岩石力学实验教学改革探讨

2012-08-15吴姜

长春教育学院学报 2012年8期

吴姜

岩石力学实验教学改革探讨

吴姜

随着国家教育改革的不断推进，培养学生的全面发展能力已成为教育的根本目标。我院注重实验教学，提高学生的动手能力。通过推进弹性学习制度，搭建新的实验室教学体系，将实验项目进行优化组合，减少验证性实验，注重实验的综合性、设计性、创新性和整体性。在完成基本实验的基础上，鼓励、支持学生在课余时间参加创新性的实验和SRT等科研活动，为学生个性化发展创造条件，提高了学生的学习兴趣，取得了很好的教学效果。

岩石力学；实验教学；弹性学习制度

实验教学是工程科学最基本的教学手段之一，在教学中起着至关重要的作用。我院结合自身的特点，通过不断的教学探索，在岩石力学实验教学模式上做出了一定的改革。我院早在1990年就实行了独立设课，但由于传统的教学模式和授课内容存在诸多弊端以及实验条件的局限，岩石力学的实验教学仍需要不断改进。笔者根据多年教学经验，分析了目前高校岩石力学课程教学中存在的问题，对教学改革取得的成果进行总结。

一、岩石力学实验课程的特点

岩石力学的研究对象是各类岩体，主要采用力学原理和方法研究岩石或岩体在外力作用下的变形与破坏规律，是解决所有岩石工程技术问题的理论基础。岩石力学实验课程包括：岩石力学、土力学、矿山压力及控制、井巷工程、矿山测试技术、相似模拟等课程，是一门力学和地学结合的应用性基础学科，理论性和实践性相结合的工程学科，与国民经济基础建设和环境保护、资源开发等密切相关，具有重要的实用价值。岩体是漫长的地壳运动和地层演化过程形成的地质体，对它的物理力学性质的了解相当困难。所研究的问题大多是多尺度、不确定的，研究对象也不停变化，难以找到精确的求解算法。作为工程性质较强的专业基础课程，岩石力学实验这门课程让学生在学习理论的同时用于实践，同时也让学生在实验中注重综合性、设计性、创新性和整体性，使学生有更多的动脑、动手机会，养成学生勤于思考、勤于动手的习惯，综合所学，达到提高学生综合分析问题的能力和推陈出新的能力的教学目的。

二、岩石力学实验教学中存在的问题

1.教学内容狭窄、观念落后。由于高等学校专业划分过于细致，许多课程的教学内容精细，课程服务对象相对狭窄，与相关学科的结合不多。造成学生的知识面狭窄，解决实际问题的能力不够。根据目前社会对复合型人才的大量需求，教师在教学中不能太拘泥于专业限制，否则会导致学生因为知识面狭窄而视野不开阔，甚至出现在解决实际工程问题时因知识不足而束手无策的现象。

2.过分注重理论，忽略实验教学。目前，很多高校依然强调学生的理论知识学习而忽略学生的动手能力培养。同时，国内高校普遍存在着实验经费缺乏、试验场地和实验设备不足的现象。如，电液伺服岩石三轴试验机，国产的试验机在国内高校中数量就极其有限，更不用提高精度、功能齐全的进口试验机，因此，学生对实验的认识大多仅停留在背书阶段。与此同时，一些高投资、大尺寸的实验设备，需占用大面积的试验场地，许多高校对此投资不够。另外，许多高校没有专职实验员和实验管理人员，设备的维护和仪器检修都存在很多隐患。

3.实验教学方法、教学手段单一。实验是自然科学最基本的研究手段，在岩石力学教学与研究中起着至关重要的作用。但是，传统的实验教学单调乏味，不能引起学生的兴趣和开发学生的创新思维能力。实验教学课时少任务重、经费匮乏，仍然采用传统的教学方法，依附于理论教学、传统的以教师为中心、传授知识为主的教学模式，导致学生动手能力差。同时，因为受各种条件影响，许多专业教师对现场调查的深入研究不足，对新工艺、新设备和新技术了解太少，都在某种程度上影响了教学的效果。

三、岩石力学实验教学建议

1.制定弹性学习制度。开放实验室，实行弹性学习制度。实验室的开放包括实验室时间的开放、空间的开放和实验仪器设备、实验项目的开放，甚至对实验内容和形式也实行开放，这样可以让学生自主安排时间进行实验学习。在实验室开放的同时，为适应实验的综合性和设计性，我院还将分散的实验室进行整合，探索综合实验教学环境。良好的开放式实验环境和弹性的学习制度，有利于发挥学生学习积极性和潜能，帮助学生对所学知识进行融会贯通，提高了学生的综合创新能力。

2.整合优化课程内容，增设综合性、设计性实验。根据课程要求和教学目标，对实验项目进行重新整合，将几个单一的实验项目整合为一个大的综合性的实验项目，如，将岩石视密度测试实验、岩石真密度测试实验、岩石孔隙率测试实验整合为岩石的物理性实验；将岩石吸水性测试实验、岩石含水率测试实验、岩石软化系数测试等整合为岩石的水理性实验；将岩石单向抗压强度、岩石单向抗拉强度、岩石单向抗剪试验整合为岩石的力学性实验等。这样既节约了时间，又通过对实验项目的整合使学生对岩石性质有全面的了解和评价。

3.改善实验条件，改进教学方法。由于室内实验条件的不足和有限，以及岩石的非均匀性、非线性以及破坏行为、地压、失稳、岩爆等，对于这些概念涉及的尺度较大的岩体在普通实验室通过对小型试样的实验往往很难完成。野外和现场实例能很好的弥补这一缺陷，但由于实验费用过高、耗时过长的原因，在教学中不宜采用。同时，对于这方面教学有帮助的资料档案如照片、挂图、录像等也很稀缺。这种情况下，通过数值计算方法进行岩石力学数值实验能很好地解决这一问题。例如，利用岩石破裂过程分析RFPA系统的研究能有效地解决岩石在载荷作用下的变形与破裂全过程的数值计算问题；用Flash建立岩石力学的虚拟实验系统。这样使学生可以随时将网络上虚拟的岩石力学实验需要的各种仪器设备按每个实验要求、过程组装成一个完整的实验系统。在虚拟实验系统上完成整个实验，包括岩石试件的添加、实验条件的改变、数据采集以及实验结果的模拟、分析等。

在没有电液伺服三轴试验机的情况下，教师可以充分利用ANsYs有限元软件或FLAC有限差分软件，在计算机上给学生演示标准岩样在单轴受压和三轴受压状态下岩石破坏的全应力一应变曲线。随着计算机技术的发展，借助现代数值模拟技术，通过计算机终端虚拟模拟矿山压力与岩层控制实验，并依靠数值模拟软件的强大的后处理功能，将虚拟模拟的实验结果直观地展现在学生面前。这对于解决目前只能做教学大纲规定的基本实验，而矿山压力与岩层控制实验室的设备短缺问题进行了弥补。

4.以科研项目引导、带动实验教学。鼓励学生以小组的方式申请学校提供的基金资助项目，参与以老师名义立项的有岩石课程背景的SRII，以及由学生自己设计的岩石力学科研工程项目。学生研究过程中将岩石力学课程中的知识点融入到项目，以项目为主线贯穿始终。教师以设计选择与工程实践有联系的实验项目，并以工程任务数的形式传达给学生。学生通过自己预习、查阅资料，明确实验原理、方法和实验步骤等，并通过小组讨论确定实施方案，最后亲自动手操作完成。教师以学生完成项目的质量评定学生的设计效果，这样的过程有效地锻炼了学生运用所学知识解决实际问题的能力，取得了很好的效果。

四、小结

通过学校教学改革项目“改革教学方法和手段，积极推进弹性学习制度、为学生个性化发展创造条件的研究”，将开放的弹性制的学习方法引入到岩石力学实验教学的改革，搭建出了实验室新的教学体系；将实验项目进行优化组合，减少验证性实验，注重实验的综合性、设计性、创新性和整体性；在完成基本实验的基础上，鼓励、支持学生在课余时间参加创新性的实验和SRT等科研活动，提高了学生的学习兴趣，使学生有了更多的动脑、动手机会，提高了学生综合分析问题的能力和创新的能力，取得了很好的教学效果。

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