关联性教学在岩石力学实验课程改革中的探索

黄 倩， 潘益鑫， 彭岩岩， 伍法权， 沙鹏， 易红清

（1.绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴 312000；2.浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室，浙江绍兴 312000；3.浙江省有色金属地质勘查局，浙江绍兴 312000）

0 引 言

岩石力学实验课是地质工程和岩土工程专业课程教学中的一门基础专业课，该门实验课以辅助学习、理解岩石力学中相关理论知识点为目的，具有较强的实践性和应用性［1-3］。在实际各类工程应用中，设计一个结构必须考虑其强度、刚度、稳定性，以求得在安全条件下的最大经济效果，这往往依赖于大量的实验资料为设计和施工方案提供数值参考依据，因此岩石力学实验在解决岩土工程、地质工程实际问题中起着重要的作用［2］。通过岩石力学实验课教学可以帮助学生理解复杂工程活动中岩体在受力作用下产生的一系列力学问题，从而更有效地理解掌握岩石力学中的理论知识［4-5］。近年来教育部对高等教育的课程建设提出了高阶性、创新性、挑战度“两性一度”的要求，为此在岩石力学实验课程的开展过程中进行了教学改革的探索，以满足创新型和应用型复合型人才的培育目标［6-7］。

1 岩石力学实验课的现状

1.1 教学内容

由于课程设置上岩石力学实验课与理论课是分别独立授课的，理论课与实践课之间的孤立让该门实验课难以达成帮助学生系统地理解掌握相关知识点。在以往的实验教学中，受课时限制，课程中一般会重点介绍实验设备，通过演示讲解实验操作的步骤和流程让学生掌握每个实验。学习过程中学生缺乏将每一个实验与岩石力学理论课对应的知识点建立联系，难以将理论知识应用在工程中解决实际问题，从而导致实验教学内容与理论知识关联不够密切，没有与工程实例应用结合，难以培养学生学以致用、融会贯通的综合应用能力和解决实际问题的能力。

岩石力学实验课除了与岩石力学理论课密切相关，还与矿物岩石学、工程地质学、土力学、构造地质学等课程相关联，如果实验教学内容仅仅停留在操作步骤流程和计算公式层面，缺乏与其他课程知识点的关联，则无法实现多门课程思维融合、跨课程能力融合以及产学研结合的实践融合，知识的广度和深度受限则难以体现教学内容的高阶性。

1.2 教学设备

岩石力学实验课的开展主要依赖实验仪器设备，然而在实际的课程开展过程中，用于教学的实验仪器多存在落后陈旧或测量精度低等问题，致使教学质量差，学生失去学习兴趣和热情。仪器数量有限，使学生需要分多组进行实验操作致使实际课程耗时远远超出规定课时量，教学时间和精力成本高，为实验教学带来重重阻力。教学实验仪器与科研实验仪器独立分隔，虽然对于部分高精密仪器的保护，考虑维护成本高、操作难度大不对本科教学开放，造成高价购置的先进仪器设备利用率不高，资源浪费。另一方面，用于教学的仪器大多为常规设备，缺乏先进性、智能化，使得学生无法接触到学科发展前沿技术，不能学到最新的测试技术方法。

1.3 教学模式

2 关联性教学理念

结合当下国家对高等教育提出的高阶要求和地质工程、岩土工程行业发展对人才的需求，在岩石力学实验课教学改革探索的过程中，既要充分体现教学内容的高度、深度和广度，又要调动学生学习的兴趣，培养学生的实践能力和综合应用能力，启发学生的创造性思维和批判性思维，将所学到的知识应用到工程案例中解决实际问题，建立必要的关联性思维。

2.1 核心内涵

关联性教学理念致力于让学生建立严密、系统的知识体系，让知识与知识建立关联，科研与实践教学建立关联，课堂教学与工程应用建立关联，这种密切的关联性也体现了产学研一体化的深度融合，促进科研成果、项目成果与教学成果之间的互相转化。

2.2 思路框架

建立关联性教学包括将教学内容分别与对应的理论知识点、先进的仪器设备、工程实例建立关联。其核心思路框架如图1 所示。

图1 关联性教学核心思路架构

（1）关联理论课知识点。本着学以致用的教学目的，在实验课的教学过程中建立每一个实验与理论课知识点的关联，让学生形成系统的知识框架，切实让实验课学习帮助学生深入系统地理解相关理论知识，打破不同课程、不同学科之间的知识壁垒，只有充分理解才能融会贯通地把不同课程学习的知识应用到位。

（2）关联先进的科研仪器设备。高水平的实验教学依赖于先进的教学仪器设备，将先进的科研设备应用到实验教学中，既有效地将科研资源转化为教学资源，又提高了教学内容的前沿性和时代性，让实验知识紧跟时代要求，使培养的人才能更好地适应行业的发展需求。在实验课学习中通过接触学科前沿的仪器设备，有助于挖掘学生的创新潜力，培养科研素养，形成高阶的思维。

（3）关联工程实例。在工科人才的培养中，将实验与相关工程实例融合组织教学，不仅可以丰富教学内容，还能带动学生学习的主动性，激发学习的兴趣，引导学生积极参与讨论。对进一步消化相关知识点，提高知识的综合应用能力都起到促进作用。

3 教学改革实施

3.1 教学内容优化

（1）优化课前预习资源。岩石力学实验涉及到实验原理、操作步骤、计算公式等基础性知识的内容，可以充分利用精选的网课资源，结合超星、智慧树等学习平台，将优化的学习资源上传平台供学生课前预习学习。面对海量的网课资源，学生不可能把所有的资源都学习一遍，授课教师这时就需要花时间对网课资源进行筛选，针对授课学生的特点，对筛选过的学习资源进行简化和凝练，提取重点内容，以便学生提高学习效率。在实验课程预习资源优化的过程中，可以通过附上仪器结构示意图、受力分析图、应力应变曲线图等来帮助学生理解抽象的实验内容，增强预习效果。

（2）深化理论知识。建立每一个岩石力学实验相关联的理论知识框架，例如在抗剪强度实验的教学中，传统的教学内容以室内直接剪切仪操作为主，为了完善学生系统的知识框架，在优化抗剪强度实验预习资源时，加入抗剪强度的分类、抗剪强度的影响因素、剪应力的分布情况，加强实验内容与关联理论知识的结合，避免实验学习与理论知识脱轨。同时还拓展加入抗剪强度室内与现场的其他测定方法的介绍，让学生拓宽了解不同条件下获取抗剪强度的测试方法。

项目经理部按照建设工程施工合同的要求，明确了项目三大控制和安全生产的目标，明确验收标准，施工组织设计，施工图预算等工作。为便于具体的施工，开展资料收集工程具体特点和施工难点分析等工作，为开工申请的顺利获批做好一切准备。

（3）延伸知识拓宽视野。在确保学生掌握基础知识的同时，对实验教学内容进行高阶性优化，适当加入实验相关联的延伸知识，以拓宽学生的视野，提高能力素养和高级思维。例如在单轴压缩实验的内容优化中，增加普通试验机只能产生半程压缩曲线以及刚度对压力试验机影响的内容探讨，强化了学生对单轴压缩实验的全面认知和理解，突显学习内容的高阶性。

3.2 关联先进科研设备

高校作为开展前沿科学研究的场所集聚了一批代表科技先进水平的仪器设备，利用科研团队研发的实验装备包括便携式多功能岩石压缩实验仪和便携式点荷载仪，可以开展单轴抗压强度实验、三轴抗压强度实验、点荷载实验的教学，让学生更直观地理解岩石力学的重要参数：单轴抗压强度、抗剪强度（内聚力和内摩擦角）及点荷载强度。其轻便易携式的特性让实验教学可以结合工程项目在野外现场开展。将科研自主研发成果应用到教学中，进行现场采样、测试、无线采集和传输数据，为学生亲临现场的参与式学习提供可能，不仅让学生掌握了先进的测试技术方法，还了解到特定地质条件下岩石的力学性质。先进的仪器设备为交叉融合学习提供了便利条件。

3.3 关联工程实例

考虑岩石力学实验课具有较强的实践性和应用性，结合实验教学内容，走出实验室，走出校门选取校企合作生产单位已有的工程项目地作为开展实验教学的场地，充分利用项目场地资源，将实验课教学与工程实例有机地结合在一起。传统的岩石力学实验教学在室内开展，实验使用的试样多为浇筑的标准岩样，使学生对自然条件下形成的岩石缺乏客观认识，学习内容与实际脱离，难以结合实际应用进行触类旁通的关联性学习。针对这一教学缺陷，利用科研团队研发的新一代便携式实验仪，开展野外现场实验教学。关联工程项目的现场实验教学不仅实现了实验课由室内走向室外，还能将生产实践与理论知识融合在一起，丰富学习内容的同时也提高了学生学习的兴趣，实现了产教融合，满足应用型人才的培养要求。

3.3.1 教学仪器设备

依托浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室平台，由实验中心岩石力学团队研发的便携式多功能实验仪具有便携、智能、高效地获取岩石力学参数的功能，方便在野外现场使用，可以密切结合工程现场组织教学。便携式多功能实验仪如图2 所示。

图2 便携式多功能实验仪

（1）便携式多功能岩石压缩实验仪［见图2（a）、（b）］。实验仪可以对直径2 ～3 cm、高度4 ～6 cm 的柱状岩芯进行单轴压缩试验和三轴抗压强度测试。对实验试件既能进行轴向加压，又能实现围压加压。实验样品在实验现场利用小型化取样工具获取，通过便携式多功能岩石压缩实验仪进行现场试验，同时可以利用手机软件进行记录分析岩石的单轴抗压强度，岩石的黏聚力和内摩擦角的参考值。

（2）液压式点荷载仪［见图2（c）］。主要由实验主机和液压泵两部分组成，包括实验主机底座，油缸，下压头，上压头，固定板，螺杆，上顶板，L型架，放置板组成。仪器采用上下梁、两边柱加载结构与下部油压千斤顶组合，并使用液压泵提供动力。仪器可以对试块施加70 kN的荷载力，适用于强度较大的岩石试件。

3.3.2 教学场地

现场实验教学选取老鹰山石料矿山作为教学场地（见图3），老鹰山矿区位于绍兴市上虞区小越镇东南方向，南侧毗邻上虞区驿亭镇。由于矿区经历了多年的露天开采，岩质边坡大量裸露。受节理切割、长期风化剥蚀影响，局部边坡存在崩塌危岩体，该地区岩体结构面发育，是非常适合开展岩石力学现场实验教学的场地。老鹰山矿山边坡现场距离学校36 km，交通便利，组织学生到现场实验学习可以实现市内当天来回。

图3 老鹰山矿山实验教学场地

3.3.3 教学设计

岩石力学实验课是为学习岩石力学理论课而开设，是边坡工程野外地质调查工作中的重要组成部分，岩石力学实验在工程实践中有着广泛的应用，对岩体的岩性、坚硬度、风化度的描述都要依赖实验测定的力学参数作为判定依据。为直观地让学生了解并学习岩石力学中单轴抗压强度、岩石的黏聚力和内摩擦角、点荷载强度这些力学参数是如何应用在边坡工程中，结合边坡工程现场组织开展实验教学。首先对矿区边坡的情况做简要的介绍，包括现场的地形地貌、地层岩性、工程地质条件、地质剖面揭露情况以及相应结构的分布情况，让学生初步了解矿区边坡在不同高度上的节理发育和风化程度的差异。指出在工程项目中往往会应用岩石力学实验测定的岩石力学参数作为工程分析和设计的判定依据，继而引入如何通过多功能岩石压缩实验仪和点荷载仪测定单轴抗压强度、岩石的粘聚力和内摩擦角、点荷载强度等力学参数，再结合现场利用地质锤敲击、小刀刻痕、表层颜色辨别来分析判断岩石的坚硬度、风化度，从而综合判定边坡岩体的力学特性。

3.3.4 教学效果

实验教学与边坡工程项目的关联，使得实验课学习与工程应用建立了紧密的联系，通过现场实践的应用学习，学生学会将实验技术应用到工程实例中，真正践行了理论联系实际，达到了学以致用的学习目标。在现场教学的过程中，学生通过自己现场采集的岩样进行实验并获取实验数据，对结果的差异性展开讨论学习，例如在矿区采集的外观看似相同的岩样，但测定的数据值却差异较大，在教师的启发引导下，通过仔细观察实验压裂后的岩样内部结构，对比发现内部存在天然裂隙［见图4（a）］或矿物成分填充的岩样［见图4（b）］的强度会低于内部没有裂隙或矿物填充的岩样。学生在现场实验操作学习的过程中表现出浓厚的学习兴趣，积极参与现场讨论，掌握测定岩石力学参数方法的同时，也进一步理解岩石的力学特性与边坡现场工程地质条件的联系。教学内容更贴近实际，深度得到了延伸，体现了实用性和前沿性。在教学形式上突破以往局限在室内实验机上的教学，实现了在野外现场结合工程实例的教学创新。

图4 教学现场采集的天然凝灰岩岩样

4 课程思政

（1）实验教学改革使用到的仪器设备是经过科研团队多次更新换代研发出的便携式多功能实验仪，只有客观认识到现有实验仪器设备的不足，才能对其进行改进和二次开发，研发出功能齐全、应用性能更广的科研设备。这说明否定是事物发展的环节，只有经过否定，旧事物才能向新事物转变。

（2）仪器研发设备是团队力量支持和时间打磨的成果，需要集众人之力，在付出大量的时间和精力后才能锤炼出一款优秀的产品。

（3）学习的过程就像岩石风化的过程一样，是时间积累形成的结果，学习是知识日积月累的一个过程，只有脚踏实地做好专业知识的积累，才能为将来参与科研或从事生产工作提供扎实可靠的专业基础。

5 结 语

岩石力学实验课除了掌握基础的岩石力学测试技术与方法，还要学会运用实验方法解决实际工程问题。在开展现场实验教学的过程中，注重将实验内容与相关理论知识点建立紧密的联系，引导学生学习实验的过程中对知识进行关联整合，建立系统的知识体系；将前沿的科研设备与实验教学相关联，有效地将科研资源转化为优质的教学资源；把相关联的工程案例引入实验教学中，理论联系实际，既丰富了课程内容，也加强了课程学习深度，知识传授与能力培养的有机结合，达到学以致用的终极目标。

关联性教学的实施在前期需要教师付出大量的时间精力做准备，包括教学资源优化、工程案例选择与匹配、场地选取以及关联教学内容的整合，对现场教学的组织需要做好科学合理的安排。关联性教学的开展是岩石力学实验教学改革具有创新性的一次探索，在保持实验教学的基础性、科学性、先进性的前提下，引导学生在现场积极地探索和发现，培养学生的研究能力和实际应用能力，为未来的实验教学改革提供了新思路、新方向。