劉 高，張帆宇，劉小偉，諶文武，趙紅亮，王 娟

蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000

一、前言

巖體力學(xué)(亦稱巖石力學(xué))是研究巖體在各種力場(chǎng)作用下變形與破壞規(guī)律的理論及應(yīng)用的科學(xué)，不僅研究天然巖體的變形破壞，也研究已經(jīng)遭受過(guò)變形和破壞的巖體因各種工程作用使其環(huán)境變化時(shí)的再變形和再破壞規(guī)律[1]，進(jìn)而解決巖體工程中的實(shí)際問(wèn)題。

巖體力學(xué)是地質(zhì)工程、土木工程及相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)學(xué)科。如以地質(zhì)體為工程結(jié)構(gòu)、地質(zhì)體為工程建筑材料、地質(zhì)體賦存環(huán)境為工程建筑環(huán)境的地質(zhì)工程專業(yè)，以地質(zhì)體(土體和巖體)為研究對(duì)象，土力學(xué)和巖體力學(xué)共同為其兩大支柱學(xué)科(“兩條腿”)，通過(guò)運(yùn)用土力學(xué)和巖體力學(xué)的理論方法，研究巖體和土體的基本性質(zhì)及其在工程作用下的變化規(guī)律，分析它們的工程適宜和可利用性，據(jù)此提出合理的利用方案和改良對(duì)策，為工程的合理設(shè)計(jì)、科學(xué)施工和安全運(yùn)營(yíng)提供理論和技術(shù)支撐。隨著人們對(duì)生存環(huán)境和生活質(zhì)量提高的需求，當(dāng)前水利、交通、能源、礦產(chǎn)和高放廢物地質(zhì)處置等工程，無(wú)不向“高、大、深、難”拓展，更多地涉及并依賴巖體力學(xué)。因此，巖體力學(xué)是地質(zhì)工程、土木工程及相關(guān)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程之一，是工程勘查、工程地質(zhì)、地基基礎(chǔ)、邊坡工程、地下工程、地質(zhì)災(zāi)害等后續(xù)課程的先導(dǎo)基礎(chǔ)，在專業(yè)人才培養(yǎng)中具有舉足輕重的作用。

由于研究對(duì)象的復(fù)雜性和服務(wù)對(duì)象的廣泛性，巖體力學(xué)理論要求高、實(shí)踐性強(qiáng)、內(nèi)容龐雜。加之巖體力學(xué)還是一門僅有50多年發(fā)展歷史的年輕學(xué)科，仍處于隨工程實(shí)踐的深入而不斷發(fā)展中，體系尚不完善[2]。因此，知識(shí)龐雜而不系統(tǒng)的巖體力學(xué)很難像土力學(xué)等其他學(xué)科那樣，已有成熟的理論框架和完整的思路，致使教師賣力仍感“不好教”，學(xué)生費(fèi)力但覺“不好學(xué)”，甚至因恐懼而“不愿學(xué)”，影響課程教學(xué)效果及后續(xù)課程學(xué)習(xí)，而且畢業(yè)生從事巖體力學(xué)工作時(shí)，雖知其“很有用”，但感“不好用”甚至“不會(huì)用”，巖體力學(xué)因此而陷入“聲譽(yù)高、信譽(yù)低”[1]的窘境，這引起業(yè)界和學(xué)界高度關(guān)注。1986年，中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)教育工作委員會(huì)在北京召開了“高等學(xué)校巖石力學(xué)教學(xué)工作會(huì)議”[3]。近年來(lái)，針對(duì)巖體工程實(shí)踐不斷深入的新局面及其對(duì)巖體力學(xué)人才的新需求，部分高校紛紛開展了巖體力學(xué)教學(xué)改革探索，包括教學(xué)內(nèi)容[4]、教學(xué)模式[2,5]、教學(xué)方法[6-13]和考評(píng)方法[14-15]等。

綜觀當(dāng)前教學(xué)探索，高校多結(jié)合各自的辦學(xué)特色和定位而有所側(cè)重和針對(duì)，并不完全適合于綜合性大學(xué)。為此，在“蘭州大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目”(綜合性大學(xué)巖體力學(xué)教學(xué)改革)和“蘭州大學(xué)主干課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目”(巖體力學(xué))資助下，參考巖體力學(xué)及相關(guān)課程既有教改經(jīng)驗(yàn)和成果，針對(duì)綜合性大學(xué)的特點(diǎn)、人才培養(yǎng)目標(biāo)與定位，我們開展巖體力學(xué)的教學(xué)綜合改革研究，探索適合于綜合性大學(xué)的巖體力學(xué)的知識(shí)體系與教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法和教學(xué)手段等，以提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)知識(shí)和能力兼?zhèn)涞母咚刭|(zhì)巖體力學(xué)人才。本文是這兩項(xiàng)教學(xué)研究成果的總結(jié)。

二、教學(xué)內(nèi)容與知識(shí)體系

巖體力學(xué)一直是我校地質(zhì)工程專業(yè)的基礎(chǔ)課。根據(jù)巖體力學(xué)的特點(diǎn)以及知識(shí)更新和人才需求的變化，結(jié)合近40年的教學(xué)實(shí)踐，不斷完善巖體力學(xué)教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建“以三大先導(dǎo)學(xué)科群為基礎(chǔ)、巖體三大組成要素為紐帶和三大研究?jī)?nèi)容為總綱”的巖體力學(xué)框架體系，簡(jiǎn)稱“333體系”，為巖體力學(xué)的教學(xué)提供完整的思路和框架。

1.三大先導(dǎo)學(xué)科群

巖體力學(xué)不僅需研究巖體的基本地質(zhì)特征和物理力學(xué)性質(zhì)，也要研究由于賦存環(huán)境變化(天然的和工程作用力疊加的)后的再變形和再破壞的規(guī)律，還要研究它對(duì)工程的適宜性，因此，巖體力學(xué)理論基礎(chǔ)要求高、工程實(shí)踐性強(qiáng)，涉及復(fù)雜理論基礎(chǔ)和眾多先導(dǎo)學(xué)科，缺乏這些基礎(chǔ)或基礎(chǔ)不強(qiáng)，都直接影響到巖體力學(xué)的“教”與“學(xué)”。

基于巖體力學(xué)知識(shí)和能力并重的培養(yǎng)目標(biāo)，我們提出以地質(zhì)科學(xué)、數(shù)學(xué)和力學(xué)三大學(xué)科群為巖體力學(xué)的先導(dǎo)基礎(chǔ)。其中，基礎(chǔ)地質(zhì)學(xué)科群包括礦物巖石、構(gòu)造地質(zhì)、工程地質(zhì)、工程地質(zhì)勘察、地球物理和水文地質(zhì)等；數(shù)學(xué)類學(xué)科群包括微積分、概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、線性代數(shù)和空間解析幾何等；力學(xué)類包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、流變力學(xué)、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)、流體力學(xué)等。本課程對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)所涉及的這些先導(dǎo)知識(shí)的掌握程度和能力提出明確要求，課程中強(qiáng)調(diào)并突出這些知識(shí)的綜合應(yīng)用，這使學(xué)生在先導(dǎo)課程學(xué)習(xí)期間明白“有何用”，巖體力學(xué)中知道“如何用”，從而保證了巖體力學(xué)內(nèi)容的理解、方法的掌握與運(yùn)用，提高了教學(xué)效果。

2.三大知識(shí)版塊與知識(shí)點(diǎn)

針對(duì)巖體力學(xué)知識(shí)龐雜和體系不完善的現(xiàn)狀，基于巖體力學(xué)工作的流程以及人們對(duì)事物的認(rèn)知過(guò)程和思維過(guò)程，對(duì)巖體力學(xué)知識(shí)進(jìn)行詳細(xì)梳理，以“巖體的地質(zhì)特征—巖體的力學(xué)性質(zhì)—巖體工程”為總綱，將其內(nèi)容分解為三大知識(shí)模塊，各模塊又分解為若干次級(jí)模塊并細(xì)化到知識(shí)點(diǎn)(表1)，如此綱舉目張地組織和編排課程內(nèi)容。

模塊之間和知識(shí)點(diǎn)之間既相對(duì)獨(dú)立又有機(jī)聯(lián)系，這有利于學(xué)生從全局上掌控巖體力學(xué)知識(shí)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，明確各知識(shí)點(diǎn)的位置及作用，加強(qiáng)理解和掌握，有效地避免了一葉障目而不見森林的局面，確保全面系統(tǒng)掌握巖體力學(xué)知識(shí)并得到能力訓(xùn)練。

3.巖體的三大組成要素

巖體是在地質(zhì)歷史過(guò)程形成且已經(jīng)遭受過(guò)變形和破壞的，具有一定物質(zhì)成分(巖石)、特定結(jié)構(gòu)(巖體結(jié)構(gòu))并賦存于一定地質(zhì)環(huán)境(賦存環(huán)境)中的地質(zhì)體[1]。由于結(jié)構(gòu)面的存在并且賦存于活的、易變的地質(zhì)環(huán)境之中，巖體是不同于一般固體(包括巖石)的一類復(fù)雜而特殊的材料，其不連續(xù)性的本質(zhì)和有條件轉(zhuǎn)化性的靈魂使得它仍不具備完備而統(tǒng)一的理論，基于連續(xù)介質(zhì)的經(jīng)典力學(xué)理論并不完全適用和勝任，這正是學(xué)生覺得這門課“深?yuàn)W”和“不可捉摸”的原因所在。

為此，本課程以巖體組成要素(巖石、巖體結(jié)構(gòu)和賦存環(huán)境)為紐帶，將組成要素貫穿于巖體力學(xué)各模塊和知識(shí)點(diǎn)(表1)。無(wú)論是地質(zhì)特征、物理力學(xué)性質(zhì)及其影響因素、巖體演化的分析研究，還是工程應(yīng)用(巖體力學(xué)參數(shù)選取、巖體工程評(píng)價(jià)和巖體工程設(shè)計(jì)施工)，均從巖石、巖體結(jié)構(gòu)和賦存環(huán)境（地應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)和地?zé)釄?chǎng)等）這三大要素入手，全面收集各方面資料并加以系統(tǒng)的分析，有利于從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)巖體，理解巖體的靈魂并掌握巖體力學(xué)的精髓。

三、教學(xué)模式

根據(jù)巖體力學(xué)的特點(diǎn)，充分利用綜合性大學(xué)資源豐富、學(xué)科齊全和學(xué)生基礎(chǔ)扎實(shí)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)理論基礎(chǔ)要求高、內(nèi)容龐雜但體系不完善、工程實(shí)踐性強(qiáng)的“巖體力學(xué)”課程，一改傳統(tǒng)的“一言堂”式被動(dòng)學(xué)習(xí)方式，嘗試“以學(xué)校為資源平臺(tái)、以教師為引導(dǎo)者、以學(xué)生為實(shí)踐者”的自主學(xué)習(xí)教學(xué)模式 (圖1)。

1.學(xué)?！灾鲗W(xué)習(xí)的資源平臺(tái)

作為“985”、“211”高校和教育部直屬的全國(guó)重點(diǎn)綜合性大學(xué)，蘭州大學(xué)辦學(xué)歷史悠久、學(xué)科門類齊全（涵蓋12個(gè)學(xué)科門類）、教學(xué)資源豐富，這為自主學(xué)習(xí)提供了極佳的平臺(tái)。不僅學(xué)校擁有各學(xué)科齊全的圖書資料、儀器設(shè)備，而且不同學(xué)科的學(xué)生之間很好地相互交流和學(xué)習(xí)，必要時(shí)也能方便地能得到其他學(xué)科教師的指導(dǎo)，因此，基礎(chǔ)扎實(shí)是我校本科生的鮮明特色。就本課程而言，學(xué)生具備所需各類先導(dǎo)學(xué)科的知識(shí)，從而為開展自主學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.教學(xué)團(tuán)隊(duì)(教師)—自主學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者

根據(jù)巖體力學(xué)教學(xué)需要，成立由7名專職教師組成的巖體力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)成員各具學(xué)術(shù)專長(zhǎng)，涵蓋巖體力學(xué)的各個(gè)方面。教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員擔(dān)任課程學(xué)習(xí)的組織者、指導(dǎo)者、促進(jìn)者和評(píng)估者（圖1），由團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人組織本課程的教與學(xué)，團(tuán)隊(duì)成員分工協(xié)作，指導(dǎo)學(xué)生課程內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法的學(xué)習(xí)，及時(shí)解答各環(huán)節(jié)自主學(xué)習(xí)過(guò)程中的各種問(wèn)題，采用不同形式評(píng)估教學(xué)效果。

3.學(xué)習(xí)小組(學(xué)生)—自主學(xué)習(xí)的實(shí)踐者

學(xué)生是自主學(xué)習(xí)的主體，是具體執(zhí)行者和最終受益者（圖1）。在教師組織發(fā)起自主學(xué)習(xí)后，學(xué)生利用各種資源，在教師指導(dǎo)下開展自主學(xué)習(xí)。將學(xué)生分為不同層級(jí)的學(xué)習(xí)小組，并根據(jù)任務(wù)和內(nèi)容的工作量大小和難易程度，對(duì)小組進(jìn)行拆分或組合（1人→2人→4人→8人），開展個(gè)體學(xué)習(xí)、自主探究和合作探究，保證更好地開展并自主完成相應(yīng)內(nèi)容。學(xué)生也參與評(píng)估，包括自我評(píng)估和教師組織下的相互評(píng)估。

四、教學(xué)方法

蘭州大學(xué)素以基礎(chǔ)研究見長(zhǎng)，近年來(lái)工程科學(xué)逐漸得到重視，但仍相對(duì)較薄弱。為此，本課程探索“多環(huán)節(jié)并行全程式工程實(shí)訓(xùn)”教學(xué)方法。

圖1 巖體力學(xué)自主學(xué)習(xí)教學(xué)模式

選用來(lái)自教學(xué)團(tuán)隊(duì)有關(guān)巖體力學(xué)的若干科研和生產(chǎn)項(xiàng)目來(lái)模擬具體“工程”，學(xué)習(xí)小組模擬巖體力學(xué)工作團(tuán)隊(duì)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)模擬顧問(wèn)組，課程學(xué)習(xí)期模擬巖體力學(xué)工作的完整周期，教學(xué)進(jìn)度和知識(shí)點(diǎn)模擬巖體力學(xué)工作流程和具體工作內(nèi)容，以此開展全程工程實(shí)訓(xùn)式教學(xué)。在課程學(xué)習(xí)開始，教師向各學(xué)習(xí)小組下達(dá)“工程”任務(wù)，組織并發(fā)起自主學(xué)習(xí)。各小組在接到工程的基本素材并明確目標(biāo)任務(wù)后，帶著“工程”任務(wù)，自行分工和協(xié)作，在教師指導(dǎo)下，按照課程進(jìn)度，開展課程各模塊及知識(shí)點(diǎn)(表1)的自主學(xué)習(xí)，并適時(shí)完成所承擔(dān)“工程”的對(duì)應(yīng)工作內(nèi)容，撰寫工作報(bào)告，以此作為評(píng)估依據(jù)。課程學(xué)習(xí)結(jié)束，整理并編寫總報(bào)告，并撰寫總結(jié)。

為達(dá)到更好的效果，全程式工程實(shí)習(xí)自主學(xué)習(xí)過(guò)程中，對(duì)同一知識(shí)點(diǎn)，采用多環(huán)節(jié)同步進(jìn)行的方式（表2）。基于總學(xué)分不變?cè)瓌t，在原有基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)學(xué)時(shí)、學(xué)分和教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了合理的調(diào)整，降低課堂講授的學(xué)時(shí)和學(xué)分，增加了課程設(shè)計(jì)、課間實(shí)習(xí)和輔導(dǎo)答疑等教學(xué)環(huán)節(jié)。除這些基礎(chǔ)教學(xué)環(huán)節(jié)外，本課程也鼓勵(lì)學(xué)生申請(qǐng)各級(jí)本科生培養(yǎng)質(zhì)量工程（國(guó)家級(jí)、校級(jí)、院級(jí)創(chuàng)新計(jì)劃），參加教學(xué)團(tuán)隊(duì)教師承擔(dān)的與巖體力學(xué)相關(guān)的科研和生產(chǎn)項(xiàng)目。

表2 多環(huán)節(jié)教學(xué)及其學(xué)時(shí)與學(xué)分

通過(guò)以工程為導(dǎo)向的多環(huán)節(jié)同步并行的全程實(shí)戰(zhàn)式自主學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅更容易理解和掌握巖體力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，而且熟悉了巖體力學(xué)工作流程，學(xué)會(huì)了現(xiàn)場(chǎng)資料收集、實(shí)驗(yàn)技能和資料處理與分析等，知道了巖體力學(xué)在巖體工程中“有何用”和“如何用”。

五、教學(xué)手段

上述各環(huán)節(jié)自主學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)師生共同參與，學(xué)生是主要實(shí)踐者，而教師是指導(dǎo)者。本課程自主學(xué)習(xí)指導(dǎo)過(guò)程中，綜合運(yùn)用板書、多媒體課件、專題錄像和數(shù)值仿真技術(shù)等多種教學(xué)手段，通過(guò)圖、文、影、音等信息的動(dòng)態(tài)顯現(xiàn)，充分調(diào)動(dòng)各種感官，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生的理解和掌握，以達(dá)良好的教學(xué)效果。

不同教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)手段有所側(cè)重?；A(chǔ)理論環(huán)節(jié)主要采用在教師指導(dǎo)下（課堂講授和課后輔導(dǎo)答疑）的個(gè)體自主學(xué)習(xí)。課堂教學(xué)中，利用板書靈活性特點(diǎn)，采用時(shí)下流行的“思維導(dǎo)圖”，向?qū)W生闡明整體框架體系、知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系及所講知識(shí)點(diǎn)在體系中的地位，通過(guò)逐層展開并加以講解，幫助學(xué)生厘清知識(shí)點(diǎn)的脈絡(luò)關(guān)系，以便自主學(xué)習(xí)。重點(diǎn)和難點(diǎn)的講解采用動(dòng)畫式多媒體課件，以動(dòng)畫形式逐次展開內(nèi)容，這既符合人的思維過(guò)程及知識(shí)接受方式，也避免一次性信息量大而難以消化的弊端；同時(shí)，對(duì)于涉及深?yuàn)W和抽象力學(xué)原理的內(nèi)容，如含結(jié)構(gòu)面巖體的力學(xué)行為、硐室圍巖演化與變形破壞特征、邊坡巖體演化與變形破壞等，則采用RocTopple、Midas/GTS、Ansys和Flac3D等專業(yè)軟件，利用數(shù)值方法的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)數(shù)值仿真模型，穿插于課件之中，動(dòng)態(tài)而直觀地顯現(xiàn)全過(guò)程變化特征和規(guī)律。

巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)中，采用上述數(shù)值計(jì)算軟件，制作數(shù)值試驗(yàn)，直觀闡述單軸壓縮、單軸拉伸、直接剪切、三軸壓縮等試驗(yàn)的原理；試驗(yàn)方法和步驟的講解，還配合采用專題錄像片。

課程設(shè)計(jì)是本課程自主學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，自主學(xué)習(xí)指導(dǎo)中，大量相關(guān)工程案例的引入和分析、各小組所承擔(dān)的具體“工程”基本素材的講解以及設(shè)計(jì)方法與要求等，均利用多媒體課件信息大的優(yōu)點(diǎn)，采用多媒體課件和相關(guān)工程應(yīng)用軟件進(jìn)行講解。

六、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)巖體力學(xué)的特點(diǎn)以及綜合大學(xué)的優(yōu)勢(shì)和弱勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，開展巖體力學(xué)教學(xué)全面改革，包括“以三大先導(dǎo)學(xué)科群為基礎(chǔ)、巖體三大組成要素為紐帶和三大研究?jī)?nèi)容為總綱”的模塊式框架體系、“以學(xué)校為資源平臺(tái)、教師為指導(dǎo)者、學(xué)生為實(shí)踐者”的多層次自主學(xué)習(xí)教學(xué)模式、“多環(huán)節(jié)并行全程式工程實(shí)訓(xùn)”教學(xué)方法以及基于信息化和數(shù)字化等多種教學(xué)手段的綜合應(yīng)用。

2年教學(xué)實(shí)踐及反饋信息表明，改革取得了明顯效果，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)與能力并重的培養(yǎng)目標(biāo)，解決了巖體力學(xué)不好教、不好學(xué)和不好用的問(wèn)題。通過(guò)多種舉措下的教師指導(dǎo)下的自主學(xué)習(xí)，學(xué)生更容易理解巖體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，熟悉工作流程和工作方法，掌握綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決巖體力學(xué)問(wèn)題的能力，而且增強(qiáng)了參與意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，培養(yǎng)了自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣。研究成果為綜合性大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)課程群的教學(xué)提供了參考，為專業(yè)的課程體系奠定基礎(chǔ)，并在我校本輪地質(zhì)工程專業(yè)培養(yǎng)方案和教學(xué)計(jì)劃修訂中得到應(yīng)用。

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