研究生“巖石動(dòng)力學(xué)”課程課題融入式教學(xué)思考

劉先珊* 許 明

（[1]重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400045；[2]重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400045）

0 引言

“巖石動(dòng)力學(xué)”課程研究巖石動(dòng)力特性或動(dòng)荷載作用下工程巖體動(dòng)力響應(yīng)，是一門應(yīng)用于巖土工程實(shí)踐的技術(shù)學(xué)科，融合了巖石力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、[1]地震動(dòng)力學(xué)等課程的理論與方法，當(dāng)前作為巖土工程專業(yè)研究生的專業(yè)課程。該課程主要涉及巖石或巖體工程在爆炸、沖擊、地震、振動(dòng)等動(dòng)載荷下的力學(xué)效應(yīng)或穩(wěn)定性，分析如上動(dòng)荷載產(chǎn)生的應(yīng)力波在巖石內(nèi)部的傳播及衰減規(guī)律，區(qū)分其動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)與靜力參數(shù)的差異性，確定其動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系特征與本構(gòu)關(guān)系，研究動(dòng)荷載下的巖石破壞過(guò)程及破壞機(jī)理，以及相應(yīng)條件下的巖體工程安全評(píng)價(jià)的數(shù)值模擬方法等。由于涉及的內(nèi)容廣泛，理論性及實(shí)踐性均較強(qiáng)，大多研究生在本科階段較少接觸動(dòng)力學(xué)理論，學(xué)習(xí)時(shí)感覺(jué)內(nèi)容晦澀難懂，學(xué)習(xí)效果不顯著。

對(duì)研究生教學(xué)而言，教學(xué)中結(jié)合學(xué)生本科階段的知識(shí)體系，從巖石動(dòng)力學(xué)的需求角度出發(fā)，[2]將巖石動(dòng)力學(xué)理論、方法與其專業(yè)背景集合，旁征博引，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)手段將課件設(shè)計(jì)得更加有新意，多引入與實(shí)際工程相關(guān)的內(nèi)容，有意識(shí)地提升學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)識(shí)及實(shí)際工程的感知能力，并結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，融入實(shí)際工程案例的分析來(lái)講解“巖石動(dòng)力學(xué)”，提高學(xué)生解決科研課題的自主創(chuàng)新能力。

結(jié)合“巖石動(dòng)力學(xué)”的課程特點(diǎn)，針對(duì)巖土工程專業(yè)研究生對(duì)該課程的不同要求，找準(zhǔn)教學(xué)中存在的難點(diǎn)，優(yōu)化教學(xué)方案，激勵(lì)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)，提高研究生課堂教學(xué)的高效性及有效性，[3]為后續(xù)論文及課題的開(kāi)展培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

1 課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

地震、沖擊、爆破等動(dòng)荷載作用于巖石或巖體的分析中，動(dòng)力控制方程包含非線性、非定常及非平穩(wěn)項(xiàng)，動(dòng)力響應(yīng)具有瞬態(tài)性及隨機(jī)性，相比靜力分析，其概念抽象、公式冗長(zhǎng)及求解復(fù)雜，本科教學(xué)中的以“課堂”“教師”及“書(shū)本”為中心的教學(xué)方式不利于學(xué)生對(duì)該課程知識(shí)點(diǎn)的理解，教學(xué)效果不好。為此，將巖石動(dòng)力學(xué)理論與計(jì)算機(jī)、科研課題或工程案例分析相結(jié)合，變靜態(tài)封閉為動(dòng)態(tài)開(kāi)放的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、自愿探究、勤于研發(fā)，是當(dāng)前教育巨大挑戰(zhàn)亟待解決的關(guān)鍵課題。面對(duì)本科基礎(chǔ)不同的研究生，[4]教學(xué)中不可一概而論。現(xiàn)有的教學(xué)存在如下問(wèn)題：

1.1 課程自身的抽象性

“巖石動(dòng)力學(xué)”課程涉及面廣、內(nèi)容多及公式復(fù)雜難懂，需要前期的“巖體力學(xué)”“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”及“地震動(dòng)力學(xué)”等先修課程。課程教學(xué)中會(huì)推導(dǎo)理論公式，然后結(jié)合案例講解理論知識(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)很長(zhǎng)或符號(hào)不常見(jiàn)的理論公式看不懂，不清楚出處，對(duì)理論推導(dǎo)無(wú)從下手，理解有難度，感覺(jué)枯燥乏味，學(xué)習(xí)興趣不大。另外，巖石動(dòng)力學(xué)的工程背景不清楚，理論聯(lián)系實(shí)際的能力也不足。即使對(duì)理論掌握較好的研究生，也不知如何運(yùn)用動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論解決實(shí)際工程問(wèn)題。

1.2 教材缺失

研究生“巖石動(dòng)力學(xué)”課程是巖土工程專業(yè)的專業(yè)課程，課程教學(xué)中沒(méi)有統(tǒng)一的教材，主要依據(jù)教師對(duì)巖石力學(xué)理論、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論以及地震或爆破等作用的巖石動(dòng)力學(xué)理論，綜合形成符合巖土工程專業(yè)的簡(jiǎn)易教材和課件，由于課程涉及的相關(guān)課程理論較多，很難在課件中完全展示相應(yīng)的理論、公式推導(dǎo)或案例計(jì)算過(guò)程，學(xué)生課后復(fù)習(xí)的難度加大。

1.3 學(xué)習(xí)方法不當(dāng)

巖土工程專業(yè)的研究生，本科期間大概接觸過(guò)部分巖石動(dòng)力學(xué)理論，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及地震動(dòng)理論掌握少。第一次接觸該專業(yè)課需要補(bǔ)充的知識(shí)點(diǎn)太多，對(duì)動(dòng)力導(dǎo)致巖石或巖體力學(xué)響應(yīng)的狀態(tài)沒(méi)有概念，無(wú)法理解巖石動(dòng)力學(xué)理論公式及各項(xiàng)復(fù)雜的偏微分方程。由此，很難把握該課程的學(xué)習(xí)節(jié)奏，找不到適合自己的學(xué)習(xí)方法，大多數(shù)學(xué)生覺(jué)得該課程的學(xué)習(xí)難度大、枯燥、無(wú)用等。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)軟件的演示，加上通俗易懂且生動(dòng)的工程案例展示，特別是在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)案例進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)課題研究的興趣，更容易理解理論及其在工程中的應(yīng)用。

針對(duì)以上問(wèn)題，可以引入更為普遍的工程實(shí)例，結(jié)合理論與應(yīng)用中的問(wèn)題編寫(xiě)教材，擴(kuò)大學(xué)生的視野，認(rèn)識(shí)課程內(nèi)容的工程實(shí)踐意義；并結(jié)合科研案例或工程案例，運(yùn)用計(jì)算機(jī)現(xiàn)場(chǎng)演示的方案，展示巖體的動(dòng)力學(xué)特征及動(dòng)畫(huà)響應(yīng)，使得學(xué)生更直觀地認(rèn)識(shí)動(dòng)荷載下的巖石或工程巖體動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程。

2 課題融入式的課程教學(xué)初探

2.1 課程內(nèi)容的合理化

巖石動(dòng)力學(xué)與邊坡、庫(kù)岸、隧道等工程密切相關(guān)，重視基礎(chǔ)的同時(shí)，需要注重實(shí)踐應(yīng)用，科研課題的選擇可從易到難，逐步深入地講解不同工況的巖石力學(xué)響應(yīng)。例如：巖石邊坡動(dòng)力問(wèn)題中的數(shù)值模擬方法，如何實(shí)體邊坡進(jìn)行離散化，動(dòng)荷載如地震、震動(dòng)或爆破應(yīng)該以何種形式加到邊坡模型上，講解中通常結(jié)合波動(dòng)理論，闡明荷載在邊坡上的施加方式，說(shuō)明與靜力加載的顯著差異。

2.2 基于計(jì)算機(jī)軟件的課堂演示

學(xué)生對(duì)大型工程認(rèn)識(shí)的缺乏，室內(nèi)試驗(yàn)也無(wú)法直觀了解巖石或工程巖體在動(dòng)荷載下的力學(xué)響應(yīng)，特別是大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)價(jià)格昂貴，很難有機(jī)會(huì)進(jìn)行這種形式的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，使得課堂上的計(jì)算機(jī)仿真[5-6]演示越來(lái)越便利，可以幫助學(xué)生更好地理解動(dòng)力學(xué)概念，學(xué)生也可通過(guò)程序編寫(xiě)或軟件界面操作，提高自主學(xué)習(xí)并深入研究的能力。

有限元軟件如ANSYS 由于功能強(qiáng)大，在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，可以直觀地進(jìn)行建模、計(jì)算和后處理，獲得動(dòng)荷載下的巖石或巖體位移、應(yīng)力及變形的動(dòng)畫(huà)。例如，分析巖石基礎(chǔ)的地震動(dòng)響應(yīng)，先建立一個(gè)巖石基礎(chǔ)的有限元模型，如圖 1（a）所示，施加規(guī)則地震荷載如圖 1（b）所示，經(jīng)計(jì)算獲得不同點(diǎn)的位移時(shí)程。分析地震波作用下的巖石地基位移時(shí)程，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)動(dòng)力荷載下巖石的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。另外，對(duì)比Shake 程序獲得的速度時(shí)程，闡明計(jì)算機(jī)軟件模擬的適用性。

通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件的現(xiàn)場(chǎng)演示，學(xué)生能清晰地認(rèn)識(shí)巖石地基在規(guī)則波深入過(guò)程中的響應(yīng)特征，更宏觀地把握其時(shí)程響應(yīng)，并在課后的軟件實(shí)踐操作中加深工程應(yīng)用的概念。

圖1 有限元模型及荷載時(shí)程

2.3 科研課題的融入與展示

為了充分理解所學(xué)的巖石動(dòng)力學(xué)理論，課堂教學(xué)中引入科研課題或工程案例是必不可少的。老師引導(dǎo)學(xué)生圍繞一個(gè)共同任務(wù)進(jìn)行探索，查閱多方面資料，基于計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行自主模擬分析，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，引導(dǎo)學(xué)生在完成既定任務(wù)的同時(shí)進(jìn)行自主實(shí)踐。例如，教學(xué)中事先布置的任務(wù)是分析加固邊坡的地震響應(yīng)，給出一個(gè)格構(gòu)加固工程邊坡的實(shí)際尺寸以及地震波數(shù)據(jù)，學(xué)生首先查閱類似的參考文獻(xiàn)，明確邊坡地震響應(yīng)的分析思路，認(rèn)識(shí)到地震動(dòng)數(shù)據(jù)大都是加速度時(shí)程，而速度和位移時(shí)程需要由加速度積分獲得，且采集的數(shù)據(jù)誤差大，積分得到的速度和位移時(shí)程會(huì)出現(xiàn)基線飄移。明確了實(shí)際工程中的問(wèn)題后，首先應(yīng)用“SeismoSignal 軟件”進(jìn)行地震波的基線校核，數(shù)值積分獲得速度和位移時(shí)程。將其地震波輸入到已建立的邊坡模型中，如圖2 所示，計(jì)算得到地震作用下邊坡格構(gòu)柱的彎矩時(shí)程，根據(jù)時(shí)程變化規(guī)律，評(píng)價(jià)邊坡的加固效應(yīng)。

圖2 邊坡有限元模型及動(dòng)力響應(yīng)

3 結(jié)語(yǔ)

研究生教學(xué)與本科教學(xué)模式差異顯著，是一種旨在提高學(xué)生“創(chuàng)新能力培養(yǎng)”的靈活方式。對(duì)“巖石動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)，開(kāi)展符合巖土工程專業(yè)研究生的課堂教學(xué)模式，是提高新工科背景下研究生科研能力的關(guān)鍵。

（1）針對(duì)研究生“巖石動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出基于計(jì)算機(jī)軟件的現(xiàn)場(chǎng)演示方法，闡明融入課題的教學(xué)方法是新思路。

（2）基于計(jì)算機(jī)軟件的課堂演示，論文通過(guò)三維數(shù)值模擬，分析規(guī)則地震波作用下的巖石地基力學(xué)響應(yīng)，使得學(xué)生更直觀地把握巖石的動(dòng)力學(xué)特性，引導(dǎo)學(xué)生更深入地理解理論知識(shí)及工程應(yīng)用概念，改善課堂教學(xué)效果。

（3）課程教學(xué)中應(yīng)融入科研課題，通過(guò)工程加固邊坡的動(dòng)力響應(yīng)分析，特別是動(dòng)荷載下的位移和力時(shí)程分析，學(xué)生更清晰地認(rèn)識(shí)到實(shí)際工程安全評(píng)價(jià)的分析方法，提高了學(xué)生獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力，最終引導(dǎo)學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)求知求教。