研究生“岩石动力学”课程课题融入式教学思考

刘先珊* 许 明

（[1]重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室 重庆 400045；[2]重庆大学土木工程学院 重庆 400045）

0 引言

“岩石动力学”课程研究岩石动力特性或动荷载作用下工程岩体动力响应，是一门应用于岩土工程实践的技术学科，融合了岩石力学、结构动力学、[1]地震动力学等课程的理论与方法，当前作为岩土工程专业研究生的专业课程。该课程主要涉及岩石或岩体工程在爆炸、冲击、地震、振动等动载荷下的力学效应或稳定性，分析如上动荷载产生的应力波在岩石内部的传播及衰减规律，区分其动态力学参数与静力参数的差异性，确定其动态本构关系特征与本构关系，研究动荷载下的岩石破坏过程及破坏机理，以及相应条件下的岩体工程安全评价的数值模拟方法等。由于涉及的内容广泛，理论性及实践性均较强，大多研究生在本科阶段较少接触动力学理论，学习时感觉内容晦涩难懂，学习效果不显著。

对研究生教学而言，教学中结合学生本科阶段的知识体系，从岩石动力学的需求角度出发，[2]将岩石动力学理论、方法与其专业背景集合，旁征博引，运用现代信息技术手段将课件设计得更加有新意，多引入与实际工程相关的内容，有意识地提升学生对课程的认识及实际工程的感知能力，并结合计算机软件技术，融入实际工程案例的分析来讲解“岩石动力学”，提高学生解决科研课题的自主创新能力。

结合“岩石动力学”的课程特点，针对岩土工程专业研究生对该课程的不同要求，找准教学中存在的难点，优化教学方案，激励学生的自主创新意识，提高研究生课堂教学的高效性及有效性，[3]为后续论文及课题的开展培养创新思维。

1 课程教学中存在的问题

地震、冲击、爆破等动荷载作用于岩石或岩体的分析中，动力控制方程包含非线性、非定常及非平稳项，动力响应具有瞬态性及随机性，相比静力分析，其概念抽象、公式冗长及求解复杂，本科教学中的以“课堂”“教师”及“书本”为中心的教学方式不利于学生对该课程知识点的理解，教学效果不好。为此，将岩石动力学理论与计算机、科研课题或工程案例分析相结合，变静态封闭为动态开放的教学，引导学生主动参与、自愿探究、勤于研发，是当前教育巨大挑战亟待解决的关键课题。面对本科基础不同的研究生，[4]教学中不可一概而论。现有的教学存在如下问题：

1.1 课程自身的抽象性

“岩石动力学”课程涉及面广、内容多及公式复杂难懂，需要前期的“岩体力学”“结构动力学”及“地震动力学”等先修课程。课程教学中会推导理论公式，然后结合案例讲解理论知识，经常发现学生对很长或符号不常见的理论公式看不懂，不清楚出处，对理论推导无从下手，理解有难度，感觉枯燥乏味，学习兴趣不大。另外，岩石动力学的工程背景不清楚，理论联系实际的能力也不足。即使对理论掌握较好的研究生，也不知如何运用动力学的相关理论解决实际工程问题。

1.2 教材缺失

研究生“岩石动力学”课程是岩土工程专业的专业课程，课程教学中没有统一的教材，主要依据教师对岩石力学理论、结构动力学理论以及地震或爆破等作用的岩石动力学理论，综合形成符合岩土工程专业的简易教材和课件，由于课程涉及的相关课程理论较多，很难在课件中完全展示相应的理论、公式推导或案例计算过程，学生课后复习的难度加大。

1.3 学习方法不当

岩土工程专业的研究生，本科期间大概接触过部分岩石动力学理论，结构动力学及地震动理论掌握少。第一次接触该专业课需要补充的知识点太多，对动力导致岩石或岩体力学响应的状态没有概念，无法理解岩石动力学理论公式及各项复杂的偏微分方程。由此，很难把握该课程的学习节奏，找不到适合自己的学习方法，大多数学生觉得该课程的学习难度大、枯燥、无用等。通过现场计算机软件的演示，加上通俗易懂且生动的工程案例展示，特别是在现场对案例进行计算机模拟分析，可以调动学生对课题研究的兴趣，更容易理解理论及其在工程中的应用。

针对以上问题，可以引入更为普遍的工程实例，结合理论与应用中的问题编写教材，扩大学生的视野，认识课程内容的工程实践意义；并结合科研案例或工程案例，运用计算机现场演示的方案，展示岩体的动力学特征及动画响应，使得学生更直观地认识动荷载下的岩石或工程岩体动力响应过程。

2 课题融入式的课程教学初探

2.1 课程内容的合理化

岩石动力学与边坡、库岸、隧道等工程密切相关，重视基础的同时，需要注重实践应用，科研课题的选择可从易到难，逐步深入地讲解不同工况的岩石力学响应。例如：岩石边坡动力问题中的数值模拟方法，如何实体边坡进行离散化，动荷载如地震、震动或爆破应该以何种形式加到边坡模型上，讲解中通常结合波动理论，阐明荷载在边坡上的施加方式，说明与静力加载的显著差异。

2.2 基于计算机软件的课堂演示

学生对大型工程认识的缺乏，室内试验也无法直观了解岩石或工程岩体在动荷载下的力学响应，特别是大型振动台试验价格昂贵，很难有机会进行这种形式的现场教学。计算机信息技术的发展，使得课堂上的计算机仿真[5-6]演示越来越便利，可以帮助学生更好地理解动力学概念，学生也可通过程序编写或软件界面操作，提高自主学习并深入研究的能力。

有限元软件如ANSYS 由于功能强大，在岩土工程领域应用非常广泛，可以直观地进行建模、计算和后处理，获得动荷载下的岩石或岩体位移、应力及变形的动画。例如，分析岩石基础的地震动响应，先建立一个岩石基础的有限元模型，如图 1（a）所示，施加规则地震荷载如图 1（b）所示，经计算获得不同点的位移时程。分析地震波作用下的岩石地基位移时程，帮助学生认识动力荷载下岩石的力学响应规律。另外，对比Shake 程序获得的速度时程，阐明计算机软件模拟的适用性。

通过计算机软件的现场演示，学生能清晰地认识岩石地基在规则波深入过程中的响应特征，更宏观地把握其时程响应，并在课后的软件实践操作中加深工程应用的概念。

图1 有限元模型及荷载时程

2.3 科研课题的融入与展示

为了充分理解所学的岩石动力学理论，课堂教学中引入科研课题或工程案例是必不可少的。老师引导学生围绕一个共同任务进行探索，查阅多方面资料，基于计算机软件进行自主模拟分析，充分发挥学生的主体作用，引导学生在完成既定任务的同时进行自主实践。例如，教学中事先布置的任务是分析加固边坡的地震响应，给出一个格构加固工程边坡的实际尺寸以及地震波数据，学生首先查阅类似的参考文献，明确边坡地震响应的分析思路，认识到地震动数据大都是加速度时程，而速度和位移时程需要由加速度积分获得，且采集的数据误差大，积分得到的速度和位移时程会出现基线飘移。明确了实际工程中的问题后，首先应用“SeismoSignal 软件”进行地震波的基线校核，数值积分获得速度和位移时程。将其地震波输入到已建立的边坡模型中，如图2 所示，计算得到地震作用下边坡格构柱的弯矩时程，根据时程变化规律，评价边坡的加固效应。

图2 边坡有限元模型及动力响应

3 结语

研究生教学与本科教学模式差异显著，是一种旨在提高学生“创新能力培养”的灵活方式。对“岩石动力学”课程教学，开展符合岩土工程专业研究生的课堂教学模式，是提高新工科背景下研究生科研能力的关键。

（1）针对研究生“岩石动力学”课程教学中存在的问题，提出基于计算机软件的现场演示方法，阐明融入课题的教学方法是新思路。

（2）基于计算机软件的课堂演示，论文通过三维数值模拟，分析规则地震波作用下的岩石地基力学响应，使得学生更直观地把握岩石的动力学特性，引导学生更深入地理解理论知识及工程应用概念，改善课堂教学效果。

（3）课程教学中应融入科研课题，通过工程加固边坡的动力响应分析，特别是动荷载下的位移和力时程分析，学生更清晰地认识到实际工程安全评价的分析方法，提高了学生独立思考和解决问题的能力，最终引导学生由被动学习变为主动求知求教。