新工科课程教学设计与实践

2022-03-24关凯朱万成刘洪磊侯晨张鹏海

高教学刊 2022年6期

关凯朱万成刘洪磊侯晨张鹏海

摘要：新工科教育注重培养具有较强实践能力和国际竞争力的未来复合型人才。岩石力学作为采矿工程等工科相关学科的重要专业课程，对学生科学基础知识和工程分析能力培养具有重要作用。针对目前课程教学中岩石力学理论与矿山工程应用结合不够紧密等难题，文章以应用岩石力学课程教学为例，结合多手段教学方法提出课程教学思路，即以服务于矿山安全高效开采为核心目标，以岩石和岩体为重要支撑，以岩石力学分析和监测方法为骨干内容，建立起岩石力学基础理论与采矿工程实际应用之间的联系。

关键词：岩石力学;教学设计;理论联系实际;工程思维

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2022）06-0071-05

Abstract： The new engineering education focuses on the cultivation of future compound talents with strong practical ability and international competitiveness. As an important professional course of mining engineering and other engineering related disciplines， Rock Mechanics plays an important role in cultivating students' basic scientific knowledge and engineering analysis ability. In view of the problem that the theory of Rock Mechanics is not closely combined with the application of mine engineering in the current course teaching， taking the teaching of Applied Rock Mechanics as an example， combined with the multi-means teaching method， the course teaching idea is put forward， that is， taking rock and rock mass being the important support， and the rock mechanics analysis and monitoring method being the backbone content， the relationship between the basic theory of rock mechanics and the practical application of mining engineering is established， which aims at serving the safe and efficient mining of mines.

Keywords： Rock Mechanics; teaching design; integrating theory with practice; engineering thinking

礦产资源是发展国民经济、保障国家安全的物质基础，而岩石力学是支撑地下及露天矿山工程行稳致远必不可少的基础学科。东北大学应用岩石力学着眼于将岩石力学应用解决采矿工程问题，通过介绍岩石力学参数测试、岩体质量分级、地应力、围岩状态及其检测等内容，将岩石力学用于指导采矿设计，该指导作用贯穿于矿山开拓、采准、切割、回采及复垦等工程的全生命周期，并对矿山动力灾害的预测、预警和防控提供重要的理论与技术指导。

在新工科教育背景下，培养具有实践能力强、具备国际竞争力的面向未来复合型人才是其中的重要理念，需要在专业布局优化、学科交叉融合及工程教育“新体系”建设等方面推进多样化和个性化人才培养体系的搭建[1]。在新经济形势下，从未来的资源开发角度来看，矿山工程将面向深部开采、智能采矿和绿色开发方向发展[2]，以现代采矿工程人才需求为导向，探索提升传统岩石力学课程的教学体系，运用与前沿理论和技术相融合的教学设计思路和方法，致力于培养学生扎实的岩石力学基础和应用岩石力学知识体系解决矿山工程实际问题的创新能力，是岩石力学教学中实践新工科教育理念的一个较好尝试。

考虑到岩石力学在采矿工程实践中的突出作用，当前地矿类高校均将其作为采矿工程等相关专业本科教学的主干课程，并在教学改革及人才培养中进行了诸多尝试，取得了丰富的进展。李擎等[3]从优化教学内容、丰富教学手段和改善考查方式等方面进行了岩石力学教学改革，以克服学生被动学习的教学现状。包春燕等[4]和刘溪鸽等[5]提出利用现代计算力学新理论、新方法对岩石的损伤失稳破裂过程进行数值模拟试验，突破传统岩石力学物理实验观测难、重复难等诸多难题，探索了一条岩石力学课程教学改革的新路。年廷凯等[6]通过改进多媒体课件、优化实验及数值模拟环节等手段来丰富岩石力学教学内容，使其更加充分兼顾理论教学、物理实验与数值仿真三个方面。刘宗辉等[7]为了激发学生对岩石力学实验的学习兴趣和热情，提出了“基本-综合设计性-个性培养”三个层次的实验教学改革思路，并对不同层次的具体实施措施进行了细致阐述。

随着我国科技的发展，信息技术和现代教育手段也逐渐应用于课程教学中，不断创新教学手段，有利于实现学生互动式学习和教研相长。由于虚拟现实技术（Virtual Reality）能够将实际工程素材融合于计算机建模中，具有增强现实感官效果且成本较低的优点，因此在教学应用中愈加受到高校的欢迎。杨天鸿等[8-10]全面介绍了东北大学金属矿山岩石力学与安全开采国家级虚拟仿真教学实验中心虚拟现实系统的设计与实现，并将其应用于岩石力学参数估算、岩体质量分级以及岩石破裂过程三维可视化教学中，极大地调动了学生的学习热情，加深学生对岩石力学理论及实验的理解，提高了学习效果。王培涛等[11]探索协同虚拟现实技术和3D打印技术的“虚实结合”教学模式，并基于岩土工程实例进行了较好的实践教学应用。左伟芹等[12]提出需将翻转课堂的教育模式运用于岩石力学的课堂教学中，借助于微课程、MOOCs平台等多元化教学方式，将传统的被动式学习转变为主动学习，充分体现学生学习的主体性和参与度。

岩石力学的服务对象为矿山工程，这就决定了岩石力学的教学设计要以工程应用为背景，需要在岩石力学基础理论和矿山工程实践应用之间建立紧密联系，推进和加强岩石力学在采矿工程中的应用，在培养学生专业基础理论素养的同时，提升学生的工程哲学思维。本文结合东北大学岩石破裂与失稳研究所开设的应用岩石力学本科生课程，探索建立教学设计思路和实践手段，旨在有效衔接起岩石、岩体基础理论与采矿工程应用之间的联系，增强学生对于岩石力学在矿山工程应用的理解，以期提高应用岩石力学课程的教学质量和实现人才培养目标，为将来学生运用岩石力学知识体系更好地服务于矿山工程奠定基础。

一、存在问题及教学设计思路

（一）岩石力学教学中的不足

在新经济形式下，特别是在矿山工程向地球深部进军的发展新格局下[13]，矿山科研及技术人员面临的灾害处置及技术革新等难题愈加复杂，对于岩石力学人才的培养，更要客观思考目前岩石力学人才教育存在的问题，即矿山工程专业学生缺乏实践性以及利用专业科学素养解决工程实际问题的能力。造成上述问题的主要原因可以归纳为以下几方面：

（1）课程内容需更新，教学方法需创新。在传统的岩石力学课程教学中，侧重于介绍岩石力学基础理论和计算方法，岩石力学理论与矿山工程应用结合不够紧密;同时，由于大规模工业生产及国防建设的需求，岩石力学研究有了突飞猛进的发展，教学内容严重滞后于目前岩石力学与工程的高速发展。传统线下教学模式比较单一，迫切需要采用现代信息技术和教育手段提升课程的教学效果。

（2）实验室实验难以大量有效开展。岩石力学的很多实验费时、费力、费钱，难以在实验室完成。例如，采矿工程中遇到巷道的冒顶、塌方、突水、岩爆以及边坡失稳滑移等矿山动力灾害现象，也难以采用物理相似试验进行有效开展、并向学生进行直观演示。

（3）实验现象难以观察、监测数据难以解析。岩石中应力状态及能量释放、转移和集聚过程比较抽象，难以通过肉眼直观看到;此外，矿山岩体工程分析和监测产生了大量的数据，学生短时间内难以实现数据的整理、挖掘、分析和理解。

（二）应用岩石力学课程的教学设计思路及其实践

矿山工程的稳定性与岩体性质和周围的赋存环境状态密切相关，岩体由岩块和结构面构成，而岩体赋存环境可通过岩石力学分析和现场监（检）测手段进行表征。因此，要实现岩石力学基础理论与矿山工程的紧密联系，岩石力学课程教学设计思路应着眼于岩石、岩体、赋存环境以及岩石力学分析和监测方法这四方面。

应用岩石力学的总体教学设计思路如图1所示。该课程以服务于矿山安全高效开采为核心目标，以构成采矿工程基本单元的岩石和岩体为两个重要基础支撑，以岩石力学分析和监测方法为重要纽带和服务躯干，有效建立起岩石力学基础理论与采矿工程实践应用之间的紧密联系。为夯实基础、行稳致远，岩石的教学内容应当包括岩石的离散性、物理力学性质和力学实验方法，岩体的教学内容应当包括岩体结构特征、地应力及赋存环境和岩体质量分级;然后以岩石力学分析和监测方法为重要纽带和桥梁，有效衔接起岩石、岩体基础理论知识与采矿工程应用之间的稳固三角关系，采矿工程为岩石和岩体提供取样环境和地质条件，岩石和岩体为采矿工程提供力学参数和结构特征，借以岩石力学多手段的分析和监测方法，实现岩石力学基础理论在采矿工程中的实践应用，最终为矿山动力灾害致灾机理与灾害分析、灾害防控与采矿设计以及灾害预测预警云平台的搭建提供重要指导。

（1）岩石

岩石是地壳表层岩石圈的主体，也是构成矿山开采环境的基本单元，因此在应用岩石力学教学中首先需要学生了解岩石离散性及其物理性质和力学性质。在教学过程中，通过结合室内物理实验、上机数值试验以及课堂讲解等多手段让学生掌握岩石强度和变形的测试方法。

例如，岩石的力学性质具有离散性，一方面与岩石本身的非均匀性有关，另一方面也与人为因素（试样的加工及测试条件）有关。如果通过开展室内物理实验来让学生认识测试参数的离散性，在教学时间上不允许;如果只是片面地講解，则显得比较抽象和空洞。然而，开展数值模拟则有利于认识这种离散性，并为消除离散性提供理论依据。如图2所示，为了反应岩石本身的非均匀性，采用RFPA数值试验方法来开展岩石破裂过程的数值试验[14]，通过揭示岩石的破裂机理，加深学生对于这种离散性的认识。对于外部因素（试样形状、测试条件等）的影响，通过开展不同工况的数值试验，解析测试结果具有离散性的原因。这一方面弥补了不能开展大量物理实验所带来的岩石基础理论学习不足的弊端，更重要的是通过数值试验加深了学生对于岩石破裂机制的认识，这对于将岩石力学应用于解决矿山工程实际问题是非常有益的。

（2）岩体

对于岩体结构面性质，在教学中结合实际工程案例和最新的结构面摄影测量技术，提升学生对现场复杂地质结构类型及分布特征的直观认知。图3所示为运用ShapeMetriX 3D三维不接触测量系统对某矿山进行的结构面产状信息采集和分析，通过对结构面进行清晰摄影、展示和产状统计，帮助学生直观形象地认识岩体结构类型以及结构面产状信息的采集分析方法，提高学生对于结构面性质的理解程度。

由于工程岩体尺度较大且矿山现场存在一定安全隐患，所以无法让每一位学生到实际工程岩体旁进行每一个结构面的识别统计和岩体强度估算，本课程基于Unity3D引擎开发了“岩石及岩体力学参数估算虚拟仿真实验”平台，可以让学生在线进行从目标区域选取、岩石力学参数测试、结构面虚拟仿真识别、赋存环境表征、岩体强度估算到岩体质量分级的整个操作流程，如图4所示。由于学生对于虚拟现实这种新技术十分感兴趣，将虚拟现实技术应用于岩石力学课程教学中，极大地调动了学生的学习热情，提高了学习效果。此外，通过该虚拟仿真平台进行矿山三维漫游，学生能够根据岩体质量等级划分结果对矿山不同区域进行工程灾害风险评估，进而提出针对性的灾害防控建议，有利于实现“教与学互动、理论与实践结合、能力与兴趣共增”的教学目标[8，15]。

（3）矿山岩体工程

为了搭建岩石力学基础理论和矿山岩体工程应用之间的联系，需要向学生介绍岩石力學分析及监测矿山岩体工程稳定性的基本方法和手段，并在传统分析方法的基础上，更新讲解最新的工程岩体数值试验方法和工程现场监测设备。通过国家级虚拟仿真实验平台，结合数值试验方法，让学生身临其境体验矿山灾害发生的时空演化过程（图5），指导学生针对性地进行灾害防治及采矿方案的优化设计，让抽象的矿山岩石力学问题具体化和形象化;学生根据虚拟矿山遇到的岩石力学问题，可以采用数值试验进行机理探索，实现互动式学习。同时，通过参观校内搭建的深部模拟巷道和本科生巷道实训基地，让学生进行更真实的实践和了解现场工程不同的监测手段。

此外，课程还充分利用东北大学岩石破裂失稳研究所搭建的矿山灾害监测预警云平台，结合工程案例，向学生展示大数据及物联网等前沿信息技术在矿业工程中的应用情况，可视化矿山生产及监测数据的采集、挖掘、岩石力学计算分析、灾害预测预警及警情发布的整个流程，极大地拓宽传统岩石力学分析方法的功能，激发学生创新动力，提高学习兴趣。

二、结束语

新工科背景下增强学生解决专业科学问题的能力以及解决工程实际问题的能力符合矿业工程学科及社会需求的发展趋势。本文探索了应用岩石力学的课程设计思路，从岩石、岩体、岩石力学分析和监测方法以及矿山岩体工程等教学内容为出发点，结合工程案例、物理实验、数值模拟、虚拟现实、实训基地以及前沿信息技术等多手段教学方式，有效建立起了岩石力学基础理论与采矿工程实践应用之间的紧密联系，强化了学生的理论科学素养和工程哲学思维，同时提高了学生的学习热情和积极性，有利于学生专业综合素质的提升。

参考文献：

[1]吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[2]朱万成，关凯，闫保旭，等.采矿发展趋势及未来人才知识结构需求[J].教育教学论坛，2018（30）：15-19.

[3]李擎，郝长胜，郑文翔，等.采矿专业岩石力学课程教学改革研究[J].教育教学论坛，2016（51）：91-92.

[4]包春燕，罗琳，李安原，等.基于数值实验的本科“岩石力学”教学模式改革探讨[J].绍兴文理学院学报（教育版），2020，40（1）：57-62.

[5]刘溪鸽，朱万成，魏炯，等.岩石力学数值模拟方法用于采矿工程的技术经济探讨与教学实践[J].中国矿业，2016，25（1）：155-160.

[6]年廷凯，杨庆，张金利.研究生岩石力学课程教学改革的若干思考[J].中国建设教育，2013（6）：44-46.

[7]刘宗辉，周东，胡旭，等.岩石力学三层次实验教学体系建设探索[J].实验室研究与探索，2019，38（5）：140-143.

[8]杨天鸿，张春明.金属矿山岩石力学与安全开采虚拟仿真教学实验中心虚拟现实系统设计与实现[J].实验室科学，2019，22（3）：171-177.

[9]张春明，杨天鸿.岩石破裂过程声发射动态显示虚拟现实实验教学系统[J].微型电脑应用，2020（7）：4-7.

[10]刘溪鸽，杨天鸿，张鹏海，等.基于虚拟现实技术的岩石力学数值计算与三维可视化[J].金属矿山，2015（8）：20-23.

[11]王培涛，任奋华，蔡美峰.基于虚拟现实和3D打印技术的“虚实结合”教学模式在岩土工程课程中的应用探索[J].高等建筑教育，