巖石力學(xué)課程實(shí)踐性教學(xué)改革探討年

摘要：為適應(yīng)我國土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)和教學(xué)改革的需要，針對土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課——巖石力學(xué)課程的教學(xué)特點(diǎn)，擬拓展實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，增加巖石力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)及現(xiàn)場教學(xué)兩個部分，構(gòu)建集理論教學(xué)、物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)、現(xiàn)場教學(xué)于一體的巖石力學(xué)綜合教學(xué)模式，以期推動巖石力學(xué)課程實(shí)踐性教學(xué)邁上一個新臺階。

關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；物理實(shí)驗(yàn)；數(shù)值試驗(yàn)

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

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施和西南地區(qū)高壩建設(shè)的興起，傳統(tǒng)的巖石力學(xué)課程理論教學(xué)及授課內(nèi)容已經(jīng)無法滿足工程界對巖石力學(xué)知識的熱切需求，亟待開展《巖石力學(xué)》課程的教學(xué)改革。筆者基于近幾年講授土木工程專業(yè)本科生巖石力學(xué)課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與體會，并結(jié)合國內(nèi)其他高校巖石力學(xué)教學(xué)研究所取得的一些成果[1-5]，提出我校大學(xué)生《巖石力學(xué)》課程實(shí)踐性教學(xué)改革的總體構(gòu)想，即集成物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)、現(xiàn)場教學(xué)于一體的巖石力學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)，以期推動巖石力學(xué)課程實(shí)踐性教學(xué)邁上一個新臺階。

一、巖石力學(xué)課程實(shí)踐性教學(xué)改革的必要性

巖石力學(xué)是運(yùn)用力學(xué)方法與地質(zhì)學(xué)原理來研究巖石與巖體的力學(xué)行為的一門新興科學(xué)，也包括研究巖體在各種力場作用下的變形與破壞規(guī)律的理論及其實(shí)際應(yīng)用的科學(xué)[1]。它涉及到巖石的物理性質(zhì)、拉壓剪等強(qiáng)度特性、與時間有關(guān)的流變特性、巖石的單軸和三軸變形特性、巖石的動力學(xué)特性、巖石的各向異性本構(gòu)關(guān)系、巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)、由結(jié)構(gòu)面與巖石塊體包圍的巖體的力學(xué)特性、巖體不連續(xù)面的滲流性質(zhì)、地應(yīng)力環(huán)境、巖體力學(xué)中的各類數(shù)值方法、巖石力學(xué)涉及的各類工程問題，包括地下空間與地下工程開發(fā)、地基（含壩基）、巖質(zhì)高邊坡（含擋墻及加固體系）等的整體穩(wěn)定性與變形破壞問題等[1-3]。顯然，巖石力學(xué)的研究對象不同于一般的材料，它是非均質(zhì)各向異性、含有多組結(jié)構(gòu)面組合的非連續(xù)介質(zhì)，其力學(xué)行為復(fù)雜多變，導(dǎo)致依托在這一地質(zhì)體上的各類巖石工程（如巖質(zhì)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(fù)雜。正是由于巖石或巖體的復(fù)雜性及特殊性，巖石力學(xué)服務(wù)的各類工程目前還是以工程經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)與監(jiān)測為主，理論指導(dǎo)為輔，這給巖石力學(xué)課程的實(shí)踐性教學(xué)改革創(chuàng)造了條件、提供了難得的機(jī)遇。在理論教學(xué)基礎(chǔ)上強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)，通過參與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和野外實(shí)踐，采用工程實(shí)用化或經(jīng)工程檢驗(yàn)后的理論方法開展大規(guī)模計(jì)算分析和工程實(shí)例研究，構(gòu)建集理論、實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐于一體的綜合教學(xué)改革，使學(xué)生既儲備較好的理論基礎(chǔ)，又具有較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)踐能力，從而培養(yǎng)出具備解決復(fù)雜巖石力學(xué)問題的高端技術(shù)人才。從這個意義上說，開展巖石力學(xué)課程的實(shí)踐性教學(xué)改革是十分必要的。

二、巖石力學(xué)課程實(shí)踐性教學(xué)改革的主要內(nèi)容

增加室內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，并結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)例教學(xué)，探索適合現(xiàn)代巖石力學(xué)發(fā)展的新型實(shí)踐性教學(xué)方法。

1.增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊環(huán)節(jié)。目前我校大學(xué)生巖石力學(xué)課程教學(xué)主要是理論教學(xué)為主（32學(xué)時），強(qiáng)化書本理論知識的學(xué)習(xí)，尚未安排實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。通過本課程的多年課堂理論教學(xué)，結(jié)合本課程經(jīng)驗(yàn)性、應(yīng)用性較強(qiáng)的突出特點(diǎn)，擬改革現(xiàn)有教學(xué)方式，增設(shè)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)（模塊I），包括4個室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，即巖石吸水性實(shí)驗(yàn)、飽和單軸抗壓實(shí)驗(yàn)、點(diǎn)載荷抗拉實(shí)驗(yàn)3個驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和1個巖石剪切實(shí)驗(yàn)演示項(xiàng)目。這4個室內(nèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（模塊I）為巖石力學(xué)特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)，擬規(guī)劃6學(xué)時教學(xué)內(nèi)容，其中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)占4個學(xué)時，綜合實(shí)驗(yàn)和演示項(xiàng)目占2個學(xué)時，由學(xué)生先熟悉實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)步驟，再由教師指導(dǎo)，完成實(shí)驗(yàn)；同時實(shí)驗(yàn)室對學(xué)生也實(shí)行開放，鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生課后自己設(shè)計(jì)并開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

2.增加數(shù)值試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)踐教學(xué)把培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能放在首位，虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，動手與動腦相結(jié)合。考慮學(xué)生人數(shù)的增加，實(shí)驗(yàn)場地、儀器設(shè)備、巖塊樣品不足等矛盾，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真相結(jié)合，開展模塊Ⅱ教學(xué)，即增加數(shù)值模擬演示實(shí)驗(yàn)2學(xué)時。應(yīng)用大型數(shù)值分析軟件ABAQUS進(jìn)行巖石力學(xué)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。由于巖石破裂過程現(xiàn)象的復(fù)雜性和巖石介質(zhì)的復(fù)雜性，在模塊Ⅰ的巖石力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生很難通過大量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)看到巖石破壞的各種類型的復(fù)雜現(xiàn)象。利用引進(jìn)并二次開發(fā)的ABAQUS程序，增加模塊Ⅱ的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，對巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輔助教學(xué)，使學(xué)生參與教學(xué)活動的主動性、創(chuàng)造性大為增強(qiáng)。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)對巖石的變形與破裂過程進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，不僅具有通用性強(qiáng)、方便靈活、具有可重復(fù)性等特點(diǎn)，而且可以通過數(shù)值試驗(yàn)得到許多在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中難以觀測的重要信息，作為巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充，達(dá)到巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)的目的。但模塊Ⅱ數(shù)值試驗(yàn)的應(yīng)用并不能完全取代模塊Ⅰ的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。這是因?yàn)閿?shù)值試驗(yàn)時仍然需要提供巖石的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)等信息，而且只有在證明數(shù)值試驗(yàn)方法正確的基礎(chǔ)上才能使用它進(jìn)行巖石力學(xué)的數(shù)值試驗(yàn)。此外，巖石力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)也可完成復(fù)雜巖石塊體的變形破壞過程的數(shù)值仿真。

3.預(yù)設(shè)工程問題教學(xué)模式?？紤]到巖石力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)方法在解決巖石力學(xué)問題時具有通用性強(qiáng)、可重復(fù)性等特點(diǎn)，感興趣的學(xué)生可以在任課教師的指導(dǎo)下，在課程開設(shè)初期（如5周內(nèi)）就擬定一個自己感興趣、與巖石力學(xué)與工程緊密相關(guān)的數(shù)值計(jì)算課題，帶著問題進(jìn)行課程學(xué)習(xí)。課程的每個環(huán)節(jié)都使學(xué)生對問題的認(rèn)識更深入一步，當(dāng)專業(yè)知識和數(shù)值計(jì)算知識儲備到達(dá)一定程度后，即可開展數(shù)值試驗(yàn)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(xué)生答疑解惑，或一些共性問題可在課堂適當(dāng)講解，從而輔助學(xué)生完成預(yù)設(shè)的各類工程問題，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。

4.結(jié)合工程案例的現(xiàn)場實(shí)踐性教學(xué)。實(shí)踐性教學(xué)的核心應(yīng)是開展現(xiàn)場教學(xué)，將課堂教學(xué)與實(shí)際工程緊密結(jié)合，從而升華理論知識、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真成果。針對本課程的實(shí)用化特點(diǎn)及課堂教學(xué)進(jìn)展?fàn)顩r，選擇有代表性的巖石工程作為典型教學(xué)案例進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)，適時邀請現(xiàn)場的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人就工程案例進(jìn)行詳細(xì)講解，包括可能遇到的各類巖質(zhì)邊坡工程、巖石地基工程、地下空間與地鐵工程等，從而增強(qiáng)課程學(xué)習(xí)的針對性、提高學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題的能力。

三、結(jié)束語

通過上述建設(shè)，將豐富我校大學(xué)生巖石力學(xué)課程的實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容，使其充分兼顧理論、實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真、現(xiàn)場實(shí)踐三個方面。在此基礎(chǔ)上，凝練巖石力學(xué)課程實(shí)踐性教學(xué)改革的創(chuàng)新手段與特色教學(xué)方法，推動本科巖石力學(xué)課程實(shí)踐性教學(xué)改革的深入發(fā)展。

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基金項(xiàng)目：大連理工大學(xué)教育教學(xué)改革實(shí)踐教學(xué)專項(xiàng)和研究生教學(xué)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(xué)土木工程學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程的教學(xué)和研究。endprint