“岩石力学与工程”教学初步探索

马振乾，周 浪，左少杰，王子一

（贵州大学 a.矿业学院；b.国土资源部喀斯特环境与地质灾害重点实验室，贵州 贵阳 550025）

引言

随着现代新媒体技术的不断发展，多元化教学模式已被广泛应用于各大高校的课程教学中，传统教学模式不断受到冲击，单一的教学方式已不能适应教学要求。“岩石力学与工程”作为采矿工程专业的必修课程，涉猎行业极其广泛，适用性强，同时也是一门理论、实验与实践结合紧密的特色专业课程，旨在研究岩体力学性态、变形和稳定性问题。课程涵盖岩体的质量评价及其分类理论方法、地应力及其测量理论和方法、岩石的流变理论和强度理论，通过分析边坡工程岩体稳定性、岩石地基承载力与稳定性，强化学生对工程问题的认识和理解。

传统“岩石力学与工程”课程教学方式单一，多数采用板书的形式进行教学，无法调动学生的积极性，难以培养和激发学生的创新意识和创新能力，对于学生发现、分析和解决岩石工程实际问题综合能力的提高作用微乎其微。随着经济的飞速发展，多数高校已为“岩石力学与工程”课程配套了多媒体和基本的岩石力学实验设备，“板书+多媒体+实验”的教学方式大大提高了学生的积极性。但由于一些岩石力学实验条件苛刻，室内实验得不到想要的效果，这时往往需要借助虚拟仿真手段，才能够达到实验目的。

李晓蓉等［1］借助有限元ABAQUS开展了单、三轴岩石力学数值实验，充分提高了学生分析和理解岩石力学问题的能力；王述红等［2］把岩体真三维建模仿真技术引入岩石力学教学改革中，取得了良好的效果；张义平等［3］把数值模拟系统RFPA引入“岩体力学”课程教学，加深了学生对岩石破坏过程的理解；张晓君等［4］通过在“岩体力学”课堂上演示数值模拟教学，激发了学生对科研的兴趣。

本文借助中国科学院武汉岩土力学研究所和东北大学共同研制的能够对工程岩体破裂过程进行模拟和计算的软件系统CASRock，通过数值仿真软件内嵌的RFD（岩石破碎程度）模块让岩石破碎过程更加可视化，完整呈现岩石裂隙扩展过程，让学生对岩石破坏机理有更具体的认知，对调动学生学习积极性、鼓励学生投身科研有着显著作用。

一、传统“岩石力学与工程”课程教学的局限性

（一）授课方式单一

“岩石力学与工程”作为采矿类专业最基础的一门课程，其重要程度不言而喻，然而由于课程内容多涉及一些较深奥的理论知识以及多种推导公式，导致讲授过程枯燥乏味，无法培养和激发学生的创新意识和创新能力，更不能学以致用，这便失去了开设这门课程的意义。为此，很多教育者进行了研究。顾晓薇等［5］在工科类专业课程教学中融入社会责任感、爱国情怀，旨在培养全方位复合型人才；赵娜等［6］将工程案例引入教学，与抽象的理论相结合，有效地激发了学生的学习兴趣。即便如此，部分高校依旧没有改变授课方式单一的问题。

（二）实验室基础设备不健全

“岩石力学与工程”作为一门以实验为基础的实践性课程，其授课质量一定程度上取决于实验室设备的情况。然而多数高校由于受教学经费、学校驻地、实验室建设情况以及校领导的重视程度等多因素影响，导致实验室设备不全、现存设备基本没有检修、很多设备已不能使用，甚至一些院校连最基本的实验室都没有，这样培养出来的学生大多缺乏实际操作能力，与培养全方位复合型人才的目标背道而驰，这无疑是目前部分高校教学模式中存在的较大的缺陷。

二、教学探索与尝试

“岩石力学与工程”课程的教学目的是让学生熟悉并掌握岩体工程中岩块、岩体的概念以及岩石成分、结构和构造等基本概念，进而强化学生在岩石工程实际中发现问题并解决问题的能力。对该课程教学模式进行改革，使得高校在工程教育认证的背景下，结合时代发展需要培养具备相应专业能力的高素质全方位复合型人才。根据对传统教学局限性的分析，本节从工程教育认证的背景出发，对“岩石力学与工程”课程提出以引入数值仿真实验为主，授课方式多元化、培养学生主观能动性为辅的教学改进方法。

（一）授课方式多元化

在工程教育认证背景下，“学生中心”是基本的教学理念。通过对前人研究进行分析，针对目前授课方式单一的问题，高校教育者还需要进一步改善授课方式。随着工程教育专业认证的进一步推广，强调以学生为中心，围绕培养目标和全体学生毕业要求的达成进行资源配置和教学安排，并将学生和用人单位满意度作为专业评价的重要参考依据。

新时代应以全方位复合型人才为目标来培养学生，高校作为人才培养的摇篮，应利用教师流动性大的特点安排教师串堂讲课。如当“岩石力学与工程”课程需要画图才能有助于学生理解问题时，可适当安排美术类课程的教师来作图。此外，教师可以通过具体的工程案例帮助学生理解抽象的理论，同时还可以聘请相关公司负责人对学生进行专题类的讲解。通过这些手段使授课方式多元化，对于激发学生的学习兴趣、培养学生的创新意识和创新能力以及把学生培养成全方位复合型人才有一定的积极意义。

（二）培养学生的主观能动性

主观能动性也叫自觉能动性，是人类特有的能力与活动。发挥主观能动性是用科学理性的眼光去发现问题、解决问题，用辩证唯物主义和严谨的逻辑思维指导学习。当下学生正处于头脑和身体都飞速发展的时期，对于新事物接受快、学习迅速，在这样的黄金时期能够充分调动自身的主观能动性进行思考，对学生来说将达到事半功倍的效果。

在现代教育的课堂教学中，多数学生处于被动接受学习的状态，对于“岩石力学与工程”这类理论、实验与实践结合紧密的课程，若不能发挥学生的主观能动性，培养出的学生也只是理论知识方面较为擅长，但无法在基础知识理论上进行创新，长此以往会使得此学科领域的创新止步不前。李四光说：“一些陈旧的、不结合实际的东西，不管那些东西是洋框框，还是土框框，都要大力地把它们打破，大胆地创造新的方法、新的理论，来解决我们的问题。”爱因斯坦说：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进步的源泉。”由此可见，主观能动性在学生的学习生涯中有着不可替代的作用。如何培养学生的主观能动性？本文归纳出以下几点。

1.突破新知，重在参与。实践出真知，这是获取知识最直接的途径。在工程教育认证背景下，新知识的教学已不能再采用过去简单的教师传授、学生领悟的教学模式，而是要求学生联系实际，在实际的岩体工程实践中发现问题并解决问题。

2.营造和谐的课堂氛围。现代教育课堂教学中，教师和学生应保持互动。学生作为学习的主体，其主观能动性与创造性需要教师的引导与开发。优化师生关系，促进学生主动发展是激发学生主观能动性的主要因素。作为教师应该清晰地认识到：构建和谐的师生关系、缩短师生间的距离是促进学生主动思考的重要方式。

3.开展自主创新性实验。教师可根据“岩石力学与工程”课程教学大纲设置实验目标达成度指标，对于这种实验性强的课程，学生可根据自己的能力自主设计创新性岩石力学实验，作为完成本课程实验模块部分，同时也是本课程期末总评的指标之一。在整个创新性实验设计过程中教师可以进行答疑，但不可帮助学生操作实验。这样能够最大限度地调动学生的主观能动性，促进学生创新思维的发展。

（三）教学中引入数值仿真实验

由于“岩石力学与工程”课程授课方式单一、基础实验设备不完善等因素，导致教学存在很大的局限性，而高校的培养目标是将学生培养成全方位复合型人才。在传统教学局限性不易改善的情况下，数值虚拟仿真逐渐被引入“岩石力学与工程”课程教学中，对提高学生科研兴趣、培养学生创新意识和创新能力有积极意义，取得了良好的教学效果。

与传统岩石力学室内实验相比，数值虚拟仿真具有方便灵活、通用性强等特点，被广泛应用于教学实践中。近年来，国外相继开发了各种各样的数值模拟计算软件，主要包括有限元（如Abaqus、Ansys、FEM、FLAC）、离散元（如UDEC、DEM、PFC）等。但这些数值软件的系统都比较庞大，全英文界面对学生来说并不太友好，学习起来相对复杂。国内近几年推出的数值仿真软件CASRock由于其友好的中文界面，受到了各大高校工科类教师的推崇，并迅速在“岩石力学”教学领域广泛应用。下文将简单列举该软件在“岩石力学与工程”教学中的应用以及所取得的教学效果。

三、CASRock在教学中的应用

（一）二维单轴压缩破裂过程模拟

对岩石进行单轴压缩仿真实验，部分模拟结果如图1所示。

图1 单轴压缩破裂过程数值模拟

对初始模型进行位移加载控制，由图1可知，当模型计算到第78步时，岩石内部萌生出微裂隙，随后裂隙逐渐扩展（其中RFD表示岩石破碎程度）。加载到第87步时，裂隙继续扩展并由原来的一条裂隙扩展为两条裂隙。加载到第104步时，两条主裂隙继续发展并在两条裂隙之间重新产生新裂纹。从图中学生可直观地看出应力-应变曲线的四个阶段以及每个阶段所对应的岩石压缩破坏的情况，用曲线和破坏图相对应的形式展现给学生，相比于只讲复杂理论来说学生更易接受，进一步加深了学生对岩石力学的基础概念的理解。

通过图1对岩石破碎过程裂隙的演化过程，使学生对岩石破碎过程有了更直观清晰的了解，对岩石破碎过程中裂隙的萌生—扩展—贯通的过程有了基本的认识，同时增强了学生对岩石破坏机制探索的兴趣，对提高学生的学习积极性有显著效果。

（二）真三轴压缩破裂过程模拟

地下岩石工程在“岩石力学与工程”课程教学中占有重要的地位，并且地下围岩受力情况往往不是单一的拉伸或压缩，通常都是多个方向受力。但由于实验条件限制，岩石真三轴实验学生基本接触不到，需采用数值仿真手段模拟深部岩石受力破坏情况。通过真三轴岩石的数值模拟，让学生对岩石的三轴实验破坏过程有基本的了解，对地下深部岩体受力破坏有初步的认识。将深部复杂的岩体工程简化成单个的实验，由浅入深逐渐启发学生的思维，激发学生的科研兴趣，提高了授课的质量。

结语

本文通过分析传统“岩石力学与工程”课程教学存在的局限性，提出以在教学中引入数值仿真实验为主，以授课方式多元化、培养学生主观能动性为辅的教学改进方法，针对实验室基础设备不健全的问题引入了工程岩体破裂过程自动机分析软件CASRock，通过对岩石进行二维单轴压缩和真三轴岩石压缩破裂过程演示，使学生对岩石破坏过程中裂隙的萌生—扩展—贯通阶段有了清晰的认识，进一步加深了学生对“岩石力学与工程”课程基本概念和相关知识点的理解。通过数值模拟的演示，丰富了课堂内容，解决了传统教学难以深入，授课资料不直观、不丰富且片面的问题，激发了学生的学习兴趣以及投身科研的决心，一定程度上拓宽了学生的思维，开阔了学生的眼界，提升了学生将理论与实际相结合的能力，取得了良好的教学效果。