巖石力學實驗教學改革探討

吳 姜

巖石力學實驗教學改革探討

吳 姜

隨著國家教育改革的不斷推進，培養學生的全面發展能力已成為教育的根本目標。我院注重實驗教學，提高學生的動手能力。通過推進彈性學習制度，搭建新的實驗室教學體系，將實驗項目進行優化組合，減少驗證性實驗，注重實驗的綜合性、設計性、創新性和整體性。在完成基本實驗的基礎上，鼓勵、支持學生在課余時間參加創新性的實驗和SRT等科研活動，為學生個性化發展創造條件，提高了學生的學習興趣，取得了很好的教學效果。

巖石力學；實驗教學；彈性學習制度

實驗教學是工程科學最基本的教學手段之一，在教學中起著至關重要的作用。我院結合自身的特點，通過不斷的教學探索，在巖石力學實驗教學模式上做出了一定的改革。我院早在1990年就實行了獨立設課，但由于傳統的教學模式和授課內容存在諸多弊端以及實驗條件的局限，巖石力學的實驗教學仍需要不斷改進。筆者根據多年教學經驗，分析了目前高校巖石力學課程教學中存在的問題，對教學改革取得的成果進行總結。

一、巖石力學實驗課程的特點

巖石力學的研究對象是各類巖體，主要采用力學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律，是解決所有巖石工程技術問題的理論基礎。巖石力學實驗課程包括：巖石力學、土力學、礦山壓力及控制、井巷工程、礦山測試技術、相似模擬等課程，是一門力學和地學結合的應用性基礎學科，理論性和實踐性相結合的工程學科，與國民經濟基礎建設和環境保護、資源開發等密切相關，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體，對它的物理力學性質的了解相當困難。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。作為工程性質較強的專業基礎課程，巖石力學實驗這門課程讓學生在學習理論的同時用于實踐，同時也讓學生在實驗中注重綜合性、設計性、創新性和整體性，使學生有更多的動腦、動手機會，養成學生勤于思考、勤于動手的習慣，綜合所學，達到提高學生綜合分析問題的能力和推陳出新的能力的教學目的。

二、巖石力學實驗教學中存在的問題

1.教學內容狹窄、觀念落后。由于高等學校專業劃分過于細致，許多課程的教學內容精細，課程服務對象相對狹窄，與相關學科的結合不多。造成學生的知識面狹窄，解決實際問題的能力不夠。根據目前社會對復合型人才的大量需求，教師在教學中不能太拘泥于專業限制，否則會導致學生因為知識面狹窄而視野不開闊，甚至出現在解決實際工程問題時因知識不足而束手無策的現象。

2.過分注重理論，忽略實驗教學。目前，很多高校依然強調學生的理論知識學習而忽略學生的動手能力培養。同時，國內高校普遍存在著實驗經費缺乏、試驗場地和實驗設備不足的現象。如，電液伺服巖石三軸試驗機，國產的試驗機在國內高校中數量就極其有限，更不用提高精度、功能齊全的進口試驗機，因此，學生對實驗的認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，設備的維護和儀器檢修都存在很多隱患。

3.實驗教學方法、教學手段單一。實驗是自然科學最基本的研究手段，在巖石力學教學與研究中起著至關重要的作用。但是，傳統的實驗教學單調乏味，不能引起學生的興趣和開發學生的創新思維能力。實驗教學課時少任務重、經費匱乏，仍然采用傳統的教學方法，依附于理論教學、傳統的以教師為中心、傳授知識為主的教學模式，導致學生動手能力差。同時，因為受各種條件影響，許多專業教師對現場調查的深入研究不足，對新工藝、新設備和新技術了解太少，都在某種程度上影響了教學的效果。

三、巖石力學實驗教學建議

1.制定彈性學習制度。開放實驗室，實行彈性學習制度。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備、實驗項目的開放，甚至對實驗內容和形式也實行開放，這樣可以讓學生自主安排時間進行實驗學習。在實驗室開放的同時，為適應實驗的綜合性和設計性，我院還將分散的實驗室進行整合，探索綜合實驗教學環境。良好的開放式實驗環境和彈性的學習制度，有利于發揮學生學習積極性和潛能，幫助學生對所學知識進行融會貫通，提高了學生的綜合創新能力。

2.整合優化課程內容，增設綜合性、設計性實驗。根據課程要求和教學目標，對實驗項目進行重新整合，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性實驗等。這樣既節約了時間，又通過對實驗項目的整合使學生對巖石性質有全面的了解和評價。

3.改善實驗條件，改進教學方法。由于室內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、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，在教學中不宜采用。同時，對于這方面教學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，通過數值計算方法進行巖石力學數值實驗能很好地解決這一問題。例如，利用巖石破裂過程分析RFPA系統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值計算問題；用Flash建立巖石力學的虛擬實驗系統。這樣使學生可以隨時將網絡上虛擬的巖石力學實驗需要的各種儀器設備按每個實驗要求、過程組裝成一個完整的實驗系統。在虛擬實驗系統上完成整個實驗，包括巖石試件的添加、實驗條件的改變、數據采集以及實驗結果的模擬、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，在計算機上給學生演示標準巖樣在單軸受壓和三軸受壓狀態下巖石破壞的全應力一應變曲線。隨著計算機技術的發展，借助現代數值模擬技術，通過計算機終端虛擬模擬礦山壓力與巖層控制實驗，并依靠數值模擬軟件的強大的后處理功能，將虛擬模擬的實驗結果直觀地展現在學生面前。這對于解決目前只能做教學大綱規定的基本實驗，而礦山壓力與巖層控制實驗室的設備短缺問題進行了彌補。

4.以科研項目引導、帶動實驗教學。鼓勵學生以小組的方式申請學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，以及由學生自己設計的巖石力學科研工程項目。學生研究過程中將巖石力學課程中的知識點融入到項目，以項目為主線貫穿始終。教師以設計選擇與工程實踐有聯系的實驗項目，并以工程任務數的形式傳達給學生。學生通過自己預習、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。教師以學生完成項目的質量評定學生的設計效果，這樣的過程有效地鍛煉了學生運用所學知識解決實際問題的能力，取得了很好的效果。

四、小結

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

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責任編輯：姚 旺

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1671-6531（2012）08-0102-02

吳姜/貴州大學礦業學院（蔡家關校區）高級實驗師（貴州貴陽550003）。