岩石力学课程实践性教学改革探讨年

摘要：为适应我国土木工程专业人才培养和教学改革的需要，针对土木工程专业基础课——岩石力学课程的教学特点，拟拓展实验与实践教学环节，增加岩石力学特性实验与数值试验及现场教学两个部分，构建集理论教学、物理实验与数值试验、现场教学于一体的岩石力学综合教学模式，以期推动岩石力学课程实践性教学迈上一个新台阶。

关键词：岩石力学；实验教学；物理实验；数值试验

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）10-0175-02

随着我国西部大开发战略的实施和西南地区高坝建设的兴起，传统的岩石力学课程理论教学及授课内容已经无法满足工程界对岩石力学知识的热切需求，亟待开展《岩石力学》课程的教学改革。笔者基于近几年讲授土木工程专业本科生岩石力学课程的教学经验与体会，并结合国内其他高校岩石力学教学研究所取得的一些成果[1-5]，提出我校大学生《岩石力学》课程实践性教学改革的总体构想，即集成物理实验与数值试验、现场教学于一体的岩石力学课程实践教学，以期推动岩石力学课程实践性教学迈上一个新台阶。

一、岩石力学课程实践性教学改革的必要性

岩石力学是运用力学方法与地质学原理来研究岩石与岩体的力学行为的一门新兴科学，也包括研究岩体在各种力场作用下的变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学[1]。它涉及到岩石的物理性质、拉压剪等强度特性、与时间有关的流变特性、岩石的单轴和三轴变形特性、岩石的动力学特性、岩石的各向异性本构关系、岩体结构面的力学性质、由结构面与岩石块体包围的岩体的力学特性、岩体不连续面的渗流性质、地应力环境、岩体力学中的各类数值方法、岩石力学涉及的各类工程问题，包括地下空间与地下工程开发、地基（含坝基）、岩质高边坡（含挡墙及加固体系）等的整体稳定性与变形破坏问题等[1-3]。显然，岩石力学的研究对象不同于一般的材料，它是非均质各向异性、含有多组结构面组合的非连续介质，其力学行为复杂多变，导致依托在这一地质体上的各类岩石工程（如岩质边坡工程、岩石地基与坝基工程、地下隧道与采矿工程）更加复杂。正是由于岩石或岩体的复杂性及特殊性，岩石力学服务的各类工程目前还是以工程经验、现场试验与监测为主，理论指导为辅，这给岩石力学课程的实践性教学改革创造了条件、提供了难得的机遇。在理论教学基础上强化实验与实践教学，通过参与室内实验和野外实践，采用工程实用化或经工程检验后的理论方法开展大规模计算分析和工程实例研究，构建集理论、实验与实践于一体的综合教学改革，使学生既储备较好的理论基础，又具有较强的实验与工程实践能力，从而培养出具备解决复杂岩石力学问题的高端技术人才。从这个意义上说，开展岩石力学课程的实践性教学改革是十分必要的。

二、岩石力学课程实践性教学改革的主要内容

增加室内实验教学与计算机数值仿真实验环节，并结合现场工程实例教学，探索适合现代岩石力学发展的新型实践性教学方法。

1.增加实验教学模块环节。目前我校大学生岩石力学课程教学主要是理论教学为主（32学时），强化书本理论知识的学习，尚未安排实验与实践教学环节。通过本课程的多年课堂理论教学，结合本课程经验性、应用性较强的突出特点，拟改革现有教学方式，增设岩石力学实验教学环节（模块I），包括4个室内实验模块，即岩石吸水性实验、饱和单轴抗压实验、点载荷抗拉实验3个验证性实验项目和1个岩石剪切实验演示项目。这4个室内实验项目（模块I）为岩石力学特性参数实验，拟规划6学时教学内容，其中验证性实验占4个学时，综合实验和演示项目占2个学时，由学生先熟悉实验方法、实验步骤，再由教师指导，完成实验；同时实验室对学生也实行开放，鼓励学有余力的学生课后自己设计并开展相关实验。

2.增加数值试验教学环节。实践教学把培养学生实验技能放在首位，虚拟与现实相结合，动手与动脑相结合。考虑学生人数的增加，实验场地、仪器设备、岩块样品不足等矛盾，将实验教学与计算机数值仿真相结合，开展模块Ⅱ教学，即增加数值模拟演示实验2学时。应用大型数值分析软件ABAQUS进行岩石力学数值模拟实验教学。由于岩石破裂过程现象的复杂性和岩石介质的复杂性，在模块Ⅰ的岩石力学教学实验过程中，学生很难通过大量重复性实验看到岩石破坏的各种类型的复杂现象。利用引进并二次开发的ABAQUS程序，增加模块Ⅱ的实验教学环节，对岩石力学实验进行辅助教学，使学生参与教学活动的主动性、创造性大为增强。随着现代计算机技术的发展，利用计算机对岩石的变形与破裂过程进行数值试验，不仅具有通用性强、方便灵活、具有可重复性等特点，而且可以通过数值试验得到许多在常规实验室试验中难以观测的重要信息，作为岩石力学实验教学的重要补充，达到岩石力学实验辅助教学的目的。但模块Ⅱ数值试验的应用并不能完全取代模块Ⅰ的实验室实验。这是因为数值试验时仍然需要提供岩石的细观力学参数等信息，而且只有在证明数值试验方法正确的基础上才能使用它进行岩石力学的数值试验。此外，岩石力学数值试验也可完成复杂岩石块体的变形破坏过程的数值仿真。

3.预设工程问题教学模式。考虑到岩石力学数值试验方法在解决岩石力学问题时具有通用性强、可重复性等特点，感兴趣的学生可以在任课教师的指导下，在课程开设初期（如5周内）就拟定一个自己感兴趣、与岩石力学与工程紧密相关的数值计算课题，带着问题进行课程学习。课程的每个环节都使学生对问题的认识更深入一步，当专业知识和数值计算知识储备到达一定程度后，即可开展数值试验方面的研究。在此过程中遇到的突出问题，可以由任课教师利用课间时间给学生答疑解惑，或一些共性问题可在课堂适当讲解，从而辅助学生完成预设的各类工程问题，达到事半功倍的教学效果。

4.结合工程案例的现场实践性教学。实践性教学的核心应是开展现场教学，将课堂教学与实际工程紧密结合，从而升华理论知识、室内实验和数值仿真成果。针对本课程的实用化特点及课堂教学进展状况，选择有代表性的岩石工程作为典型教学案例进行现场教学，适时邀请现场的项目负责人就工程案例进行详细讲解，包括可能遇到的各类岩质边坡工程、岩石地基工程、地下空间与地铁工程等，从而增强课程学习的针对性、提高学生分析和解决实际工程问题的能力。

三、结束语

通过上述建设，将丰富我校大学生岩石力学课程的实践性教学内容，使其充分兼顾理论、实验与数值仿真、现场实践三个方面。在此基础上，凝练岩石力学课程实践性教学改革的创新手段与特色教学方法，推动本科岩石力学课程实践性教学改革的深入发展。

参考文献：

[1]张永兴.岩石力学[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2]黄醒春.岩石力学[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]勾攀峰，宋常胜.岩石力学课程的教学改革与实践[J].高教论坛，2009，（5）：83-84.

[4]黄明奎.岩石力学课程教学改革与思考[J].高等建筑教育，2008，17（4）：82-85.

[5]刘开云.探析高校土木工程专业“岩石力学”课程教学改革新途径[J].中国科技创新导刊，2010，（1）：171-172.

基金项目：大连理工大学教育教学改革实践教学专项和研究生教学改革与研究基金资助。基金编号ZX201313。

作者简介：年廷凯（1971—），男，大连理工大学土木工程学院副教授、博士生导师，主要从事岩土工程的教学和研究。endprint