教師來作圖。此外，教師可以通過具體的工程案例幫助學(xué)生理解抽象的理論，同時(shí)還可以聘請相關(guān)公司負(fù)責(zé)人對學(xué)生進(jìn)行專題類的講解。通過這些手段使授課方式多元化，對于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力以及把學(xué)生培養(yǎng)成全方位復(fù)合型人才有一定的積極意義。

（二）培養(yǎng)學(xué)生的主觀能動性

主觀能動性也叫自覺能動性，是人類特有的能力與活動。發(fā)揮主觀能動性是用科學(xué)理性的眼光去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，用辯證唯物主義和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S指導(dǎo)學(xué)習(xí)。當(dāng)下學(xué)生正處于頭腦和身體都飛速發(fā)展的時(shí)期，對于新事物接受快、學(xué)習(xí)迅速，在這樣的黃金時(shí)期能夠充分調(diào)動自身的主觀能動性進(jìn)行思考，對學(xué)生來說將達(dá)到事半功倍的效果。

在現(xiàn)代教育的課堂教學(xué)中，多數(shù)學(xué)生處于被動接受學(xué)習(xí)的狀態(tài)，對于“巖石力學(xué)與工程”這類理論、實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐結(jié)合緊密的課程，若不能發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)出的學(xué)生也只是理論知識方面較為擅長，但無法在基礎(chǔ)知識理論上進(jìn)行創(chuàng)新，長此以往會使得此學(xué)科領(lǐng)域的創(chuàng)新止步不前。李四光說：“一些陳舊的、不結(jié)合實(shí)際的東西，不管那些東西是洋框框，還是土框框，都要大力地把它們打破，大膽地創(chuàng)造新的方法、新的理論，來解決我們的問題?！睈垡蛩固拐f：“想象力比知識更重要，因?yàn)橹R是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進(jìn)步，并且是知識進(jìn)步的源泉?！庇纱丝梢姡饔^能動性在學(xué)生的學(xué)習(xí)生涯中有著不可替代的作用。如何培養(yǎng)學(xué)生的主觀能動性？本文歸納出以下幾點(diǎn)。

1.突破新知，重在參與。實(shí)踐出真知，這是獲取知識最直接的途徑。在工程教育認(rèn)證背景下，新知識的教學(xué)已不能再采用過去簡單的教師傳授、學(xué)生領(lǐng)悟的教學(xué)模式，而是要求學(xué)生聯(lián)系實(shí)際，在實(shí)際的巖體工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。

2.營造和諧的課堂氛圍?，F(xiàn)代教育課堂教學(xué)中，教師和學(xué)生應(yīng)保持互動。學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，其主觀能動性與創(chuàng)造性需要教師的引導(dǎo)與開發(fā)。優(yōu)化師生關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生主動發(fā)展是激發(fā)學(xué)生主觀能動性的主要因素。作為教師應(yīng)該清晰地認(rèn)識到：構(gòu)建和諧的師生關(guān)系、縮短師生間的距離是促進(jìn)學(xué)生主動思考的重要方式。

3.開展自主創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。教師可根據(jù)“巖石力學(xué)與工程”課程教學(xué)大綱設(shè)置實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)達(dá)成度指標(biāo)，對于這種實(shí)驗(yàn)性強(qiáng)的課程，學(xué)生可根據(jù)自己的能力自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新性巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，作為完成本課程實(shí)驗(yàn)?zāi)K部分，同時(shí)也是本課程期末總評的指標(biāo)之一。在整個(gè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中教師可以進(jìn)行答疑，但不可幫助學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)。這樣能夠最大限度地調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展。

（三）教學(xué)中引入數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)

由于“巖石力學(xué)與工程”課程授課方式單一、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不完善等因素，導(dǎo)致教學(xué)存在很大的局限性，而高校的培養(yǎng)目標(biāo)是將學(xué)生培養(yǎng)成全方位復(fù)合型人才。在傳統(tǒng)教學(xué)局限性不易改善的情況下，數(shù)值虛擬仿真逐漸被引入“巖石力學(xué)與工程”課程教學(xué)中，對提高學(xué)生科研興趣、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力有積極意義，取得了良好的教學(xué)效果。

與傳統(tǒng)巖石力學(xué)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)值虛擬仿真具有方便靈活、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中。近年來，國外相繼開發(fā)了各種各樣的數(shù)值模擬計(jì)算軟件，主要包括有限元（如Abaqus、Ansys、FEM、FLAC）、離散元（如UDEC、DEM、PFC）等。但這些數(shù)值軟件的系統(tǒng)都比較龐大，全英文界面對學(xué)生來說并不太友好，學(xué)習(xí)起來相對復(fù)雜。國內(nèi)近幾年推出的數(shù)值仿真軟件CASRock由于其友好的中文界面，受到了各大高校工科類教師的推崇，并迅速在“巖石力學(xué)”教學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。下文將簡單列舉該軟件在“巖石力學(xué)與工程”教學(xué)中的應(yīng)用以及所取得的教學(xué)效果。

三、CASRock在教學(xué)中的應(yīng)用

（一）二維單軸壓縮破裂過程模擬

對巖石進(jìn)行單軸壓縮仿真實(shí)驗(yàn)，部分模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 單軸壓縮破裂過程數(shù)值模擬

對初始模型進(jìn)行位移加載控制，由圖1可知，當(dāng)模型計(jì)算到第78步時(shí)，巖石內(nèi)部萌生出微裂隙，隨后裂隙逐漸擴(kuò)展（其中RFD表示巖石破碎程度）。加載到第87步時(shí)，裂隙繼續(xù)擴(kuò)展并由原來的一條裂隙擴(kuò)展為兩條裂隙。加載到第104步時(shí)，兩條主裂隙繼續(xù)發(fā)展并在兩條裂隙之間重新產(chǎn)生新裂紋。從圖中學(xué)生可直觀地看出應(yīng)力-應(yīng)變曲線的四個(gè)階段以及每個(gè)階段所對應(yīng)的巖石壓縮破壞的情況，用曲線和破壞圖相對應(yīng)的形式展現(xiàn)給學(xué)生，相比于只講復(fù)雜理論來說學(xué)生更易接受，進(jìn)一步加深了學(xué)生對巖石力學(xué)的基礎(chǔ)概念的理解。

通過圖1對巖石破碎過程裂隙的演化過程，使學(xué)生對巖石破碎過程有了更直觀清晰的了解，對巖石破碎過程中裂隙的萌生—擴(kuò)展—貫通的過程有了基本的認(rèn)識，同時(shí)增強(qiáng)了學(xué)生對巖石破壞機(jī)制探索的興趣，對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性有顯著效果。

（二）真三軸壓縮破裂過程模擬

地下巖石工程在“巖石力學(xué)與工程”課程教學(xué)中占有重要的地位，并且地下圍巖受力情況往往不是單一的拉伸或壓縮，通常都是多個(gè)方向受力。但由于實(shí)驗(yàn)條件限制，巖石真三軸實(shí)驗(yàn)學(xué)生基本接觸不到，需采用數(shù)值仿真手段模擬深部巖石受力破壞情況。通過真三軸巖石的數(shù)值模擬，讓學(xué)生對巖石的三軸實(shí)驗(yàn)破壞過程有基本的了解，對地下深部巖體受力破壞有初步的認(rèn)識。將深部復(fù)雜的巖體工程簡化成單個(gè)的實(shí)驗(yàn)，由淺入深逐漸啟發(fā)學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，提高了授課的質(zhì)量。

結(jié)語

本文通過分析傳統(tǒng)“巖石力學(xué)與工程”課程教學(xué)存在的局限性，提出以在教學(xué)中引入數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)為主，以授課方式多元化、培養(yǎng)學(xué)生主觀能動性為輔的教學(xué)改進(jìn)方法，針對實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)備不健全的問題引入了工程巖體破裂過程自動機(jī)分析軟件CASRock，通過對巖石進(jìn)行二維單軸壓縮和真三軸巖石壓縮破裂過程演示，使學(xué)生對巖石破壞過程中裂隙的萌生—擴(kuò)展—貫通階段有了清晰的認(rèn)識，進(jìn)一步加深了學(xué)生對“巖石力學(xué)與工程”課程基本概念和相關(guān)知識點(diǎn)的理解。通過數(shù)值模擬的演示，豐富了課堂內(nèi)容，解決了傳統(tǒng)教學(xué)難以深入，授課資料不直觀、不豐富且片面的問題，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及投身科研的決心，一定程度上拓寬了學(xué)生的思維，開闊了學(xué)生的眼界，提升了學(xué)生將理論與實(shí)際相結(jié)合的能力，取得了良好的教學(xué)效果。