岩石力学课程的教学改革与实践

岩石力学是研究岩石力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应的力学分支，”它是为采矿工程、岩土工程、地质工程以及水文工程等专业开设的基础课。学生对该课程的掌握和应用具有一定难度。因此，在岩石力学教学中通过改革教学内容和实践环节，体现岩石力学作为基础学科内容的完整性和采矿专业基础的实践性，引导和推动学生积极地投身到岩石力学的研究型学习中去。

最近几年，我们积极承担了河南省教育厅“岩体工程力学课程教学内容和实践环节的整体优化研究”、“岩石力学CAI及网络教学系统研究”以及河南理工大学SRTP4“岩石力学虚拟实验系统开发”、SRTP6“岩石力学考试系统开发”等多项岩石力学课程的教学改革项目，课题研究取得了一些成果。

一、改革的指导思想和内容

结合上述教学改革项目，我们首先对国内外同类学科高校进行了调研，发现国外高校开设的岩石力学课程教材更新速度快，十分注重实验和工程应用，专门增设有计算岩石力学课程方面的内容，将FLAC、UDEC和PFC等数值计算软件应用到教学实践环节中。而国内高校的原煤炭院校岩石力学教材更新十分缓慢，教学和教材在不同程度上存在重理论、轻应用、实验内容陈旧等问题。学生很难从课程的大量数学推导中挣脱出来，做到学为所用。因此，我们围绕以下原则进行改革：

1　突出“三基”。岩石力学依赖于弹性力学和数学的基础知识是不能改变和动摇的，教师要通过改变教学方式来增加学生对基础知识的学习兴趣，使学生扎荬掌握基础知识才可能更好地学习好岩百力学课程相关内容。

2　编好讲义。一本好教材和讲义是取得出色教学效果的基本保证，因此，把编苷具有采矿工程特点的、体现岩石力学原理和最新技术发展应用的成熟讲义是教学改革的重点。

3　创新教法。改革教学方法，对教学内容和实验环节进行整体优化，课堂教学使用多媒体教学方法和CAI课件，适当结合工程实践案例，增加课堂教学信息量，提高学生的学习兴趣。

4　体现特色。构建适用采矿工程专业的相对稳定的教学内容体系，满足不同层次学生的学习需求。

从力学研究和对力学规律认识的整体情况来说，工程实践是检验理论正确与否的唯一标准，力学的教学也应该基于工程背景而展开，使理论教学与工程应用训练同步进行，才能培养出国家需要的力学与工程型人才。通过岩石力学的教学内容和实践环节内容的创新，构建了“一主体两平台”的研究型学习模式。“一主体”是指以课堂教学和实验为主体，“两平台”是指研究型学习和研究型实践两个平台。在课程内容、教学方法、实验环节等方面大胆创新，让学生在学习过程中感受工程环境、参与工程实践，得到有效的工程训练。

二、构建研究型学习平台

我们提出的岩石力学“二段制学习模式”，将课程分为既有关联、又相互独立的两部分，对教学大纲、实验大纲和考试大纲都做了相应的调整。第一部分是弹性力学、岩石力学基础(包括实验)，60学时，以基础知识的研究型学习为主，强化弹性力学和岩石力学的“三基”(基础理论、基本知识、基本技能)，第二部分以应用和研究型工程实践锻炼为主，4学时。总学时数由56调整为64学时。

1　用最新的教学内容启发学生的思维。学生的学习在很大程度上依赖于教材或参考书的帮助。教学内容的调整，注重将工程素质的要素转化为具体的教学内容和教学活动，强调科研促进教学，形成贴近工程实际的教学内容。

2　用计算机仿真实验来优化实验教学环节。目前岩石力学课程实验大纲为学生开设了岩石的单轴压缩、三轴压缩、巴西劈裂、点载荷和刚性实验机演示5个实验项目，都是验证性实验。由于学生人数的逐年增加，实验场地、仪器设备严重不足的矛盾更加突出。实践教学改革的思路是：把培养学生实验技能放在首位，虚拟与现实相结合，动手与动脑相结合。

(1)增加实验模块调整实验教学大纲。我们把实验教学由6到调整学时10学时，分为两个模块。模块I为岩石力学参数实验，保持原有6学时的教学内容，其中验证胜实验为4个学时，综合实验为2个学时，同时实验室对学生实行开放，鼓励有余力的同学课后自己设计实验；模块Ⅱ，增加数值模拟演示实验4学时。改革后的实验课把引导学生学会科学的思维方法放在首位，实验教学安排上注意保持了实验的科学性、先进性和基础性，同时也注意培养学生的创新精神。

(2)用Flash建立的岩石力学的虚拟实验系统。这样使学生可以随时将网络上虚拟的岩石力学实验需要的各种仪器设备，按每个实验要求、过程组装成一个完整的实验系统，在虚拟实验系统上完成整个实验，包括岩石试件的添加、实验条件的改变、数据采集以及实验结果的模拟、分析等。虚拟实验系统真正实现了文字和图形的动态变化和显示，图形和文字的模块化，模块和模块之间的对话控制，还实现了响应鼠标，自动控制，判断和传递信息等交互功能。由于有了岩石力学虚拟实验系统，课前学生在网上就可以学习岩石力学实验的操作规程和步骤，并亲自在网上模拟实验室中的各种实际操作。通过仿真实验预习，减少了实验教师的课上重复性讲解，增加了学生实验室操作动手时间，实验效果明显提高。

(3)应用RFPA软件进行岩石力学数值模拟实验教学。由于岩石破裂过程现象的复杂性和岩石介质的复杂性，在模块I的岩石力学教学实验过程中，学生很难通过大量重复性实验看到岩石破坏的各种类型的复杂现象。我们利用东北大学开发的岩石破裂过程分析系统RF-PA(Rock Failure Process Analysis)教学版，增加了模块Ⅱ的实验教学环节，对岩石力学实验进行辅助教学，使学生参与教学活动的主动性、创造性大为增强。

随着现代计算机技术的发展，利用计算机对岩石的变形与破裂过程进行数值试验，不仅具有通用性强、方便灵活、具有可重复性等特点，而且可以通过数值试验得到许多在常规实验室试验中难以观测的重要信息，作为岩石力学实验教学的重要补充，达到岩石力学实验辅助教学的目的。但是，模块Ⅱ数值试验的应用并不能完全取代模块I实验室实验。这是因为数值试验时我们仍然需要提供岩石的细观力学参数等信息，而且只有在证明数值试验方法正确的基础上才能使用它进行岩石力学的数值试验。

3　搭建研究型学习的岩石力学CAI课件和网络教学系统。计算机辅助教学CAI在岩石力学教学中的大规模使用是一项既先进有效又充满挑战的活动。岩石力学CAI网络课件涵盖所有课程的讲授内容、习题、数值模拟测试以及相关实验等，增加了考试系统模块，同时开通了网络答疑，加强了教师与学生的互动与

沟通，既可以解决学毕存课堂以外对岩石力学课程的学习，又可以使学有余力的学生更进一步地学习本门课程。

三、搭建研究型实践平台

一般的学生掌握的岩石力学知识体系是十分必要的，对于学有余力的学生，他们最关心的是如何利用所学知识去解决工程实际问题。因此，在岩石力学新教学大纲的修订时，把岩石力学研究型实践方式分为：课堂实践型和课外项目型。在课堂实践型实践中，教师要利用好课堂时间，用不同的教学方法增加工程案例；课外项目型实践，则指在教师的指导下，学生充分利用课后时间参与科研项目研究。

1　课堂实践型研究平台。(1)工程情景教学法。在课堂中列举学生熟悉的一些工程中常见问题或现象，把岩石力学教学内容的讲解融于工程背景之中，与工程设计、稳定性分析等联系起来，学生在学习岩石力学时就会发生学习迁移，更容易加深对基本原理、基本概念和计算方法的掌握。这一教学法不仅可以使抽象的力学知识通俗化、形象化，还可以活跃课堂气氛，提高学生学习积极性。

(2)问题模式教学法。考虑到岩石力学数值模拟方法在解决岩石力学问题时具有通用性强、可重复性等特点，感兴趣的学生在老师的帮助下，在课程初期就确定一个自己感兴趣的数值模拟题目，然后带着问题进行课程学习。课程的每个环节都使学生对问题的认识深入一步。这种教学方式，虽然加大了教师的工作量，但学生的学习目标明确、积极性高、理解和接受快，得到了意想不到的教学效果。

2　课外项目型研究平台。(1)任务书型实验。综合型实验注重对学生工程实践能力的培养，结合教师从事的部分研究项目，由教师设计选择一些与工程实践紧密联系并具有一定难度的实验项目，将实验目的、实验要求以工程任务书的形式下达给学生，学生通过一段时间的预习，查阅资料，并进行分组讨论，明确实验原理、方法和步骤，组织实验方案的实施，最后经过动手操作，完成实验任务。任务书型实验与工程实践应用紧密联系，使学生们树立了工程意识，通过亲自设计和实验，使学生掌握针对具体实验的设计思想和操作技能，提高了学生分析和解决问题的能力。

(2)项目型研究。积极鼓励学生以小。组的方式申请学校提供的基金资助项目，由学生自己设计的岩石力学科研工程项目；或者学生参与以老师名义立项的有岩石工程背景的SRTP项目。学生在研究过程中以项目为主线贯穿始终，将岩石力学课程中的知识点融入到项目中，完成项目，教师以学生完成项目的质量来评定学生的设计效果，有效地锻炼了学生运用科学知识与方法解决实际问题的能力、团结协作的能力以及独立工作的能力等。

四、课程改革的效果

1　满足了不同层次学生的学习需要。研究型学习平台既照顾到采矿工程专业一般学生系统学习岩石力学基本知识的需要，又可使学有余力的学生在较短时间内通过CAI网络课程、研究型的实践平台，了解岩石力学工程问题的研究方法，掌握数值模拟的方法，实用性强。

2　最新研究成果应用于教学实践广受欢迎。本课程在引入了目前岩石力学研究最新研究成果，将近年才使用成熟起来的FLAC、RFPA和UDEC等数值模拟软件应用于教学实践中，这是学生认为最有收获之处。

3　突出重点教学针对性强。本着有所为、有所不为的原则，分工清晰，重点明确，课程只介绍岩石力学发展成熟且应用广泛的理论和方法。

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