新时代“岩体力学”“七步法”实验教学模式探讨
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作者:陈军涛 闫莎莎 张培森 陈静 宁建国
摘 要 针对当前高校“岩体力学”实验教学过程中出现的本科学生多、实验设备不足、实验教学学时相对较少、学生创新意识不足等一系列问题，结合工程教育认证中学生的毕业标准，提出了“以现场问题引入实验教学”、“鼓励学生创新实验方法”和“利用新技术多途径实现实验教学”的新时代改革方向，并以岩石单轴压缩试验为例，详细阐述了“七步法”实验教学模式的主要内容。该实验教学模式符合工程教育认证要求的学生毕业标准，解决了当前高校“岩体力学”实验教学存在的诸多弊端，可为新时代高等院校“岩体力学”的高质量实验教学和高水平人才培养提供指导。
关键词 岩体力学 “七步法”实验教学模式 高等院校 工程教育认证
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2020.01.066
Experiment Teaching Mode of "Seven Steps" for
Rock Mass Mechanics in the New Era
CHEN Juntao[1][2][3]， YAN Shasha[1]， ZHANG Peisen[1]， CHEN Jing[1]， NING Jianguo[1]
（[1] National Demonstration Center for Experimental Mining Engineering Education， Shandong University
of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590;
[2] State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control of Shandong University
of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590;
[3]College of Geosciences and Surveying Engineering， China University of Mining and Technology （Beijing）， Beijing 100083）
Abstract Aiming at the issues of experiment teaching for rock mass mechanics in universities， such as too many students， less experiment equipment， less teaching time and inadequate innovation， the teaching orations about "bringing the field to experiment teaching"， "encouraging the students to innovate experiment" and "make full use of different methods to rich experiment teaching" were brought up based on the demand for graduates of engineering education accreditation in new era， then， taking rock uniaxial compression test for example， the experiment teaching mode of "seven steps" was described in detail. This mode of rock mass mechanics is in accordance with the demand for graduates of engineering education accreditation， and solves many disadvantages existed in experiment teaching in colleges， which could provide some useful guidance for high quality experiment teaching for rock mass mechanics and high level students.
Keywords rock mass mechanics; experiment teaching mode of "seven steps"; colleges and universities; engineering education accreditation
“巖体力学”课程是采矿工程、土木工程、地质工程等学科必修的专业基础课，主要研究岩体（岩石）在外力作用下应力、变形及其破坏规律等的学科，是解决水利、土木、交通工程等建设领域中岩土工程问题的重要方法。因此，“岩体力学”是一门融合理论知识和工程实践的基础课程。
随着我国经济的快速发展，大量城市已建和在建的地铁、隧道，矿产资源开采、水利水电工程等都涉及到岩体力学问题。2018年10月24日在中国境内开通的港珠澳大桥，是在高温、高湿、高盐环境中于松软地基之上建成的世界最长、埋深最大的海底沉管隧道，被英国《卫报》誉为“新世界七大奇迹”。这些岩土工程的建设离不开岩体力学的专业知识，更是依托于无数个岩体力学实验获得的力学参数而设计的。所以，“岩体力学”课程的实验教学，对于“新工科”学生的学习至关重要。 1 “岩体力学”实验教学的意义
（1）进一步加深学生对课堂专业知识的理解。目前全国高校的“岩体力学”课程一般为50个学时左右。一般情况下，授课老师通过PPT、板书、项目经历和与学生互问互答等教学方式，讲解岩体力学的相关知识。鉴于“岩体力学”课程知识量大，学时少的特点，本科学生对课程涉及的专业知识尚缺乏足夠的认识。通过“岩体力学”实验课程的学习，可以有效的将理论知识和现场问题结合起来，多方位思考地下工程中岩体失稳的力学机理，有助于进一步加深学生对课堂知识的转化和深入理解。
（2）激发学生对专业知识学习的兴趣。相对于枯燥的课堂教学，学生更容易对岩体力学中的实验内容感兴趣，比如为什么要制作圆柱形和立方体的标准试样等。授课老师在实验教学中要多方面、立体式的引导学生去思考“岩体力学”课程的相关知识点，借助地下岩土工程的实际问题，生动形象地讲解每一个实验过程，激发学生的学习潜能和主观能动性，培养学生积极探索实验现象背后的本质原因。
（3）搭建学生对问题研究的思维框架。解决问题的思路对于问题的解决至关重要。岩体力学的实验教学过程，有助于培养学生形成遇到问题、分析问题、解决和验证问题的方法，有效搭建学生研究岩体力学问题的思维框架，提高学生独立思考和创新研究问题的能力，更好的培养新时代新工科的高水平人才。
2 当前高校“岩体力学”实验教学存在的问题
“岩体力学”课程主要面向采矿工程、土木工程、地质工程等学科的学生，学生数量较大，加之实验器材不足、学时较少（一般为2个学时）等多方面原因，使得“岩体力学”课程的实验教学大多形成了“学生课前预习、教师讲解实验、实验报告撰写”的教学模式，这种传统的教学模式主要带来以下问题：
（1）教学模式单一，调动不起学生学习的积极性。目前的“岩体力学”实验授课模式主要以教师讲授+学生观察为主，尽管学生课前对实验内容作了预习，但由于学生很少能够逐一亲自动手操作实验过程，导致学生不能很好的消化岩体力学实验涵盖的知识点，而且一次性学习实验课的同学比较多，造成学生学习效果往往不尽如人意。所以，学生对“岩体力学”的实验课程兴趣不大，对涉及的知识点理解不会深入。
（2）实验内容与现场问题联系不足，教学过程不够形象具体。传统的实验授课模式只是纯粹的讲解实验过程，至于试样为什么是圆柱形和立方体形状的，以及实验结果如何应用于现场实践等问题，老师们往往不能详细的发散式讲述，这样学生就不能从全局的角度把握整个实验过程，认识不到岩体力学实验的重要性，最终导致学生不能举一反三和达到运用实验手段解决实际问题的效果。
3 基于OBE的“岩体力学”实验教学改革方向
我国工程教育认证采用基于OBE（Outcome-based Education）的认证标准，认证标准对毕业学生的培养目标有三点如下：（1）能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题;（2）能够设计针对复杂工程问题的解决方案，能够在设计环节中体现创新意识;（3）能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具。这三个目标对学生的现场实践认知和解决能力、创新创造能力以及知识创新和现场问题的融合能力提出了要求。
因此，“岩体力学”实验教学须围绕“以现场问题引入实验教学”、“鼓励学生创新实验方法”和“利用新技术多途径实现实验教学”三个方向进行过程改革。
3.1 以现场问题引入实验教学
科学实验，是指根据一定的目的，运用一定的仪器、设备等物质手段，在人工控制的条件下，观察、研究自然现象及其规律性的社会实践形式。因此，在进行岩体力学试验教学时，老师们要和学生讲明白实验的来龙去脉，比如实验的目的和作用等，最好是结合岩土工程的现场问题去讲解实验的原因、过程、数据处理及分析，实验结果如何应用于现场问题的解决等，这样学生们就会对实验过程形成清晰明确的理解，有助于理论联系实际，学会运用实验手段解决现场问题的方法，培养学生认识问题、分析问题和解决问题的思路和能力。所以，“岩体力学”实验教学须要从现场实际问题引入。
3.2 鼓励学生创新实验方法
创新是一个民族进步的灵魂。每个岩体力学的实验方法不是固有的，老师们在实验教学过程中要多激发学生们去思考岩体力学问题，针对某个现场工程问题，充分发挥学生们的想象力和创造力，比如可以通过全国大学生采矿技能大赛等活动让学生们研制新型的实验设备和研究方法等（实验考查时可设创意分数），培养学生的创新思维，搭建学生对问题研究的思维框架，培养学生的动手操作能力。所以，“岩体力学”实验教学过程中，在掌握实验基本思路、过程和目的的前提下，要充分启发学生的创新思想，鼓励学生对实验方法和过程进行创新。
3.3 利用新技术多途径实现实验教学
21世纪以来，专家们研究岩体力学问题的方法很多，如理论分析、数值模拟、室内实验和现场实践等，特别是近年来出现的声发射、工业CT、数字散斑、高倍扫描电镜、超声波成像等技术，广泛应用于岩体力学问题的研究中。因此，老师们在实验教学的同时，要采取各种途径尽可能多的向学生们介绍这些先进设备的使用情况（如现场操作、视频讲解，远程学习等），开拓学生的视野和思维，在部分院校岩体力学实验设备不足的情况下，老师可以利用PFC、RFPA等软件基本的力学试验，有助于形象的加深学生对岩石破裂失稳的理解。所以，实验教学应采用多种新技术生动形象的展现实验的实施过程。
4 以岩石单轴压缩试验为例，阐述“七步法”实验教学模式的主要内容
为更好的体现“岩体力学”“以现场问题引入实验教学”、“鼓励学生创新实验方法”和“利用新技术多途径实现实验教学”的改革方向，提出一种基于“问题来源-实验操作-数据分析-服务现场”教学思路的“七步法”实验教学模式，该模式从现场实践中引入实验问题，采用多种新技术形象生动的展现试样制作、实验过程及数据分析的全过程，充分激发本科学生的创新创造思维，全程教学贯穿以学生主动探索学习为主，实验指导教学为辅的理念，最后将获得的实验结果应用指导于现场问题。 岩石单轴压缩是指岩石在单轴压缩条件下的强度、变形和破坏特征。现以岩石单轴压缩试验为例，简要讲解“岩体力学”课程“七步法”实验教学模式的主要内容。
（1）教学目的：掌握岩石单轴压缩实验的方法，学会岩石单轴抗压强度、弹性模量、泊松比的计算方法;了解岩石单轴压缩过程的变形特征和破坏类型，指导应用于现场工程的岩体力学问题。
（2）教学思路：实践问题来源—实验操作—数据分析—应用现场。
（3）实验教学过程设计：
a.实验教师通过现场项目（如锦屏一级水电站建造涉及的岩体力学问题），提出需要的岩石力学参数，讨论这些力学参数如何获取，引出需要讲解的岩石单轴压缩试验;
b.带领学生参观地球科学馆，认识岩石试样的形成过程和形态特征，为准确分析岩石破裂失稳原因做准备;
c.带领大家参观试样的取芯和加工过程，以及试样加工需要达到的精度要求和原因;
d.进行单轴压缩试验，可配合声发射技术实现岩石破裂路径的实时监测（最好是老师指导学生亲自操作一次，仪器设备不允许时可通过数值模拟实现），观看试样的破裂过程;
e.以某组试验数据为例，讲解试验数据的处理方法;
f.针对试样破裂形态，和同学们讨论试样破裂的原因，最后老师总结试样破裂问题，同时讲解如何将实验获得的结果应用于现场问题;
g.学生们撰写实验报告。
图1中，（a）为实验教学的现场问题来源;（b）-（f）为实验操作及分析过程，涉及一些岩体力学问题研究的新技术，实验过程充分激发学生学习的兴趣和过程的探索创新;（f）为将实验结果回归服务于现场问题的解决;（g）为实验过程的总结。
5 结语
“七步法”实验教学模式充分体现了“以现场问题引入实验教学”、“鼓励学生创新实验方法”和“利用新技术多途径实现实验教学”的改革方向，契合了工程教育专业认证中毕业学生需要达到的培养标准，简单实用，实施性强，容易为高校“岩体力学”实验课程老师所接受，可为新时代“岩体力学”的高质量实验教学和人才培养提供指导思路。
*通讯作者：闫莎莎
基金项目：矿业工程国家级教学示范中心开放基金资助项目（KYSF20180211，KYSF20180104，KYSF20180208）;矿业工程一流学科建设专项（04CK01903）;国家自然科学基金（51604167）;山东省重点研发计划资助项目（2018GSF117018）
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