开放共享型岩石力学实验教学平台建设

黄正均, 张 磊, 李长洪, 张 栋

(北京科技大学 土木与资源工程学院, 北京 100083)

实验教学作为高校教育教学中必不可少的环节,是以培养学生实践能力和创新精神为目的。因此,建立以学生能力培养为核心的实验教学观念,以学生自主实验为主,课程教学为辅,面授与课下自主学习相结合的实验教学模式,以及设备先进、多样,内容全面、创新的实验教学平台,将全面提高实验教学水平和人才综合培养能力[1]。

教育部陆续发布了关于高校教学资源开放共享建设的政策指导和实施办法,提出要以高校教师和学生为服务主体,同时也面向广大社会学习人员,以量大面广的公共基础课和专业基础课、核心课为重点,推动高校优质课程教学资源的共建共享,形成教学资源开放共享体系,提供人才培养质量[2]。作为教育资源的重要组成部分,实验教学资源的开放共享,也已在北京、广州、上海、南京等高校相对集中的城市得以开展实施,并取得了一些成果与经验,其中就包括实验教学平台建设、实验教学模式创新等内容[3-6]。

1 建设背景及目标

北京科技大学“岩石力学与工程”由“矿山岩石力学”发展演变而来,一直是我校国家重点学科采矿工程专业的专业基础课,现为我校采矿工程、土木工程、安全工程、岩土工程等专业的专业基础课和核心课程,在岩石力学领域具有广泛深刻的影响。几十年来经过专业教师的共同努力,形成了矿山工程、地下工程等领域的岩石力学特色,也取得了众多重大研究成果,对岩石力学的教育教学起到了巨大的推动作用。

岩石力学实验教学作为课程不可或缺的部分,一直以来都是课程教学中非常重视和重点建设的内容。其目的在于使学生将课堂学习的基础理论知识通过实验教学得到及时、有效地应用,充分锻炼学生实验操作的动手能力,巩固课程理论知识[7-9]。但是,由于岩石力学实验教学涉及相关课程多、专业多、学生人数多、实验内容多,又面临课内学时紧、设备台套数较少、实验室面积狭小等原因,导致课内很难实现学生人人动手操作的要求,更不能充分体现我校岩石力学及实验在领域内的优势及影响力。

因此,如何解决上述“四多与两少”相冲突的问题,建设资源开放共享的实验教学平台及教学模式改革就迫在眉睫。本实验室通过对实验设备的整合、实验内容的完善更新,以及实验内容的数字化、网络化建设、并将之进行了全面开放共享,建成了资源开放共享的岩石力学实验教学平台,对培养学生实践能力和创新精神具有重要的意义。

2 硬件平台建设

2.1 实验教学设备

实验教学工作以实验设备为基础平台。近5年来,通过“211工程”“985工程”优科平台、本科教学采购等多种渠道,购置或自主研发岩石力学实验设备40余台套,并整合原有设备,按照标准化设备、创新型设备、高精尖设备3种不同类型进行分类,形成综合、先进的教学设备平台,见图1所示。

图1 岩石力学实验教学设备平台组成

将我院常规岩石力学实验设备如常规三轴试验机、万能试验机等设备,以及我院部分高精尖岩石力学试验设备(如处于国际领先水平的MTS 815岩石力学试验系统、PCI-2声发射检测仪、RLJW-2000型岩石三轴剪切流变试验机),整合形成了实验教学设备平台。其中既有纯粹的教学型设备,也有众多科研为主型设备,实现了设备以“教学为主、科研哺教”的综合、共享型设备组成模式。整个平台设备价值1 000多万元,台套数达50多台套,进一步提高了实验教学设备的多样性、综合性和先进性。

2.2 实验教学内容

实验教学内容是实验教学工作的核心部分。在整合设备资源的同时,依托国家级精品课程“岩石力学与工程”,全面围绕岩石各项物理力学性质,结合国际国内现行的行业标准和规范,不断丰富并完善实验教学内容,将全部常规实验项目,以及大多数综合性、创新性实验项目纳入平台内容,如图2示。其中包括岩石密度、含(吸)水率、纵波波速、单轴抗压强度、压缩变形、劈裂抗拉强度、抗剪强度、三轴压缩、刚性实验、声发射、直接拉伸、水理性质、岩石流变、多场耦合实验等实验项目18项,编写“岩石力学与工程”实验指导书并定期更新,体现了实验教学内容、实验技术与方法的综合性、创新性和前沿性[10]。

图2 岩石力学实验教学内容组成

3 软件平台建设

3.1 教学资源数字化

数字视频化的实验教学方式对传统的面授式实验教学起到了重要补充作用。发展多样化的教学形式和手段,首先要进行的应该就是教学内容和过程的视频化。依托“岩石力学与工程”国家级精品课程平台,我们将各课程相关的岩石力学实验教学内容,全部录制为数字化教学视频,包括岩石密度、含吸水率、单三轴抗压强度、抗剪强度、抗拉强度等物理力学性质实验,如图3所示。视频内容既有实验方法讲解、实验操作指导、还有学生实际操作过程,及后续数据处理等,使之与传统的实验室内“面对面指导式”实验教学模式相结合,进一步完善了课程体系建设,形成了多样化的教学形式[11-13]。图4为数字化视频截图。

图3 实验教学内容数字化

图4 教学内容数字化视频截图

3.2 教学资源网络化

为了进一步完善课程体系以及扩大课程的学习用户群,将录制的全部实验教学视频上传至学校网络课程平台,及“中国大学精品开放课程共享系统”——爱课程网站(http://www.icourses.cn/coursestatic/course_3629.html),如图5示,实现了实验教学内容资源的网络化[14]。不仅本院相关专业学生,甚至全校、全国所有用户均可免费进行在线学习,对整个岩石力学与工程的教育教学将起到极大的推动作用,同时也进一步提高了我校在“岩石力学与工程”领域的影响力。

图5 中国大学精品开放课程共享网站爱课程网课程介绍

3.3 教学资源开放共享

同时,为响应国家、学校对高校精品教学资源的开放共享政策,将教学平台的全部实验设备和实验项目等相关教学资源,完全面向全校乃至全国的所有用户进行全时开放和共享,以建设形成资源完全开放和共享的实验教学平台。学生以及其他用户,不仅可随时自主学习实验内容,包括工作日的白天及晚上、周末、寒暑假等节假日期间均可自主申请各类实验项目,以及在完成操作培训前提下自主使用实验设备。所有实验项目均完全开放,不仅包括课程教学部分实验项目,同时还有学生科技创新实验、毕业设计、论文实验,甚至学生科技竞赛、中小学生科技夏令营等项目均可开放使用平台资源[15-16]。

4 制度保障建设

此外,为了保障实验教学平台资源开放共享的顺利进行,实验室结合学校、学院现有的管理规章制度,另外针对岩石力学实验教学平台制订了一套较为完整的资源共享使用管理制度[9,16]。保障制度如图6所示,其中包括开放实验申请、设备开放使用申请、实验仪器借用申请、节假日使用申请(包括设备、实验场地等)、实验室准入和安全管理等10余条规章制度,以保障平台资源开放共享的高效、平稳运行。

图6 资源开放共享保障制度

5 平台资源应用

平台资源秉承教学为先的原则,优先服务于学院、学校采矿工程、土木工程等专业的本科生、研究生的实验教学工作,累计开设本科生实验教学项目10项,每年7个班级,学生人数200余人；开设研究生教学实验、论文实验项目16项,每年学生人数100余人；同时每年服务于学院、学校本科生科技创新项目10多项,并取得了良好的效果。

目前现有注册学习用户1 585人,以及大量游客用户,并可进行网络答疑与课堂互动,校内外用户均反映良好。

将全部平台资源全面开放后,现每年接受各种校内实验申请100余项,培养能完全独立进行实验学生人数达70余人,以及指导下可进行实验操作学生人数200余人。同时,平台资源还为多所兄弟院校的相关实验教学提供了服务,以及接待中小学生科技夏令营项目服务多次。

6 结语

通过整合北京科技大学岩石力学相关实验设备,以及实验内容、项目的补充完善,并进行资源数字化和网络化等措施,建立形成了较为全面、综合,具有先进性和创新性的岩石力学实验教学平台,并全面应用于校内相关专业的实验教学工作,以及对校内外所有用户实行平台资源全面开放共享,解决了我校岩石力学实验教学工作中的现存问题,推动了岩石力学教育教学的发展,促进了人才培养的发展与提高,扩大了我校在岩石力学领域的影响力。