以需求為導向的研究生教學改革探索

薛亞東 黃宏偉 李元白 張森

摘要：研究生專業(yè)課教學是研究生階段能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，如何提升教學質量，滿足社會快速發(fā)展的用人需求，是需要探索解決的重要課題。隨著隧道工程、橋梁工程、港口水利工程和地質工程等行業(yè)的飛速發(fā)展，工程建設趨向于深地層與大規(guī)模，對從業(yè)者應用巖石力學理論知識解決實際工程問題提出了新挑戰(zhàn)，同時對研究生教育提出了更高的要求。高等巖石力學課程作為一門理論與實踐緊密結合的專業(yè)基礎課程，在研究生專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)過程中占有舉足輕重的位置。通過分析高等巖石力學課程的教學特點與現(xiàn)存問題，考慮工程實踐、研究生培養(yǎng)及教育改革等實際需求，提出針對課程教學改革的指導思路與實際舉措。在同濟大學建筑與土木工程專業(yè)研究生高等巖石力學課程中進行教改實踐，取得了較好的效果，可為今后研究生課程教學改革提供借鑒。

關鍵詞：需求導向;教學改革;高等巖石力學;研究生教育

中圖分類號：G643.2?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2022）03-0081-08

隨著地下工程的飛速發(fā)展，對深埋地層的探索逐漸成為一種發(fā)展趨勢。由于復雜的巖體工程條件，深埋地下工程的建設面臨更為嚴峻的挑戰(zhàn)。如何有效開挖地層，計算分析地下巖體結構的穩(wěn)定性，保障地下工程的安全性與經(jīng)濟性，實現(xiàn)項目工程的全壽命周期管理，抵抗自然災害（地震）等，解決這些問題需要相關建設者扎實的專業(yè)素養(yǎng)與豐富的工程建設經(jīng)驗。已有研究通過理論與實踐相結合的方式，對深埋地下工程的施工進行了探索。例如，陳炳瑞等[1]通過實驗研究了西南地區(qū)某深埋隧道花崗巖的破壞模式、機制及前兆特征，研究結果對于西南地區(qū)花崗巖巖爆發(fā)生機制的認知、預警以及防治具有重要意義。薛翊國等[2]指出川藏鐵路沿線地質復雜，在高地應力、高地溫、高滲壓及動載荷多場耦合作用下，隧道內軟巖大變形和巖爆災害機制具有特殊性和復雜性。任洋等[3]通過研究川藏鐵路雅安至新都橋段地應力特征，發(fā)現(xiàn)隧道在圍巖條件較好時易發(fā)生巖爆，圍巖較差時會發(fā)生大變形。周建等[4]研究了深埋隧道復合式襯砌荷載的分布規(guī)律及其形成原因，為山嶺深埋隧道支護設計提供了一定參考。謝和平等[5]探究不同賦存深度原位環(huán)境對巖石物理力學行為影響的差異性規(guī)律。

高等巖石力學是隧道、橋梁、水利、采礦等工程專業(yè)研究生的重要專業(yè)基礎課[6]，該課程內容涉及建筑施工、隧道開挖、橋梁建造、防災減災、環(huán)境治理、礦物開采等基礎設施建設領域[7]。目前，高等巖石力學課程教學僅停留在傳統(tǒng)教學模式上， “填鴨式”灌輸知識，導致學生在學習過程中缺乏主觀能動性，很難達到理想的教學培養(yǎng)目標。

隨著“一帶一路”政策持續(xù)推進，一大批基礎設施建設項目即將開展，對巖土工程專業(yè)人才的需求將進一步增加，對人才的要求將進一步提高[8-9]，而高等巖石力學課程在教學上的局限性與實際工程建設人才需求的矛盾也將愈演愈烈。

研究生教育是國家培養(yǎng)科技人才的重要環(huán)節(jié)，承擔為實際工程輸送大量優(yōu)秀人才的責任。土木工程專業(yè)的研究生一方面需要掌握扎實的理論基礎，一方面需要將理論與實踐相結合，培養(yǎng)應用理論知識解決實際工程問題的能力?，F(xiàn)代工程建設的快速發(fā)展，對高等巖石力學課程提出了新的教學要求，傳統(tǒng)的教學方式難以滿足“教”與“學”的時代要求，難以達到對研究生的培養(yǎng)要求。因此，作為巖土及地下工程專業(yè)研究生的重點專業(yè)基礎課，高等巖石力學課程的教學改革勢在必行[10]。

重大地下工程的建設亟需高精尖巖土工程專業(yè)人才，應用高等巖石力學理論知識分析解決實際地下工程問題的能力逐漸成為一種用人標準。結合筆者多年來高等巖石力學教學經(jīng)驗，分析目前高等巖石力學教學中存在的問題，以需求為導向提出具體的教學改革建議與措施，并進行初步的教學改革嘗試，取得了良好的教學改革效果，可為相關課程的教學改革提供參考。

一、分析教學問題——深入淺出

（一）課堂教學課時緊張

研究生的基礎課程學習時間較短，課堂所學的知識有限。在同濟大學建筑與土木工程專業(yè)研究生的培養(yǎng)計劃中，高等巖石力學課程約36節(jié)。在這么短的教學時間內，卻有著繁重的教學任務。這種矛盾導致教師為完成既定的教學目標，只能在課堂上快速講授晦澀難懂的知識點，不關心學生是否理解。這種教學方式忽略了學習本身應遵循“循序漸進、主次分明”的特點，最終演變成“填鴨式、灌輸式”的教學模式，導致教師教得累、學生學得累，難以形成“教與學”的良性互動。少量教學課時和大量繁雜知識的矛盾只是該問題的表象，其根源在于傳統(tǒng)培養(yǎng)理念與社會人才需求之間的矛盾。在土木工程專業(yè)教學中，教學培養(yǎng)的理念依然傳統(tǒng)陳舊，課程設置的方式依然固化呆板，課堂教學的方法依然老套單調。學生通過有限課堂時間學習的知識繁雜而晦澀，難以與實際工程相結合，當面對具體的工程問題時，難以給出合理的解決措施。上述提及的問題只是教學實踐中的冰山一角，傳統(tǒng)教學理念與現(xiàn)代人才需求之間的矛盾將愈演愈烈。

重大深埋工程在建設過程中會遇到很多棘手的工程問題，扎實的高等巖石力學理論知識是分析解決這類難題的基礎，這是現(xiàn)代地下工程對從業(yè)者能力的新需求。黃宏偉等[11]研究認為，土木工程項目綜合協(xié)調和組織管理能力、在土木工程設計/施工/管理中的溝通及協(xié)作能力、應對工程突發(fā)事件和工程風險管理能力和相關專業(yè)的基本常識四項專業(yè)能力培養(yǎng)急需加強。

針對課堂教學課時緊張的問題，從現(xiàn)代工程建設的實際需求出發(fā)，合理優(yōu)化培養(yǎng)方案與課堂教學模式，提高課堂趣味性與教學質量，讓學生真正融入教學過程中。

（二）實驗教學方法落后

高等巖石力學課程仍以課本為核心教學材料，以課堂講授為主要教學形式。高等巖石力學是一門理論與實踐高度結合的課程，脫離實驗教學會導致紙上談兵、閉門造車，且傳統(tǒng)實驗教學亦存在多種限制與不足，實驗教學改革也是大家關注的改革重點之一[12-13]。

目前，實驗教學主要有兩種形式：一是室內力學實驗，這是一種間接的工程實踐，以教師演示、學生觀察為主，而學生親自動手參與的機會較少;二是工程現(xiàn)場參觀，這是更為直接的工程實踐，但過程中卻存在走馬觀花、浮于表面的現(xiàn)象?？傮w而言，前者易于開展，但實踐效果不理想，實驗報告流于形式，學生難以對實際工程有整體認識;后者可給學生直觀的工程體驗，但存在時間安排、安全管理、現(xiàn)場講解等各方面的實際問題。一言以蔽之，這兩項實驗教學方式都存在局限性。對于重大地下工程項目，無論是前期勘探鉆孔，還是施工階段鉆芯取樣，都需要專業(yè)人員對操作流程的整體把握，根據(jù)掌握的理論知識分析結果，以此判斷圍巖特性，及時調整掘進方案，避免工程事故的發(fā)生，降低施工風險和成本，提高施工效率?，F(xiàn)代地下工程中的一些難題甚至需要根據(jù)實際情況自行設計解決方案，對高精尖工程技術人才提出了更高的要求。

針對教學方法落后的問題，對實驗方式進行改革，以達到實驗教學目的：1）深入理解巖土工程的機理與本質，由于巖土體物理、力學性質的復雜性，不通過細致的實驗，難以理解巖土體的本構關系及屈服準則;2）提高學生的實踐水平，避免學生只懂理論而不懂實踐，理論應為實踐服務。通過實驗教學讓學生把課本上學到的知識轉變?yōu)榭捎糜诠こ虒嵺`的能力;3）培養(yǎng)學生解決問題的能力?，F(xiàn)代工程的極限不斷突破，大量的工程問題亟待解決，對工程師解決問題的能力也提出了更高的要求，因此，高等巖石力學課程實驗教學也需要進行相應改革。

（三）被動灌輸?shù)膫鹘y(tǒng)教學方式

即使各高校正積極推動課程教學從“被動學習”向“主動學習”轉變，但“被動學習”的情況依然普遍存在。這與想要達到的教學目標相悖，也難以達到為實際工程輸送優(yōu)秀人才的目的。

對于重大地下工程項目而言，地層條件極其復雜，各種工程問題層出不窮。只有掌握豐富的巖石力學理論知識，才能及時分析問題內在原因，給出解決措施。現(xiàn)代地下工程亟需擁有扎實巖石力學理論知識和理論技術基礎的人才，而被動灌輸?shù)膫鹘y(tǒng)教學方式與工程實際需求背道而馳，主要體現(xiàn)在以下方面：教師遵循傳統(tǒng)的教學方法與教學內容，學生在課堂上被動接受教師灌輸?shù)闹R，課后不花時間復習、鞏固、深化、提高;學生對課程的意義不了解，對課程的框架不清楚，對課程的內容不感興趣;學生學習的主觀能動性無法得到充分發(fā)揮，無法將所學知識由點及面形成體系，也無法形成長久的知識記憶。

針對被動灌輸?shù)膯栴}，師生都需要做出一定的改變。對于教師而言，教學方式應由教師主導型向學生主導型轉變，教師的角色應從傳導者向指導者轉變。同時，教師應努力通過各種生動有趣的教學方法，如知識競賽、演講匯報、座談等形式，增加課堂的趣味性，提高學生的參與度，提高教學質量。對于學生而言，應從接收者向研究者轉變，并充分發(fā)揮主觀能動性。不僅在專業(yè)知識方面，更在發(fā)現(xiàn)、提出、思考、解決、總結問題，以及協(xié)作、分工、管理、表達等多方面多維度綜合提升學生素質，而這些正是一個成熟、專業(yè)的工程人員必須具備的素質。

（四）課外教學力度不足

課外教學力度不足主要體現(xiàn)在兩個方面：一是課外教學方式相對匱乏，沒有有效利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡資源。二是課外教學推廣力度不夠，教師沒有足夠的時間和精力有效組織課外教學。

目前，針對高等巖石力學的線上教學平臺相對匱乏，形式、資源、內容也不夠豐富，應充分利用新媒體平臺開展高等巖石力學課外教學。通過線上教學平臺，將工程問題以文字、視頻等方式整合傳播，學生不需到工程現(xiàn)場就能了解實際工程存在的難題，學習工程技術人員利用高等巖石力學理論知識和工程經(jīng)驗解決問題的邏輯思維。

課外教學是學生拓寬視野、提升專業(yè)素養(yǎng)的重要途徑。無論是專業(yè)知識的競賽答題，還是對工程某具體問題的討論，又或是對某個結論的辯論，都能提高學生的專業(yè)素養(yǎng)。因此，有必要定時組織一些有意義的線下活動，既有趣味性，又不失專業(yè)性，對于學生大有裨益。

針對課外教學力度不足的問題，教學平臺不應局限于傳統(tǒng)的課堂教學、面對面教學，還應充分利用各種網(wǎng)絡資源，發(fā)揮線上教學直接、直觀、即時的優(yōu)點，為教學實踐添加新的活力與能量。同時，積極組織線下活動，培養(yǎng)學生興趣，提高學生能力。

二、提出教改思路——具體實踐

（一）理論與工程相結合，經(jīng)典與前沿相結合

為解決高等巖石力學課時緊張問題，應著眼于基礎理論與工程實踐相結合，經(jīng)典知識與前沿知識相結合兩方面，提煉教學內容。

基礎理論包括經(jīng)典理論與前沿理論。在有限的時間內最大化文獻閱讀收益，教師需在大量文獻資料中審慎地挑選高水平的經(jīng)典論文與最新發(fā)表的研究成果，引導學生閱讀，及時給學生解惑，讓學生了解基礎的研究方法和前沿技術。

同時，在課程中引導學生查閱文獻，指導學生管理文獻，教授學生正確、高效閱讀文獻的方法，在文獻學習實踐中不斷提高學生的科研素養(yǎng)。鼓勵學生深入鉆研相關理論，例如，用新興技術驗證經(jīng)典理論，或用相關理論解釋工程現(xiàn)象，從而激發(fā)學生的學習興趣與創(chuàng)造力。

工程實踐包括經(jīng)典工程案例分析和主流研究方向介紹。教師挑選經(jīng)典工程案例，通過講解，建立學生的工程概念，形成早期的工程經(jīng)驗，為學生日后從事工程實踐打下扎實的基礎。通過對前沿研究方向的介紹，使學生充分把握研究熱點，在熱點研究中了解最新的工程資訊。

通過“理論與實踐相結合，經(jīng)典與前沿相結合”，不僅可拓展學生的知識面，還讓學生對專業(yè)知識與工程實踐之間的聯(lián)系有更深的理解和認識，

使學生在課堂上的收益最大化，寓學于樂，讓有限的課堂時間發(fā)揮最大的效益。

（二）參觀與實踐相結合，認識與思考相結合

針對目前高等巖石力學課程存在的實驗教學資源受限問題，應著眼于參觀與實踐相結合，認識與思考相結合兩方面，在實驗教學中提高學生的創(chuàng)新能力和思維能力。

在實驗教學中學生的學習步驟一般為：初步了解實驗、細致掌握實驗、全面理解實驗、深入思考實驗。對應這四個步驟分別設置四個緊密相關的教學流程：教師講解、講義資料、動手參與、實驗報告。具體內容包括：1）通過教師講解讓學生對實驗有初步了解，對學生學習講義起到預指導作用，明確后續(xù)學習方向，降低后續(xù)學習難度。2）學生通過學習講義資料，掌握實驗基本內容。鼓勵學生自主思考、自主創(chuàng)新。3）在動手參與部分，摒棄以往固定式、被動式的實驗內容，鼓勵學生自主設計、完成實驗，驗證或解決前一步提出的想法或疑問。4）實驗完成后，要求學生反思實驗中存在的問題、總結心得與體會，形成具有鮮明個人特色的實驗報告。實驗報告的評判標準應以學生思維活躍程度、參與程度以及是否親自設計實施實驗、是否解決問題、是否有完善的整理總結等為主要評判標準，而非以傳統(tǒng)的實驗結果為實驗效果評判標準。

四個教學流程與四個學習步驟環(huán)環(huán)相扣，在引導鼓勵學生思考問題，到最后解決整理成報告的過程中，不僅學生各方面能力得到了提高，同時學生對于實驗的興趣也會愈加濃厚（高質量的實驗報告帶給自身的成就感）?？梢灶A見，通過這樣一種實驗教學方法，師生間將會更加輕松，同時收獲最大化。

（三）個人與團隊相結合，書面與口頭相結合

針對目前高等巖石力學課程教學的被動灌輸問題，應著眼于個人與團隊相結合，書面與口頭相結合兩方面，充分發(fā)揮學生學習中的主觀能動性。

“教師引導，學生主導”的教學形式：1）由教師提供一個具有廣泛內涵的主題，學生可在該主題范圍內自主思考。2）學生自由組隊并推選組長，通過小組調研、集體討論等形式確定題目，深入研究。3）組長根據(jù)研究內容合理安排組員分工，形成研究分工表與進度規(guī)劃表，組長需實時對項目進度負責，確保項目如期推進。4）以團隊形式完成書面報告，并由小組代表作口頭報告。

在查閱資料階段，學生應掌握該主題所涉及的基本概念，對該主題形成初步的認識;在深入研究階段，學生對問題進行深入細致的思考，并嘗試各種行之有效的方式解決問題;在書面報告形成前，學生通過集體討論確定報告的內容、形式、分工等，進一步深化學生對問題的認識，培養(yǎng)學生合作、溝通、表達等方面的能力;在形成書面報告后，小組代表需將團隊研究成果作課堂公開匯報，如圖1所示。

通過以上訓練培養(yǎng)，全面鍛煉了學生查閱文獻、發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題、總結問題、公眾演講等多方面能力，改變了學生被動學習的不足，形成教師與學生的良性互動。

（四）線上與線下相結合，講授與答疑相結合

針對目前高等巖石力學課外教學平臺匱乏問題，應著眼于線上與線下相結合，講授與答疑相結合兩方面，充分利用網(wǎng)絡信息平臺開展高等巖石力學課后教學。

在線上開展網(wǎng)絡課堂，作為線下課程的補充，供學有余力的學生自學，并以適當?shù)谋壤鳛榧臃猪椉{入最終課程成績。建立的Canvas網(wǎng)上教學平臺如圖2所示，此外，還建立了AR/VR實驗教學平臺、學習通教學平臺等。建立班級學習群，學生有任何問題都可在群里及時交流，教師及時解答學生的疑問，學生也可相互交流探討，對勇于發(fā)言、熱愛交流的學生給予一定加分鼓勵，促進班級學習氛圍的形成。

不僅開設線上的課后教學，線下的課后教學也同步進行。除每周固定時間地點的答疑外，對學習能力較強、熱愛科研的學生，教師應指導其按照規(guī)范格式撰寫學術論文，這對于學生未來發(fā)展大有裨益。除此以外，積極組織各種座談會、知識競賽、辯論賽、數(shù)據(jù)處理比賽等，充分發(fā)揮課外線下活動的優(yōu)勢。

三、提高教師要求——棄舊用新

基于工程人才需求導向，在教學理念和教學方式上，對專業(yè)教師提出了更高的要求。

首先，教師應摒棄傳統(tǒng)教學理念，有意識地降低教學中的“主導”地位，從“講授者”向“引導者”的身份轉變，并將部分課堂交給學生主導，發(fā)揮學生的主觀能動性。其次，教師應盡“引導者”的職責。例如，在文獻學習方面，教師須對相關文獻理解足夠透徹，才能挑選出其中精華供課堂教學使用;在確定主題方面，主題在滿足廣度、深度的同時，還要在學生的能力范圍內，并緊跟行業(yè)發(fā)展趨勢，關注科研動態(tài)。最后，教師應針對不同特點的學生因材施教。例如，有的學生熱衷于理論推導，有的學生熱衷于建模計算，有的學生熱衷于動手實驗，教師應充分聽取學生意見，考慮學生的興趣、特長，根據(jù)學生特點制定相應的指導方案，并給出有針對性的建議。

雖然部分課堂讓學生主導，但教師也要參與其中，與學生共同探討問題，同時又要在某些關鍵性的問題上給出一些指導性的建議。教師并沒有變輕松，反而責任更重，任務更艱巨，對于教師的要求更加嚴格。

四、評價實踐效果——碩果累累

高等巖石力學課程作為同濟大學隧道及地下建筑方向碩士研究生必修專業(yè)基礎課，已開設多年，每年的選課學生人數(shù)在80人左右。以需求為導向，該課程堅持持續(xù)化更新和改革。考慮工程實踐的需求，特別是深埋長大隧道工程建設的需求，課程增加了復雜環(huán)境巖石力學關鍵問題的專題討論，學生在查閱文獻、課堂聽講、工程專家研討等多種形式有機結合的學習模式下，對相關工程的巖石力學問題有了更深入的理解。考慮到研究生培養(yǎng)的需求，高等巖石力學課一方面強調經(jīng)典文獻的閱讀，一方面努力提高學生力學素養(yǎng)，通過線上線下多渠道，引入權威學者的專題講座，取得了顯著效果。

基于本課程的學習，通過教育教學方式改革，學生撰寫的專業(yè)研究報告超過300份，發(fā)表的科技論文超過20篇（在本課程上課期間）。考慮國家教育改革需求，本課程采用了多元化教學體系，包括Canvas教學平臺、ZOOM直播課、微信交流群等，以及基于VR/AR的實驗、工地現(xiàn)場的實踐教學（圖3）。隨著人工智能技術的發(fā)展，開拓了更廣泛的學科交叉與融合，在本課程的未來發(fā)展專題部分，一方面指明巖石力學的研究熱點與發(fā)展趨勢，一方面與學生共同交流探索巖石力學與工程的研究方法與實踐路線。

通過近幾年的教學改革實踐，高等巖石力學教學取得了一定效果，但“教”與“學”的關系，需要根據(jù)時代的發(fā)展，動態(tài)化、持續(xù)化、科學化改進，為培養(yǎng)高素質人才服務。

五、結語

以工程人才需求為導向，深入探究了研究生高等巖石力學課程教學現(xiàn)存的問題，并結合筆者的經(jīng)驗與學生的反饋，提出了針對此課程的教學改革方法：（1）課堂教學內容應遵循“理論與工程相結合、經(jīng)典與前沿相結合”的原則，讓學生在課堂的收益最大化;（2）實驗教學安排應遵循“參觀與實踐相結合，認識與思考相結合”的原則，遵循學生進行實驗研究時的客觀學習規(guī)律;（3）教學理念應由傳統(tǒng)的“教師主導、教學主導”轉變?yōu)椤敖處熞龑?、學生主導”，遵循“個人與團隊相結合，書面與口頭相結合”的原則，將傳統(tǒng)課后作業(yè)替換為團隊合作完成的書面報告與口頭報告，不僅能緩解學生課業(yè)壓力，還能培養(yǎng)學生的合作、交流等綜合能力;（4）教學平臺應從傳統(tǒng)的課堂教學轉變?yōu)椤熬€上與線下相結合，講授與答疑相結合”，利用網(wǎng)絡平臺開展豐富的課外教學活動，使學生充分利用碎片化時間學習。

通過以上教學改革措施，促進學生長期、全面成長，培養(yǎng)鍛煉學生查閱文獻、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、總結問題、規(guī)范寫作、匯報演講、團隊協(xié)作等各方面素質。通過師生的共同努力，高等巖石力學課程教學不再局限于一本書、一門課、一學期，目標是培養(yǎng)學生的學術素質與專業(yè)素養(yǎng)，提高學生綜合能力。參考文獻：

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Exploration of postgraduate teaching reform based on demand-oriented

concept： taking advanced rock mechanics as an example

XUE Yadong， HUANG Hongwei， LI Yuanbai， ZHANG Sen

（College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， P. R. China）

Abstract：

Professional course teaching for graduate students plays an important role in the ability cultivation of graduate students. How to improve the quality of teaching， especially how to meet the rapid development of social employment needs， is a significant topic that needs to be explored and solved. With the rapid development of tunnel engineering， bridge engineering， port water conservancy engineering， geological engineering and other industries， the construction of projects tends to be more and more deep and large-scale， which poses a new challenge to the needs of practitioners for knowledge of rock mechanics and higher requirements for postgraduate education. Advanced rock mechanics course， as a professional basic course that closely integrates theory and practice， plays a pivotal role in the cultivation of graduate students’ professional attainment. In this paper， the characteristics and existing problems of advanced rock mechanics course teaching are analyzed， the actual needs of engineering practice， postgraduate training and education reform are taken into consideration， and the guiding ideas and practical measures for the teaching reform of this course are put forward. The teaching reform practice is carried out in advanced rock mechanics course for postgraduates majoring in architecture and civil engineering of Tongji University， which has achieved good results， and provided a reference for the teaching reform of postgraduate courses in the future.

Key words：

demand-oriented; teaching reform; advanced rock mechanics; postgraduate education

（責任編輯 周 沫）