關聯性教學在巖石力學實驗課程改革中的探索

黃 倩， 潘益鑫， 彭巖巖， 伍法權， 沙鵬， 易紅清

（1.紹興文理學院土木工程學院，浙江紹興 312000；2.浙江省巖石力學與地質災害重點實驗室，浙江紹興 312000；3.浙江省有色金屬地質勘查局，浙江紹興 312000）

0 引 言

巖石力學實驗課是地質工程和巖土工程專業課程教學中的一門基礎專業課，該門實驗課以輔助學習、理解巖石力學中相關理論知識點為目的，具有較強的實踐性和應用性［1-3］。在實際各類工程應用中，設計一個結構必須考慮其強度、剛度、穩定性，以求得在安全條件下的最大經濟效果，這往往依賴于大量的實驗資料為設計和施工方案提供數值參考依據，因此巖石力學實驗在解決巖土工程、地質工程實際問題中起著重要的作用［2］。通過巖石力學實驗課教學可以幫助學生理解復雜工程活動中巖體在受力作用下產生的一系列力學問題，從而更有效地理解掌握巖石力學中的理論知識［4-5］。近年來教育部對高等教育的課程建設提出了高階性、創新性、挑戰度“兩性一度”的要求，為此在巖石力學實驗課程的開展過程中進行了教學改革的探索，以滿足創新型和應用型復合型人才的培育目標［6-7］。

1 巖石力學實驗課的現狀

1.1 教學內容

由于課程設置上巖石力學實驗課與理論課是分別獨立授課的，理論課與實踐課之間的孤立讓該門實驗課難以達成幫助學生系統地理解掌握相關知識點。在以往的實驗教學中，受課時限制，課程中一般會重點介紹實驗設備，通過演示講解實驗操作的步驟和流程讓學生掌握每個實驗。學習過程中學生缺乏將每一個實驗與巖石力學理論課對應的知識點建立聯系，難以將理論知識應用在工程中解決實際問題，從而導致實驗教學內容與理論知識關聯不夠密切，沒有與工程實例應用結合，難以培養學生學以致用、融會貫通的綜合應用能力和解決實際問題的能力。

巖石力學實驗課除了與巖石力學理論課密切相關，還與礦物巖石學、工程地質學、土力學、構造地質學等課程相關聯，如果實驗教學內容僅僅停留在操作步驟流程和計算公式層面，缺乏與其他課程知識點的關聯，則無法實現多門課程思維融合、跨課程能力融合以及產學研結合的實踐融合，知識的廣度和深度受限則難以體現教學內容的高階性。

1.2 教學設備

巖石力學實驗課的開展主要依賴實驗儀器設備，然而在實際的課程開展過程中，用于教學的實驗儀器多存在落后陳舊或測量精度低等問題，致使教學質量差，學生失去學習興趣和熱情。儀器數量有限，使學生需要分多組進行實驗操作致使實際課程耗時遠遠超出規定課時量，教學時間和精力成本高，為實驗教學帶來重重阻力。教學實驗儀器與科研實驗儀器獨立分隔，雖然對于部分高精密儀器的保護，考慮維護成本高、操作難度大不對本科教學開放，造成高價購置的先進儀器設備利用率不高，資源浪費。另一方面，用于教學的儀器大多為常規設備，缺乏先進性、智能化，使得學生無法接觸到學科發展前沿技術，不能學到最新的測試技術方法。

1.3 教學模式

2 關聯性教學理念

結合當下國家對高等教育提出的高階要求和地質工程、巖土工程行業發展對人才的需求，在巖石力學實驗課教學改革探索的過程中，既要充分體現教學內容的高度、深度和廣度，又要調動學生學習的興趣，培養學生的實踐能力和綜合應用能力，啟發學生的創造性思維和批判性思維，將所學到的知識應用到工程案例中解決實際問題，建立必要的關聯性思維。

2.1 核心內涵

關聯性教學理念致力于讓學生建立嚴密、系統的知識體系，讓知識與知識建立關聯，科研與實踐教學建立關聯，課堂教學與工程應用建立關聯，這種密切的關聯性也體現了產學研一體化的深度融合，促進科研成果、項目成果與教學成果之間的互相轉化。

2.2 思路框架

建立關聯性教學包括將教學內容分別與對應的理論知識點、先進的儀器設備、工程實例建立關聯。其核心思路框架如圖1 所示。

圖1 關聯性教學核心思路架構

（1）關聯理論課知識點。本著學以致用的教學目的，在實驗課的教學過程中建立每一個實驗與理論課知識點的關聯，讓學生形成系統的知識框架，切實讓實驗課學習幫助學生深入系統地理解相關理論知識，打破不同課程、不同學科之間的知識壁壘，只有充分理解才能融會貫通地把不同課程學習的知識應用到位。

（2）關聯先進的科研儀器設備。高水平的實驗教學依賴于先進的教學儀器設備，將先進的科研設備應用到實驗教學中，既有效地將科研資源轉化為教學資源，又提高了教學內容的前沿性和時代性，讓實驗知識緊跟時代要求，使培養的人才能更好地適應行業的發展需求。在實驗課學習中通過接觸學科前沿的儀器設備，有助于挖掘學生的創新潛力，培養科研素養，形成高階的思維。

（3）關聯工程實例。在工科人才的培養中，將實驗與相關工程實例融合組織教學，不僅可以豐富教學內容，還能帶動學生學習的主動性，激發學習的興趣，引導學生積極參與討論。對進一步消化相關知識點，提高知識的綜合應用能力都起到促進作用。

3 教學改革實施

3.1 教學內容優化

（1）優化課前預習資源。巖石力學實驗涉及到實驗原理、操作步驟、計算公式等基礎性知識的內容，可以充分利用精選的網課資源，結合超星、智慧樹等學習平臺，將優化的學習資源上傳平臺供學生課前預習學習。面對海量的網課資源，學生不可能把所有的資源都學習一遍，授課教師這時就需要花時間對網課資源進行篩選，針對授課學生的特點，對篩選過的學習資源進行簡化和凝練，提取重點內容，以便學生提高學習效率。在實驗課程預習資源優化的過程中，可以通過附上儀器結構示意圖、受力分析圖、應力應變曲線圖等來幫助學生理解抽象的實驗內容，增強預習效果。

（2）深化理論知識。建立每一個巖石力學實驗相關聯的理論知識框架，例如在抗剪強度實驗的教學中，傳統的教學內容以室內直接剪切儀操作為主，為了完善學生系統的知識框架，在優化抗剪強度實驗預習資源時，加入抗剪強度的分類、抗剪強度的影響因素、剪應力的分布情況，加強實驗內容與關聯理論知識的結合，避免實驗學習與理論知識脫軌。同時還拓展加入抗剪強度室內與現場的其他測定方法的介紹，讓學生拓寬了解不同條件下獲取抗剪強度的測試方法。

項目經理部按照建設工程施工合同的要求，明確了項目三大控制和安全生產的目標，明確驗收標準，施工組織設計，施工圖預算等工作。為便于具體的施工，開展資料收集工程具體特點和施工難點分析等工作，為開工申請的順利獲批做好一切準備。

（3）延伸知識拓寬視野。在確保學生掌握基礎知識的同時，對實驗教學內容進行高階性優化，適當加入實驗相關聯的延伸知識，以拓寬學生的視野，提高能力素養和高級思維。例如在單軸壓縮實驗的內容優化中，增加普通試驗機只能產生半程壓縮曲線以及剛度對壓力試驗機影響的內容探討，強化了學生對單軸壓縮實驗的全面認知和理解，突顯學習內容的高階性。

3.2 關聯先進科研設備

高校作為開展前沿科學研究的場所集聚了一批代表科技先進水平的儀器設備，利用科研團隊研發的實驗裝備包括便攜式多功能巖石壓縮實驗儀和便攜式點荷載儀，可以開展單軸抗壓強度實驗、三軸抗壓強度實驗、點荷載實驗的教學，讓學生更直觀地理解巖石力學的重要參數：單軸抗壓強度、抗剪強度（內聚力和內摩擦角）及點荷載強度。其輕便易攜式的特性讓實驗教學可以結合工程項目在野外現場開展。將科研自主研發成果應用到教學中，進行現場采樣、測試、無線采集和傳輸數據，為學生親臨現場的參與式學習提供可能，不僅讓學生掌握了先進的測試技術方法，還了解到特定地質條件下巖石的力學性質。先進的儀器設備為交叉融合學習提供了便利條件。

3.3 關聯工程實例

考慮巖石力學實驗課具有較強的實踐性和應用性，結合實驗教學內容，走出實驗室，走出校門選取校企合作生產單位已有的工程項目地作為開展實驗教學的場地，充分利用項目場地資源，將實驗課教學與工程實例有機地結合在一起。傳統的巖石力學實驗教學在室內開展，實驗使用的試樣多為澆筑的標準巖樣，使學生對自然條件下形成的巖石缺乏客觀認識，學習內容與實際脫離，難以結合實際應用進行觸類旁通的關聯性學習。針對這一教學缺陷，利用科研團隊研發的新一代便攜式實驗儀，開展野外現場實驗教學。關聯工程項目的現場實驗教學不僅實現了實驗課由室內走向室外，還能將生產實踐與理論知識融合在一起，豐富學習內容的同時也提高了學生學習的興趣，實現了產教融合，滿足應用型人才的培養要求。

3.3.1 教學儀器設備

依托浙江省巖石力學與地質災害重點實驗室平臺，由實驗中心巖石力學團隊研發的便攜式多功能實驗儀具有便攜、智能、高效地獲取巖石力學參數的功能，方便在野外現場使用，可以密切結合工程現場組織教學。便攜式多功能實驗儀如圖2 所示。

圖2 便攜式多功能實驗儀

（1）便攜式多功能巖石壓縮實驗儀［見圖2（a）、（b）］。實驗儀可以對直徑2 ～3 cm、高度4 ～6 cm 的柱狀巖芯進行單軸壓縮試驗和三軸抗壓強度測試。對實驗試件既能進行軸向加壓，又能實現圍壓加壓。實驗樣品在實驗現場利用小型化取樣工具獲取，通過便攜式多功能巖石壓縮實驗儀進行現場試驗，同時可以利用手機軟件進行記錄分析巖石的單軸抗壓強度，巖石的黏聚力和內摩擦角的參考值。

（2）液壓式點荷載儀［見圖2（c）］。主要由實驗主機和液壓泵兩部分組成，包括實驗主機底座，油缸，下壓頭，上壓頭，固定板，螺桿，上頂板，L型架，放置板組成。儀器采用上下梁、兩邊柱加載結構與下部油壓千斤頂組合，并使用液壓泵提供動力。儀器可以對試塊施加70 kN的荷載力，適用于強度較大的巖石試件。

3.3.2 教學場地

現場實驗教學選取老鷹山石料礦山作為教學場地（見圖3），老鷹山礦區位于紹興市上虞區小越鎮東南方向，南側毗鄰上虞區驛亭鎮。由于礦區經歷了多年的露天開采，巖質邊坡大量裸露。受節理切割、長期風化剝蝕影響，局部邊坡存在崩塌危巖體，該地區巖體結構面發育，是非常適合開展巖石力學現場實驗教學的場地。老鷹山礦山邊坡現場距離學校36 km，交通便利，組織學生到現場實驗學習可以實現市內當天來回。

圖3 老鷹山礦山實驗教學場地

3.3.3 教學設計

巖石力學實驗課是為學習巖石力學理論課而開設，是邊坡工程野外地質調查工作中的重要組成部分，巖石力學實驗在工程實踐中有著廣泛的應用，對巖體的巖性、堅硬度、風化度的描述都要依賴實驗測定的力學參數作為判定依據。為直觀地讓學生了解并學習巖石力學中單軸抗壓強度、巖石的黏聚力和內摩擦角、點荷載強度這些力學參數是如何應用在邊坡工程中，結合邊坡工程現場組織開展實驗教學。首先對礦區邊坡的情況做簡要的介紹，包括現場的地形地貌、地層巖性、工程地質條件、地質剖面揭露情況以及相應結構的分布情況，讓學生初步了解礦區邊坡在不同高度上的節理發育和風化程度的差異。指出在工程項目中往往會應用巖石力學實驗測定的巖石力學參數作為工程分析和設計的判定依據，繼而引入如何通過多功能巖石壓縮實驗儀和點荷載儀測定單軸抗壓強度、巖石的粘聚力和內摩擦角、點荷載強度等力學參數，再結合現場利用地質錘敲擊、小刀刻痕、表層顏色辨別來分析判斷巖石的堅硬度、風化度，從而綜合判定邊坡巖體的力學特性。

3.3.4 教學效果

實驗教學與邊坡工程項目的關聯，使得實驗課學習與工程應用建立了緊密的聯系，通過現場實踐的應用學習，學生學會將實驗技術應用到工程實例中，真正踐行了理論聯系實際，達到了學以致用的學習目標。在現場教學的過程中，學生通過自己現場采集的巖樣進行實驗并獲取實驗數據，對結果的差異性展開討論學習，例如在礦區采集的外觀看似相同的巖樣，但測定的數據值卻差異較大，在教師的啟發引導下，通過仔細觀察實驗壓裂后的巖樣內部結構，對比發現內部存在天然裂隙［見圖4（a）］或礦物成分填充的巖樣［見圖4（b）］的強度會低于內部沒有裂隙或礦物填充的巖樣。學生在現場實驗操作學習的過程中表現出濃厚的學習興趣，積極參與現場討論，掌握測定巖石力學參數方法的同時，也進一步理解巖石的力學特性與邊坡現場工程地質條件的聯系。教學內容更貼近實際，深度得到了延伸，體現了實用性和前沿性。在教學形式上突破以往局限在室內實驗機上的教學，實現了在野外現場結合工程實例的教學創新。

圖4 教學現場采集的天然凝灰巖巖樣

4 課程思政

（1）實驗教學改革使用到的儀器設備是經過科研團隊多次更新換代研發出的便攜式多功能實驗儀，只有客觀認識到現有實驗儀器設備的不足，才能對其進行改進和二次開發，研發出功能齊全、應用性能更廣的科研設備。這說明否定是事物發展的環節，只有經過否定，舊事物才能向新事物轉變。

（2）儀器研發設備是團隊力量支持和時間打磨的成果，需要集眾人之力，在付出大量的時間和精力后才能錘煉出一款優秀的產品。

（3）學習的過程就像巖石風化的過程一樣，是時間積累形成的結果，學習是知識日積月累的一個過程，只有腳踏實地做好專業知識的積累，才能為將來參與科研或從事生產工作提供扎實可靠的專業基礎。

5 結 語

巖石力學實驗課除了掌握基礎的巖石力學測試技術與方法，還要學會運用實驗方法解決實際工程問題。在開展現場實驗教學的過程中，注重將實驗內容與相關理論知識點建立緊密的聯系，引導學生學習實驗的過程中對知識進行關聯整合，建立系統的知識體系；將前沿的科研設備與實驗教學相關聯，有效地將科研資源轉化為優質的教學資源；把相關聯的工程案例引入實驗教學中，理論聯系實際，既豐富了課程內容，也加強了課程學習深度，知識傳授與能力培養的有機結合，達到學以致用的終極目標。

關聯性教學的實施在前期需要教師付出大量的時間精力做準備，包括教學資源優化、工程案例選擇與匹配、場地選取以及關聯教學內容的整合，對現場教學的組織需要做好科學合理的安排。關聯性教學的開展是巖石力學實驗教學改革具有創新性的一次探索，在保持實驗教學的基礎性、科學性、先進性的前提下，引導學生在現場積極地探索和發現，培養學生的研究能力和實際應用能力，為未來的實驗教學改革提供了新思路、新方向。