新工科建設(shè)背景下“巖石力學(xué)”課程教學(xué)探索

[基金項(xiàng)目]2021年度本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“四新”建設(shè)研究專項(xiàng)“面向新工科的土木工程城市地下空間工程方向課程體系構(gòu)建研究”（JG2021059）；2021年度本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目培養(yǎng)模式研究專項(xiàng)“融合信息技術(shù)的土木工程專業(yè)裝配式結(jié)構(gòu)領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系研究與構(gòu)建”（JG2021013）

[作者簡(jiǎn)介]（1991—），女，安徽毫州人，博士，副教授，主要從事巖石工程抗震理論研究;劉文化（1987—），男，江西吉安人，博士，副教授（通信作者），主要從事巖土工程與工程材料研究;王如賓（1979—），男，山東聊城人，博士，河海大學(xué)副教授，主要從事巖石力學(xué)與工程研究。

[中圖分類號(hào)]G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A [文章編號(hào)]1674-9324（2025）31-0105-04 [收稿日期］2024-09-06

“巖石力學(xué)”是土木工程、水利工程、采礦工程等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，是一門知識(shí)理論與工程實(shí)踐緊密結(jié)合的課程。隨著我國(guó)大型工程以及公路鐵路等的建設(shè)，“巖石力學(xué)”所涉及的內(nèi)容日益豐富，新理論、新技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。因此，如何優(yōu)化傳統(tǒng)“巖石力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，如何結(jié)合前沿理論與技術(shù)探索完善教學(xué)體系，以培養(yǎng)適應(yīng)新的經(jīng)濟(jì)社會(huì)需求的專業(yè)人才，是教育工作者所面臨的重要問題。

隨著我國(guó)信息技術(shù)和現(xiàn)代教育手段的迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出豐富的線上教學(xué)資源、新的教學(xué)手段和理念[2]。在新工科建設(shè)背景下，培養(yǎng)基礎(chǔ)理論扎實(shí)、實(shí)踐創(chuàng)新能力強(qiáng)、具有分析和解決實(shí)際工程問題能力的面向未來的復(fù)合型人才是其中的重要理念[3]。課程教學(xué)作為人才培養(yǎng)中的重要環(huán)節(jié)，也應(yīng)順應(yīng)時(shí)代信息化發(fā)展的趨勢(shì)，探索線上線下混合式教學(xué)模式，注重提升學(xué)生興趣，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主人翁意識(shí)，以期提高“巖石力學(xué)”課程教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)。

一、“巖石力學(xué)”課程的教學(xué)要求與人才培養(yǎng)目標(biāo)

土木工程專業(yè)有城市地下空間工程方向，“巖石力學(xué)”是該方向的專業(yè)核心課程之一，課程內(nèi)容涉及巖石的物理力學(xué)基本理論與巖石工程應(yīng)用。本課程要求學(xué)生掌握巖石（體）介質(zhì)的基本物理性質(zhì)，掌握巖石強(qiáng)度特性、變形特性和巖石（體）工程分類方法，熟悉“巖石力學(xué)”常用實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段；掌握巖石地基、巖石邊坡和巖石地下洞室圍巖等工程的穩(wěn)定性分析方法、基本設(shè)計(jì)方法以及加固方法；幫助學(xué)生提高分析與解決實(shí)際工程問題的能力，為從事專業(yè)技術(shù)工作或進(jìn)行科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。

二、課程建設(shè)的難點(diǎn)問題

（一）知識(shí)體系復(fù)雜，工程背景較強(qiáng)

在“巖石力學(xué)”課程之前，本校土木工程專業(yè)城市地下空間工程方向本科生已經(jīng)學(xué)習(xí)了如“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”和“水力學(xué)”等基礎(chǔ)力學(xué)課程，以及土力學(xué)這一應(yīng)用力學(xué)課程。“巖石力學(xué)”課程研究對(duì)象和研究?jī)?nèi)容復(fù)雜，且具有較強(qiáng)工程實(shí)踐性，與這些已學(xué)力學(xué)課程相比，既有更大難度，也有很大區(qū)別。若教師平鋪直敘地介紹各種理論、方式方法，容易使學(xué)生抓不住重點(diǎn)，學(xué)習(xí)過程枯燥乏味，一步跟不上就步步跟不上。

（二）教學(xué)模式單一，學(xué)習(xí)效果較差

“巖石力學(xué)”課程以巖石（體）的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)（強(qiáng)度和變形）相關(guān)理論和試驗(yàn)方法為基礎(chǔ)，涉及巖石地下工程、邊坡工程和地基工程的安全性評(píng)估與設(shè)計(jì)方法，要求學(xué)生具備分析和解決復(fù)雜巖石工程問題的能力。然而，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)采用教師講授、學(xué)生聽講的方式，導(dǎo)致學(xué)生注意力不集中、課堂氣氛沉悶，對(duì)于力學(xué)基礎(chǔ)不扎實(shí)的學(xué)生，他們可能很快就失去了學(xué)習(xí)信心，這更是遏制了學(xué)生學(xué)習(xí)和思考的積極性，從而造成教師在講臺(tái)上慷慨激昂，學(xué)生在教室里昏昏欲睡的現(xiàn)象。

三、課程教學(xué)改革探索

針對(duì)上述問題，基于新工科建設(shè)背景下該行業(yè)對(duì)人才的需求現(xiàn)狀，本文結(jié)合本校“巖石力學(xué)”課程的教學(xué)實(shí)際，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考核方式等幾個(gè)方面開展了探索與實(shí)踐。

（一）課程內(nèi)容優(yōu)化，理論聯(lián)系實(shí)際

課程中的知識(shí)點(diǎn)都來自巖石工程實(shí)際問題，因此教師在教學(xué)內(nèi)容上結(jié)合實(shí)際工程案例引出問題，利用生活化的語言趣解知識(shí)點(diǎn)，最后再將課堂所學(xué)知識(shí)回歸實(shí)際工程，將有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，深化他們對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，改善學(xué)習(xí)效果。

1.經(jīng)典案例引出問題，激活思考。“巖石力學(xué)”中的基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)方法大多來源于工程建設(shè)、施工及運(yùn)行維護(hù)等全過程面臨的巖石變形、強(qiáng)度以及長(zhǎng)期運(yùn)行安全性問題。“巖石力學(xué)”及工程經(jīng)過近百年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外都保存了大量工程案例記錄。實(shí)際案例要遠(yuǎn)比書本上的理論和公式更具有吸引力，更容易引發(fā)學(xué)生思考。比如，金沙江白鶴灘水電站工程是當(dāng)今世界在建規(guī)模最大、技術(shù)難度最高的水電工程。其中建設(shè)面臨的難點(diǎn)問題之一是壩基存在大量的柱狀節(jié)理玄武巖，這種巖體形態(tài)與普通認(rèn)知的完整巖塊不同。以這種富含節(jié)理的巖體作為壩基，能否維持大壩穩(wěn)定？在設(shè)計(jì)施工中又面臨哪些難點(diǎn)問題？教師通過這一案例激發(fā)學(xué)生關(guān)于巖體強(qiáng)度、壩基穩(wěn)定性的影響因素與評(píng)價(jià)以及壩基處理等方面問題的興趣，引發(fā)他們的思考。

2.趣解知識(shí)深入淺出，幫助理解。“巖石力學(xué)”雖然是一門力學(xué)類理論課，但與“材料力學(xué)”等課程相比，它具有極強(qiáng)的實(shí)踐性，對(duì)于剛開始學(xué)習(xí)專業(yè)課的本科生來說仍有一定難度。其實(shí)生活中富含力學(xué)原理，如果教師用生動(dòng)的生活趣事來解讀陌生的理論知識(shí)，將極大地幫助學(xué)生理解。以利用巴西劈裂試驗(yàn)測(cè)試巖石的抗拉強(qiáng)度為例，這是一種通過施加壓力而使巖石發(fā)生受拉破壞的試驗(yàn)。在日常生活中，開核桃一般使用專用鉗子夾，核桃被夾開裂的部位往往都是受拉破壞。再比如，松弛是指在應(yīng)變恒定的情況下，巖石的應(yīng)力隨時(shí)間而減少的現(xiàn)象。生活中愛穿松緊腰褲子的學(xué)生可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，穿久了以后哪怕褲子腰圍沒有變，但是松緊帶的張力大小會(huì)遠(yuǎn)不如新褲子，也就是松緊帶發(fā)生了松弛現(xiàn)象。

3.理論知識(shí)落地實(shí)踐，強(qiáng)化應(yīng)用。“巖石力學(xué)”課程具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，課程中的知識(shí)也是用于解決實(shí)際工程問題的基礎(chǔ)。然而，為方便知識(shí)點(diǎn)講解，教材中提供的圖解或示意圖大多是理想化的，與實(shí)際巖石試驗(yàn)所得曲線有較大差距。比如，教材中巖石的三軸壓縮試驗(yàn)曲線包含光滑完整的四個(gè)階段，但在實(shí)際不同性質(zhì)的巖石中，應(yīng)力應(yīng)變曲線可能存在較大差異。再比如，在實(shí)際的巖石試驗(yàn)中，我們常進(jìn)行分級(jí)加載直至巖石試樣發(fā)生蠕變破壞（如圖1所示），這與教材中示例的光滑曲線不同。

圖1角礫熔巖軸向流變?cè)囼?yàn)曲線（圍壓8MPa）

因此，將“巖石力學(xué)”課程中的理論知識(shí)對(duì)接工程實(shí)踐，既能幫助學(xué)生理解知識(shí)內(nèi)容，又能為學(xué)生畢業(yè)后開展工程實(shí)踐工作或從事科研工作做好鋪墊。

（二）教學(xué)模式探索，激發(fā)學(xué)生興趣

積極結(jié)合線上教學(xué)資源，輔助學(xué)生完成課程內(nèi)容的課前預(yù)習(xí)及課后復(fù)盤，將有助于改善學(xué)生被動(dòng)接受式學(xué)習(xí)現(xiàn)狀。

1.線上線下混合式教學(xué)模式。在新工科建設(shè)背景下，隨著“互聯(lián)網(wǎng) + 教育”的發(fā)展，多種多樣的線上教學(xué)資源也越來越豐富[4]。因此，為提高課堂授課效率，可提前在教學(xué)空間上傳相關(guān)知識(shí)點(diǎn)、重點(diǎn)難點(diǎn)問題解析等精品視頻教學(xué)資源，采用“先學(xué)后教”的模式[5]。這些資源既可供主動(dòng)性強(qiáng)的學(xué)生課前預(yù)習(xí)使用，當(dāng)學(xué)生上課沒有完全聽懂時(shí)又可供復(fù)習(xí)使用。對(duì)于缺乏“巖石力學(xué)”試驗(yàn)設(shè)備的高校，在講授巖石基本力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)時(shí)，教師可在教學(xué)空間上傳基本力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，設(shè)置思考題，并在上課時(shí)通過提問或研討，檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

2.專題研討翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。傳統(tǒng)線下課堂教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)是知識(shí)點(diǎn)密度高。然而，教學(xué)過程中師生互動(dòng)少，學(xué)生的參與感低，容易失去學(xué)習(xí)熱情。因此，教師在講解完理論內(nèi)容后，針對(duì)相關(guān)工程實(shí)踐問題，邀請(qǐng)學(xué)生分組研討，分析主要影響因素，并分別預(yù)測(cè)采取和不采取措施的情況下，案例中的巖石工程會(huì)有怎樣的變形趨勢(shì)以及破壞模式。一方面，學(xué)生為了準(zhǔn)備解決方案需要主動(dòng)集中精力，增強(qiáng)主角意識(shí)；另一方面，這也切實(shí)考查了學(xué)生的學(xué)習(xí)成果以及針對(duì)復(fù)雜實(shí)際工程的分析能力和問題解決能力。

四、教學(xué)效果評(píng)價(jià)

“巖石力學(xué)”課程在采用上述教學(xué)改革方案后，從學(xué)生課堂表現(xiàn)、期末考試成績(jī)以及學(xué)生評(píng)價(jià)這幾個(gè)方面看，都有顯著效果。

（一）課堂參與情況

教師采用線上線下混合式教學(xué)，學(xué)生可以提前在教學(xué)空間查看相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)視頻，從而在課堂教學(xué)中更容易理解重難知識(shí)點(diǎn)，也更能從學(xué)習(xí)中獲得成就感，形成正循環(huán)。教學(xué)改革方案實(shí)施后，學(xué)生回答隨堂提問的主動(dòng)性顯著提高，很多問題剛表述完，就已經(jīng)有學(xué)生說出了答案或想法；此外，學(xué)生回答隨堂提問的正確率也越來越高，獲得正面評(píng)價(jià)后，他們也更愿意積極參與課堂。通過采用專題研討模式，學(xué)生彼此之間有了更多交流，合作意識(shí)加強(qiáng)，并更加熟練掌握相關(guān)知識(shí)。從學(xué)生針對(duì)專題提出的方案可見，他們對(duì)實(shí)際問題分析的合理性和全面性也較好。

（二）成績(jī)分析

“巖石力學(xué)”課程改革方案實(shí)施后，學(xué)生的課堂參與度提高了，相應(yīng)地取得了較好的學(xué)習(xí)效果。通過多種方式優(yōu)化課程內(nèi)容，將艱澀難懂的知識(shí)轉(zhuǎn)換成生活化、有趣味的語言；通過實(shí)際工程案例幫助學(xué)生理解巖石工程的重要性、了解實(shí)際問題的復(fù)雜性，以及掌握課程理論知識(shí)在實(shí)際問題中的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。線上有針對(duì)性的教學(xué)資源，能加深學(xué)生對(duì)知識(shí)體系的認(rèn)知；線下課堂教學(xué)與專題研討也幫助學(xué)生理解了重難點(diǎn)內(nèi)容。學(xué)生在期末考試中，平均成績(jī)?yōu)?8分，其中90分以上優(yōu)秀成績(jī)占比36% ， 70～89 分中部分?jǐn)?shù)段占比 57% ， 60～69 分及格成績(jī)僅占 7% ，可見改革效果整體較好。

（三）學(xué)生評(píng)教

期末評(píng)教是獲得學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容安排、教學(xué)方法等方面評(píng)價(jià)的好途徑。在該學(xué)期的學(xué)生評(píng)教中，收到有內(nèi)容的評(píng)價(jià)超過 86% ，其中關(guān)于課程和授課教師的正面評(píng)價(jià)占比 100% ，學(xué)生評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)在學(xué)院中排名前 5.00% 。可基于此檢驗(yàn)教學(xué)改革成效，并輔助開展進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)踐。

通過本次課程內(nèi)容優(yōu)化，教師在期末學(xué)生評(píng)教中取得廣泛好評(píng)，如“對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的講解貼合學(xué)生，通過生活中的例子做比喻加深我們的理解”等。另外，教師通過實(shí)踐線上線下混合式教學(xué)，補(bǔ)充和擴(kuò)展知識(shí)點(diǎn)以及相關(guān)學(xué)習(xí)視頻，也有助于學(xué)生獲得更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。最后，在課程改革實(shí)踐的過程中，學(xué)生感受到了被重視、被理解，比如“關(guān)注學(xué)生狀態(tài)，重點(diǎn)講解清晰”“注重學(xué)生個(gè)體差異”，從而激發(fā)了學(xué)生更多的學(xué)習(xí)動(dòng)力，形成學(xué)生和教師高瀕交流、相互信任的局面，進(jìn)而取得更好學(xué)習(xí)效果的正向循環(huán)，（見圖2所示）。

結(jié)語

“巖石力學(xué)”課程是土木工程專業(yè)城市地下空間工程方向的專業(yè)基礎(chǔ)課，在以適應(yīng)土木工程工業(yè)化、信息化和綠色化發(fā)展為導(dǎo)向的新工科培養(yǎng)理念下，課程的創(chuàng)新性教學(xué)探索與改革勢(shì)在必行。本文探討了“巖石力學(xué)”課程在內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)模式探索等方面的現(xiàn)狀與改進(jìn)措施，并基于學(xué)生課堂參與情況、考核成績(jī)分析以及學(xué)生評(píng)教等方面開展改革效果分析。結(jié)果表明，教學(xué)改革方案堅(jiān)持以學(xué)生為中心的人才培養(yǎng)理念，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性以及課堂參與度，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

圖2學(xué)生評(píng)教系統(tǒng)截圖

參考文獻(xiàn)

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Teaching Exploration of Rock Mechanics in the Construction of Emerging Engineering Education： Taking the Civil EngineeringMajor ofJiangnan University asan Example YANG Lan-lan1，LIU Wen-hual，WANG Deng-feng1，WANG Ru-bin2

（1.SchoolofMechanicalEngineering，JiangnanUniversity，Wuxi，Jiangsu 214122，China;2.College ofCivil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing， Jiangsu 21oo98，China）

Abstract： Rock Mechanics，due to its strong engineering background，cannot meet the social demand for talents n this field under the backgroundof the construction of Construction of Emerging Enginering Education if traditional classroom teaching mode is adopted.This study analyzes the main difficulties in theconstructionof rock mechanics courses，and proposes reform measures from two aspects： course content optimization and teaching mode reform based on the current situation of civil engineering course at Jiangnan University.The reform effct is evaluated through classroom participation，final assessment，and student evaluation.Theresults indicate that the exploration ofcuriculum reform works well，not only completing the online and ofline teaching resources of thecourse，butalsogreatly increasing students’interest inlearning，cultivating theirability tosolvecomplex enginering problems，and achieving good leaming results.This can provide ideas for the reformand exploration of rock mechanics related courses.

Key words： Rock Mechanics; case-based teaching; mixed teaching; education and teaching reform