巖石力學課程實踐性教學改革探討年

摘要：為適應我國土木工程專業人才培養和教學改革的需要，針對土木工程專業基礎課——巖石力學課程的教學特點，擬拓展實驗與實踐教學環節，增加巖石力學特性實驗與數值試驗及現場教學兩個部分，構建集理論教學、物理實驗與數值試驗、現場教學于一體的巖石力學綜合教學模式，以期推動巖石力學課程實踐性教學邁上一個新臺階。

關鍵詞：巖石力學；實驗教學；物理實驗；數值試驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）10-0175-02

隨著我國西部大開發戰略的實施和西南地區高壩建設的興起，傳統的巖石力學課程理論教學及授課內容已經無法滿足工程界對巖石力學知識的熱切需求，亟待開展《巖石力學》課程的教學改革。筆者基于近幾年講授土木工程專業本科生巖石力學課程的教學經驗與體會，并結合國內其他高校巖石力學教學研究所取得的一些成果[1-5]，提出我校大學生《巖石力學》課程實踐性教學改革的總體構想，即集成物理實驗與數值試驗、現場教學于一體的巖石力學課程實踐教學，以期推動巖石力學課程實踐性教學邁上一個新臺階。

一、巖石力學課程實踐性教學改革的必要性

巖石力學是運用力學方法與地質學原理來研究巖石與巖體的力學行為的一門新興科學，也包括研究巖體在各種力場作用下的變形與破壞規律的理論及其實際應用的科學[1]。它涉及到巖石的物理性質、拉壓剪等強度特性、與時間有關的流變特性、巖石的單軸和三軸變形特性、巖石的動力學特性、巖石的各向異性本構關系、巖體結構面的力學性質、由結構面與巖石塊體包圍的巖體的力學特性、巖體不連續面的滲流性質、地應力環境、巖體力學中的各類數值方法、巖石力學涉及的各類工程問題，包括地下空間與地下工程開發、地基（含壩基）、巖質高邊坡（含擋墻及加固體系）等的整體穩定性與變形破壞問題等[1-3]。顯然，巖石力學的研究對象不同于一般的材料，它是非均質各向異性、含有多組結構面組合的非連續介質，其力學行為復雜多變，導致依托在這一地質體上的各類巖石工程（如巖質邊坡工程、巖石地基與壩基工程、地下隧道與采礦工程）更加復雜。正是由于巖石或巖體的復雜性及特殊性，巖石力學服務的各類工程目前還是以工程經驗、現場試驗與監測為主，理論指導為輔，這給巖石力學課程的實踐性教學改革創造了條件、提供了難得的機遇。在理論教學基礎上強化實驗與實踐教學，通過參與室內實驗和野外實踐，采用工程實用化或經工程檢驗后的理論方法開展大規模計算分析和工程實例研究，構建集理論、實驗與實踐于一體的綜合教學改革，使學生既儲備較好的理論基礎，又具有較強的實驗與工程實踐能力，從而培養出具備解決復雜巖石力學問題的高端技術人才。從這個意義上說，開展巖石力學課程的實踐性教學改革是十分必要的。

二、巖石力學課程實踐性教學改革的主要內容

增加室內實驗教學與計算機數值仿真實驗環節，并結合現場工程實例教學，探索適合現代巖石力學發展的新型實踐性教學方法。

1.增加實驗教學模塊環節。目前我校大學生巖石力學課程教學主要是理論教學為主（32學時），強化書本理論知識的學習，尚未安排實驗與實踐教學環節。通過本課程的多年課堂理論教學，結合本課程經驗性、應用性較強的突出特點，擬改革現有教學方式，增設巖石力學實驗教學環節（模塊I），包括4個室內實驗模塊，即巖石吸水性實驗、飽和單軸抗壓實驗、點載荷抗拉實驗3個驗證性實驗項目和1個巖石剪切實驗演示項目。這4個室內實驗項目（模塊I）為巖石力學特性參數實驗，擬規劃6學時教學內容，其中驗證性實驗占4個學時，綜合實驗和演示項目占2個學時，由學生先熟悉實驗方法、實驗步驟，再由教師指導，完成實驗；同時實驗室對學生也實行開放，鼓勵學有余力的學生課后自己設計并開展相關實驗。

2.增加數值試驗教學環節。實踐教學把培養學生實驗技能放在首位，虛擬與現實相結合，動手與動腦相結合。考慮學生人數的增加，實驗場地、儀器設備、巖塊樣品不足等矛盾，將實驗教學與計算機數值仿真相結合，開展模塊Ⅱ教學，即增加數值模擬演示實驗2學時。應用大型數值分析軟件ABAQUS進行巖石力學數值模擬實驗教學。由于巖石破裂過程現象的復雜性和巖石介質的復雜性，在模塊Ⅰ的巖石力學教學實驗過程中，學生很難通過大量重復性實驗看到巖石破壞的各種類型的復雜現象。利用引進并二次開發的ABAQUS程序，增加模塊Ⅱ的實驗教學環節，對巖石力學實驗進行輔助教學，使學生參與教學活動的主動性、創造性大為增強。隨著現代計算機技術的發展，利用計算機對巖石的變形與破裂過程進行數值試驗，不僅具有通用性強、方便靈活、具有可重復性等特點，而且可以通過數值試驗得到許多在常規實驗室試驗中難以觀測的重要信息，作為巖石力學實驗教學的重要補充，達到巖石力學實驗輔助教學的目的。但模塊Ⅱ數值試驗的應用并不能完全取代模塊Ⅰ的實驗室實驗。這是因為數值試驗時仍然需要提供巖石的細觀力學參數等信息，而且只有在證明數值試驗方法正確的基礎上才能使用它進行巖石力學的數值試驗。此外，巖石力學數值試驗也可完成復雜巖石塊體的變形破壞過程的數值仿真。

3.預設工程問題教學模式。考慮到巖石力學數值試驗方法在解決巖石力學問題時具有通用性強、可重復性等特點，感興趣的學生可以在任課教師的指導下，在課程開設初期（如5周內）就擬定一個自己感興趣、與巖石力學與工程緊密相關的數值計算課題，帶著問題進行課程學習。課程的每個環節都使學生對問題的認識更深入一步，當專業知識和數值計算知識儲備到達一定程度后，即可開展數值試驗方面的研究。在此過程中遇到的突出問題，可以由任課教師利用課間時間給學生答疑解惑，或一些共性問題可在課堂適當講解，從而輔助學生完成預設的各類工程問題，達到事半功倍的教學效果。

4.結合工程案例的現場實踐性教學。實踐性教學的核心應是開展現場教學，將課堂教學與實際工程緊密結合，從而升華理論知識、室內實驗和數值仿真成果。針對本課程的實用化特點及課堂教學進展狀況，選擇有代表性的巖石工程作為典型教學案例進行現場教學，適時邀請現場的項目負責人就工程案例進行詳細講解，包括可能遇到的各類巖質邊坡工程、巖石地基工程、地下空間與地鐵工程等，從而增強課程學習的針對性、提高學生分析和解決實際工程問題的能力。

三、結束語

通過上述建設，將豐富我校大學生巖石力學課程的實踐性教學內容，使其充分兼顧理論、實驗與數值仿真、現場實踐三個方面。在此基礎上，凝練巖石力學課程實踐性教學改革的創新手段與特色教學方法，推動本科巖石力學課程實踐性教學改革的深入發展。

參考文獻：

[1]張永興.巖石力學[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[2]黃醒春.巖石力學[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]勾攀峰，宋常勝.巖石力學課程的教學改革與實踐[J].高教論壇，2009，（5）：83-84.

[4]黃明奎.巖石力學課程教學改革與思考[J].高等建筑教育，2008，17（4）：82-85.

[5]劉開云.探析高校土木工程專業“巖石力學”課程教學改革新途徑[J].中國科技創新導刊，2010，（1）：171-172.

基金項目：大連理工大學教育教學改革實踐教學專項和研究生教學改革與研究基金資助。基金編號ZX201313。

作者簡介：年廷凱（1971—），男，大連理工大學土木工程學院副教授、博士生導師，主要從事巖土工程的教學和研究。endprint