巖石力學三層次實驗教學體系建設(shè)探索

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(chǔ)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(jīng)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(jié)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(zhì)[4-5]。因此，巖石力學課程教學過程中應(yīng)使實驗教學成為學生綜合應(yīng)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(shè)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(shè)起步較晚，現(xiàn)有實驗教學內(nèi)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(shè)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(nèi)容與方式

在教學內(nèi)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(zhì)試驗，后3個試驗是巖石的力學經(jīng)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(nèi)容均屬于驗證性為主，實驗內(nèi)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(shè)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(wù)，實驗教師往往先集中講授試驗程序、數(shù)據(jù)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(nèi)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(jié)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(zhì)量的好壞、學生實驗?zāi)芰Φ母叩停沟脤W生實驗積極性比較低。

1.2 教學設(shè)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(shè)備不足的現(xiàn)象。目前用于本科實驗教學設(shè)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(shè)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(lǐng)會到巖石力學實驗的精髓。

(2)我校擁有國內(nèi)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(shè)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(shè)備不受損害，但同時也嚴重不能滿足本科生綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性試驗開設(shè)。

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

總之，目前我校現(xiàn)有巖石力學實驗教學設(shè)備及管理模式落后、實驗教學內(nèi)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(guān)問題能力的培養(yǎng)目標。

2 三層次實驗教學體系構(gòu)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(yīng)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(jié)合、教學與科研相結(jié)合，使實驗教學成為學生綜合應(yīng)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(yīng)緊密結(jié)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(cè)重理論知識積累回歸到重視工程實踐素質(zhì)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(shè)計性-個性培養(yǎng)”3個層次。第1層次為基礎(chǔ)實驗，第2層次為綜合設(shè)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(chǔ)。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(nèi)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(nèi)容。微課是指將相關(guān)教學內(nèi)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(shè)計應(yīng)當綜合考慮學生特征、教學目標、教學內(nèi)容、課時安排及實驗設(shè)備條件等因素。巖石力學基本實驗微視頻設(shè)計應(yīng)包括實驗設(shè)備介紹、試樣制備、試樣安裝、實驗過程展示及實驗結(jié)果處理等步驟，制作過程應(yīng)當做到操作規(guī)范、內(nèi)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(wù)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(chǔ)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(chǔ)上進一步將傳統(tǒng)教學模式中的驗證性試驗改革為設(shè)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(jù)微課所學知識自主設(shè)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(shè)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(qū)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(yīng)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(chǔ)技能訓練之后，結(jié)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(jù)研究內(nèi)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(zhì)災(zāi)害智能預警技術(shù)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(shè)備和聲音信號無線傳輸設(shè)備等(見圖2)。

顯然，學生在開展該創(chuàng)新項目之前應(yīng)當很好完成巖石力學課堂教學中的各項教學任務(wù)，并熟練掌握相關(guān)儀器設(shè)備使用方法及基本原理。在此基礎(chǔ)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(shè)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(shè)學科”建設(shè)關(guān)鍵時期，根據(jù)學科建設(shè)需求，將投入大量經(jīng)費更新和建設(shè)實驗教學硬件平臺。在此背景下，巖石力學實驗室建設(shè)迎來關(guān)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(shè)備臺套數(shù)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(shè)備與原有真三軸試驗機等其他巖石試驗設(shè)備整合，建設(shè)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(chǔ)[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(nèi)容、空間、時間、人員、儀器設(shè)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(shè)大學生創(chuàng)新性實驗室，由學生成立創(chuàng)新設(shè)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(shè)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(shè)，儀器設(shè)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(shè)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(shè)計實驗為該實驗課的基本成績，考核內(nèi)容包括：微課學習報告、綜合實驗設(shè)計方案、實驗操作技能、實驗報告等；個性培養(yǎng)實驗依據(jù)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(nèi)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(jié) 語

創(chuàng)新人才培養(yǎng)是我校土木工程“世界一流建設(shè)學科”建設(shè)的基本任務(wù)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(nèi)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(shè)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(shè)是一項復雜的系統(tǒng)工程，是高校高等教育的基礎(chǔ)之一，需要不斷探索、實踐、沉淀、積累，才能不斷完善，適應(yīng)時代潮流。