曹 函，戴前偉，張紹和，劉磊磊，劉 飚，孫平賀

中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083

數(shù)學(xué)家哈代曾說過：“對(duì)物理中熱力學(xué)第二定律一無所知的文學(xué)家和對(duì)莎士比亞名著一竅不通的科學(xué)家同樣都是糟糕的?！盵1]這生動(dòng)詮釋了同時(shí)兼具科學(xué)素養(yǎng)與人文素養(yǎng)的重要性。工程科技思想的突破和創(chuàng)新也以人文學(xué)科為基礎(chǔ)，強(qiáng)化人文素養(yǎng)有助于增強(qiáng)工科人才的人道主義情懷，提升仿生學(xué)在工科領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，促進(jìn)人類和自然的和諧共生。

“巖體力學(xué)”是地質(zhì)工程等相關(guān)本科專業(yè)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是以巖體賦存地質(zhì)環(huán)境、物理與力學(xué)特征為主要研究對(duì)象，研究巖體在各種力場作用下變形與破壞及穩(wěn)定性規(guī)律的理論及其實(shí)際應(yīng)用的課程[2]。由于巖體具有顯著的非均質(zhì)性及各向異性等特征，且理論性強(qiáng)、公式繁多，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證綜合性強(qiáng)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，影響教學(xué)質(zhì)量和其他相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。而博大精深中國古代詩詞具有歷史沉淀的文化底蘊(yùn)，深入淺出地描述人與自然相處之道，不僅文學(xué)藝術(shù)價(jià)值精湛，而且對(duì)復(fù)雜自然現(xiàn)象剖析細(xì)致入微，這些傳統(tǒng)文化精髓對(duì)于提高工科學(xué)生的人文素養(yǎng)具有很大幫助。有研究表明：82%接受調(diào)查的大學(xué)生對(duì)古詩詞十分感興趣；80%的大學(xué)生還會(huì)偶爾運(yùn)用詩詞表述專業(yè)現(xiàn)象或科學(xué)寫作[3]。一方面說明義務(wù)教育階段的傳統(tǒng)文化教育在大學(xué)階段得以傳承，另外一方面也說明傳統(tǒng)文化已逐漸滲透于專業(yè)學(xué)習(xí)。但這些現(xiàn)象主要呈現(xiàn)少數(shù)學(xué)生的自發(fā)行為，而未能將此理念融入系統(tǒng)的專業(yè)教育。

本文從“巖體力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)出發(fā)，深度挖掘中國古代詩詞的科學(xué)元素，并將這些元素同教學(xué)知識(shí)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，既讓人文教育在專業(yè)課堂中落地生根，還讓學(xué)生在地質(zhì)工科的學(xué)習(xí)中積淀升華，探索人文素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)高度融合的教學(xué)新模式。

一、巖體賦存地質(zhì)環(huán)境與古詩詞

孟子有云，“天時(shí)、地利、人和”三要素決定成敗的關(guān)鍵，其中地利可作為巖體力學(xué)中大型工程的選址依據(jù)，需綜合考慮地質(zhì)環(huán)境、巖體力學(xué)參數(shù)對(duì)科學(xué)決策問題影響，既要關(guān)注巖體自身物理力學(xué)特征，又要考慮巖體所賦存地質(zhì)環(huán)境對(duì)整體穩(wěn)定性的影響。要求學(xué)生掌握巖體在復(fù)雜應(yīng)力場作用下的變形破壞與穩(wěn)定性分析方法，防止出現(xiàn)重大事故，又要能夠體現(xiàn)國計(jì)民生的人文關(guān)懷，滿足生態(tài)環(huán)境要求。以建成于20世紀(jì)80年代的獨(dú)庫公路為例，部分路段三面環(huán)山，基巖裸露，且?guī)r石坡度高達(dá)50°，產(chǎn)匯流迅速，古冰磧和現(xiàn)代冰磧物極其豐富，巖體很容易失穩(wěn)形成冰川泥石流災(zāi)害。但工程人依然克服了不利地質(zhì)條件，修建了長達(dá)542 km的獨(dú)庫公路，通過前期勘探進(jìn)行合理科學(xué)的工程選址，使天山南北的行程縮短了一半，集中體現(xiàn)“天時(shí)地利人和”在工程建設(shè)中的重大作用。在先賢孔子編撰的《詩經(jīng)》中記載：“興于詩，立于禮，成于樂?！笨鬃诱J(rèn)識(shí)到可通過詩歌使人更好觀察自然、認(rèn)識(shí)社會(huì)、調(diào)節(jié)情感并形成良好品行，并將這種品行不斷傳遞給世人。唐朝詩人張繼的《華清宮》同樣描述了古人在選址中尊重自然、順勢而成的景象：“天寶承平奈樂何，華清宮殿郁嵯峨。朝元閣峻臨秦嶺，羯鼓樓高俯渭河。”

二、硬度與《望廬山瀑布》

巖體的硬度是其表面抵抗外力的能力，也是局部破碎的極限值。在深地科學(xué)鉆探、地下空間工程中，硬度比單軸抗莊強(qiáng)度更具有實(shí)際意義，因?yàn)殂@頭或切削具對(duì)端面巖石的破碎方式多數(shù)是局部破壞，因此一般將巖體硬度指標(biāo)作為衡量地層鉆進(jìn)難易程度的關(guān)鍵參數(shù)[4]。不同巖體的硬度差異較大，這主要取決于其礦物組成、形成條件、受力狀態(tài)等。

唐朝著名詩人李白的《望廬山瀑布》（日照香爐生紫煙，遙看瀑布掛前川。飛流直下三千尺，疑是銀河落九天。）就將巖體硬度的差異通過瀑布的“飛流直下”描繪得惟妙惟肖?！皰臁弊趾芙^妙，化動(dòng)為靜，且能夠?qū)⑦@這幅巨簾“掛”起來的也只有大自然；“直下”既寫出山的高峻陡峭，又呈現(xiàn)出水流之急；“三千尺”進(jìn)一步描繪了地層之間的巨大落差，將瀑布這一“跌水”的地質(zhì)現(xiàn)象呈現(xiàn)得淋漓盡致。結(jié)合巖體硬度分析得出：由于河床底部巖體硬度不均，堅(jiān)硬巖石受到水流沖擊后較為完整，形成高位；而硬度較低的巖體則出現(xiàn)局部沖蝕，形成低位；二者之間的落差便形成了瀑布。代表性的瀑布是黃河壺口瀑布，河流周圍巖石是中細(xì)粒長石雜砂巖和礫巖夾粉砂質(zhì)泥巖[5]，由于泥巖比較松軟，易于被流水沖蝕掉，造成其上砂巖懸空，形成瀑布陡坎。

三、潤濕性與《詠露珠》

巖體的潤濕性是指流體受分子作用在巖體表面的擴(kuò)散過程，巖體-流體、流體之間的界面張力和極性物質(zhì)在巖體表面的吸附等均會(huì)影響其潤濕效果。巖體的孔隙大小分布和比表面積、孔隙度和滲透率及礦物組成是巖石骨架自身特征，巖體的潤濕性一方面取決于巖石自身?xiàng)l件，一方面也受到周圍地質(zhì)環(huán)境，即液體（氣體）和巖體相互作用的影響。巖體潤濕性的差異是造成其與外來液體不同的吸附過程的主要原因，同時(shí)巖體的潤濕性同時(shí)還影響著流體相滲透率和滲透曲線的形狀，一般可通過接觸角來評(píng)價(jià)（圖1）。

圖1 接觸角的定義與測量

巖體與外來流體接觸初始狀態(tài)呈現(xiàn)露珠狀，隨時(shí)間推移，逐漸吸附擴(kuò)展，至最終穩(wěn)定態(tài)。正如《詠露珠》中所描繪的“秋荷一滴露，清夜墜玄天。將來玉盤上，不定始知圓”。 田園派詩人韋應(yīng)物用短短20個(gè)字生動(dòng)地描繪了秋夜由空中掉下的一滴露水，散落到碩大碧綠的荷葉上，在明暗兩種顏色的對(duì)比下，露珠化身晶瑩剔透的水珠，在荷葉上不斷翻滾，非常具有觀賞性。而恰恰由于露珠的不斷運(yùn)動(dòng)，詩人才知道它是圓的而不是方的。從巖體力學(xué)的角度看，這首詩所描繪的正是荷葉的疏水特性，研究表明，荷葉的這種特性不同于巖體[6]，而是源于其疏水結(jié)構(gòu)，才有了“大珠小珠落玉盤”之妙。在石油工程巖體力學(xué)中，巖體的潤濕性直接影響儲(chǔ)層的采收率，油氣介質(zhì)與巖石接觸界面潤濕性的差異性導(dǎo)致地層親水或親油明顯不同，通過調(diào)整漿液性可實(shí)現(xiàn)巖石表面潤濕反轉(zhuǎn)，從而降低鉆采過程中的儲(chǔ)層傷害，如水化膨脹、水鎖傷害等。

四、風(fēng)蝕作用與《錦石巖》

巖體在風(fēng)力作用下脫離原地的現(xiàn)象，稱為風(fēng)蝕作用，一般分為吹蝕作用和磨蝕作用兩種。研究表明風(fēng)速對(duì)風(fēng)蝕具有重要影響：砂巖在起風(fēng)初始階段7 m/s時(shí)，就開始發(fā)生風(fēng)蝕；而礫巖風(fēng)蝕所需的臨界風(fēng)速明顯高于砂巖，只有當(dāng)風(fēng)速達(dá)到15 m/s時(shí)，才有風(fēng)蝕發(fā)生，砂巖風(fēng)蝕速率幾乎是礫巖的4倍之多[7]。明朝詩人趙壁在《錦石巖》中將風(fēng)蝕作用后的巖體相貌刻畫得入木三分，“群峰百態(tài)爭斗艷，無愧萬古冠嶺南”“碧血染成蘭蕙綠，丹心開作杜鵑紅”。詩句中所描繪的正是風(fēng)蝕巖體后形成的雅丹地貌，取自維吾爾語“具有陡峭石壁的小山包”之意。在風(fēng)的磨蝕作用下，靠近地表的巖體往往受到更強(qiáng)的剝蝕作用，并逐漸向里形成凹的形態(tài)。當(dāng)上部的巖體較為松散時(shí)，在重力作用下易垮塌從而形成陡壁，雅丹地貌就此形成（圖2）?！笆鞘切躯愄?，非風(fēng)搖石石搖風(fēng)”，明代詩人文三俊同樣描繪了風(fēng)蝕作用的另外一種地質(zhì)現(xiàn)象：風(fēng)動(dòng)石，亦稱為平衡巖。我國最著名風(fēng)動(dòng)石是在東南沿?；◢弾r地區(qū)的銅山風(fēng)動(dòng)石，其花崗巖體經(jīng)過積年累月的差異性風(fēng)化、剝蝕作用，軟弱部分逐漸被侵蝕掉，原本一體的巖塊僅剩下堅(jiān)硬難風(fēng)化的部分得以保存，正所謂“吹盡狂沙始到金”（圖3）。風(fēng)化后巖石的孔隙結(jié)構(gòu)、抗壓強(qiáng)度、抗凍性能等物理力學(xué)性質(zhì)均發(fā)生突變，進(jìn)而影響其工程穩(wěn)定性。室內(nèi)巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)可通過波速法等來定量描述巖石的風(fēng)化程度。

圖2 雅丹地貌

圖3 銅山風(fēng)動(dòng)石

五、流固作用與《聽嘉陵江水聲寄深上人》

流固作用下巖體物理力學(xué)性質(zhì)的演變，主要考慮流體侵蝕作用下巖石從微觀結(jié)構(gòu)到宏觀力學(xué)特性的改變，從而影響巖體的整體穩(wěn)定性。研究表明，水壓通過巖體微孔隙、天然裂隙滲入到內(nèi)部時(shí)，其蠕變變形過程會(huì)加快，同時(shí)通過改變巖石礦物組分影響孔滲結(jié)構(gòu)，對(duì)軟巖力學(xué)性質(zhì)的改變則會(huì)更加明顯[8]。在非常規(guī)能源開采中，往往利用流體與巖體相關(guān)作用實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層的有效改造，比如水力壓裂技術(shù)，實(shí)驗(yàn)研究表明，水力裂縫的形成過程伴隨著裂縫尖端區(qū)的拉張、剪切和復(fù)合破裂，而在這個(gè)過程中，會(huì)伴隨著能量的儲(chǔ)積與釋放，通過應(yīng)力波形成微震信號(hào)[9]。這種微震波形最明顯特征是持續(xù)時(shí)間較短（不超過1 s），振幅也較小，可利用監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行捕捉（圖4）。如果將這一現(xiàn)象放大，便會(huì)形成詩人韋應(yīng)物筆下《聽嘉陵江水聲寄深上人》所描繪的生動(dòng)景象：“水性自云靜，石中本無聲；如何兩相激，雷轉(zhuǎn)空山驚?！彼鳛樽匀唤绯Ｒ姷牧黧w，其特點(diǎn)本是安靜的；石頭中本來也沒有聲音，但為何兩者互相沖擊后形成的聲響令人驚奇呢？盡管詩人未曾知曉其背后的科學(xué)實(shí)質(zhì)，但對(duì)這種沖擊后振動(dòng)作用下引發(fā)的能量轉(zhuǎn)化卻洞察入微。

圖4 流固作用中應(yīng)力波傳播與監(jiān)測

六、巖體力學(xué)的研究方法與《滁州西澗》

自然科學(xué)的研究方法很多，諸如科學(xué)假說、理論計(jì)算、數(shù)學(xué)模擬等，而實(shí)驗(yàn)研究作為一種受控研究方法，在巖體力學(xué)的學(xué)習(xí)與研究中具有重要作用?？赏ㄟ^設(shè)置一個(gè)或多個(gè)變量，通過不同賦值來評(píng)估這些變量對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的效應(yīng)。特別對(duì)于非均質(zhì)的巖體材料，實(shí)驗(yàn)研究的主要目的是建立變量間的因果關(guān)系，根據(jù)預(yù)先提出一種關(guān)系假設(shè)，再通過多次實(shí)驗(yàn)操作來進(jìn)行檢驗(yàn)。比如在核廢料封存場地選址研究中，一般認(rèn)為花崗巖是比較理想的圍巖，其具有分布廣、密度大、滲透低、隔水好、易開挖、抗輻射、自穩(wěn)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但高放廢料處置后由于半衰期很長，在元素衰變中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，研究表明圍巖累計(jì)溫度可達(dá)200 ℃左右[10]，因此可通過設(shè)置不同溫度來研究花崗巖的物性參數(shù)變化。同時(shí)，通過數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)也可對(duì)周邊圍巖滲透性、穩(wěn)定性以及放射性物質(zhì)擴(kuò)散等科學(xué)問題進(jìn)行不同周期的預(yù)測。

中國古代很多科技成果的出現(xiàn)與推動(dòng)是源于對(duì)現(xiàn)象的觀察和總結(jié)，這也是自然變量條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比如韋應(yīng)物的另外一首詩《滁州西澗》（獨(dú)憐幽草澗邊生，上有黃鸝深樹鳴。春潮帶雨晚來急，野渡無人舟自橫。）便描繪了流體力學(xué)中不可壓縮流體的二維流動(dòng)問題。流體在運(yùn)動(dòng)過程中，會(huì)對(duì)其中的物體產(chǎn)生合力和合力矩作用，直觀表現(xiàn)是：順?biāo)较驗(yàn)榉欠€(wěn)定平衡位置，受擾動(dòng)后會(huì)改變空間位置；而橫于水流則是穩(wěn)定平衡位置。這一數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程比較復(fù)雜，直到20世紀(jì)初才有理論計(jì)算結(jié)果[11]，而韋應(yīng)物的“實(shí)驗(yàn)”觀察比這要早1200多年。

七、總結(jié)與展望

習(xí)近平總書記多次強(qiáng)調(diào)：“我們說要堅(jiān)定中國特色社會(huì)主義道路自信、理論自信、制度自信，說到底是要堅(jiān)定文化自信?！盵12]在上下五千年的歷史中，中華民族留下了無數(shù)不朽作品，鑄就了燦爛的歷史文化星河?！捌埲招拢杖招?，又日新”，作為國家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，中南大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)有責(zé)任和義務(wù)在專業(yè)課教學(xué)中弘揚(yáng)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，不斷探索新的教學(xué)模式和方法。

通過挖掘中國古代詩詞的科學(xué)元素，并將這些元素同“巖體力學(xué)”課程知識(shí)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，極大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。地質(zhì)工程2018級(jí)學(xué)生對(duì)授課效果給予了高度評(píng)價(jià)；2017級(jí)部分學(xué)生在繼續(xù)深造中主動(dòng)選擇了巖體力學(xué)作為主要研究方向。同行專家也對(duì)這種人文和理工相融合的教學(xué)模式給予肯定。在后續(xù)教學(xué)中將著重從以下幾個(gè)方面持續(xù)改進(jìn)。

（1）進(jìn)一步深挖中國古代詩詞中與巖體力學(xué)相關(guān)的科學(xué)元素及科學(xué)現(xiàn)象，關(guān)聯(lián)更多課程知識(shí)點(diǎn)，并鼓勵(lì)學(xué)生自我探索，努力發(fā)掘大自然鬼斧神工背后的力學(xué)依據(jù)和原理；

（2）結(jié)合虛擬仿真教研室的建設(shè)，組建由多學(xué)科教育教學(xué)背景的師資隊(duì)伍，促進(jìn)多學(xué)科，跨學(xué)科的高度融合與深化；

（3）探索線上線下混合課程建設(shè)，擴(kuò)大課程的受眾范圍。