“高等岩石力学”课程教学改革的初步探讨

刘开云 刘保国

摘 要：岩石力学既是一门复合理论，又是一门实践性很强的工程学科。作为岩土工程、水利水电工程、隧道工程以及矿业工程等专业研究生的重要专业基础课之一，为满足日益发展的基础设施建设对岩石力学高层次人才的需求，研究生岩石力学教学改革势在必行。文章在详细分析岩石力学课程教学主要特点的基础上，对目前中国高校研究生岩石力学教学中存在的问题进行了探讨，结合教学实际情况，提出了今后研究生岩石力学课程教学改革的思路及指导思想。

關键词：“高等岩石力学”;教学改革;人才培养

近年来，随着“一带一路”倡议的大力推进和西部大开发的持续展开，大规模的交通、通信、能源和水利水电等基础设施建设日益增多，在设计和施工上出现大量高难度的隧道及地下工程建设问题，这些问题在既有设计和施工规范中都较少涉及或缺乏明确对应的设计理论和施工方法。“高等岩石力学”（Advanced Rock Mechanics）作为国内岩土工程、隧道工程、地下工程和防灾等专业研究生的重要专业基础课之一，其传统的授课内容、授课方法及教学模式已面临极大的挑战，笔者结合近年来岩石工程中出现的疑难问题及多年“高等岩石力学”的教学经验，以及在国外访学的心得，分析目前“高等岩石力学”课程教学存在的问题，提出初步的改革方案与具体思路。

一、“高等岩石力学”教学存在的问题

（一）岩石力学学科的特点

岩石（体）力学是研究岩石（或岩体）的力学性态的理论和应用的科学，是研究岩石或岩体在外力作用下的应力状态、变形规律和破坏条件等力学性质的学科，它是解决所有岩石工程技术问题的理论基础。从岩体的以上特点可以看出，岩石力学研究一般应以工程中出现的问题为切入点，在将工程问题凝练成科学问题的基础上，视解决问题的需要引入不同的方法与理论，经过现场测试、室内试验、数值模拟和理论分析，形成解决此类问题的理论或方法并应用于工程实践进行相应的修正和深化，最终形成此类问题比较成熟的方法或理论。在理论研究的同时，各种成熟的工程经验方法和理论也是不可或缺的。

近年来，伴随工程中层出不穷的各类新问题，岩石力学的研究内容越来越丰富，研究手段也越来越多样化，几乎涉及所有的力学与数学理论，且越来越呈现出多学科交叉、多理论交融的发展趋势。正如前国际岩石力学学会（ISRM）主席Fairhurst教授所言，“岩石力学，与其说其是一门科学，不如说其是一门艺术！”这句话高度概括了岩石力学这门学科的基本特征。岩石力学至今仍是一门开放的、处于不断发展之中的学科，这既是岩石力学理论发展的机遇，同时也是“高等岩石力学”课程教学的极大挑战，其教学过程目前还很难像其他学科那样为学生提供一个完整的标准理论框架和方法来解决今后遇到的岩石工程问题。

（二）当前“高等岩石力学”课程教学存在的一些问题

1.教材陈旧，内容滞后，理论教学内容与工程实际脱节严重，教学内容无法体现“高等岩石力学”的“高等”所在

国内高校至今没有一本统一的硕士研究生教学的“高等岩石力学”教材（清华大学周维垣教授主编的教材除外），大多数高校都根据自身行业特点采用自编讲义或教材授课，甚至有些高校借鉴西方高校的教学特点，对本科生和研究生不区别对待，采用统一教材授课，教学内容也完全一致，这与本科生和研究生不同的培养目标是相悖的。西方由于在几十年前就已经完成基础设施建设，同时由于国情和国策的差异，西方国家高校对岩石力学研究热度和强度远没有国内强烈，其岩石力学教材内容多年来也了无新意。总体而言，岩土工程学科在其工科专业中也不再是重点发展的学科，因而本科生和研究生共用同一本岩石力学教材，学习同样的教学内容。而我国伴随对基础设施建设的大规模投资，岩石力学理论研究和岩石工程建设都进入“深水区”，出现了一大批高难度、全球罕见的标志性工程，这为培育高水平岩石力学专业人才，突破和完善现有岩石力学理论提供了一个良好的契机，使得中国在岩石力学和工程的理论研究、室内外试验、现场监测和经验积累方面获得了飞速进展。然而，受各种因素制约，国内高校专业教师深入现场调查研究不足，对现场所出现的各种新工艺、新技术、新装备以及新问题了解不够，在一定程度上导致理论教学内容与工程实践存在较大脱节。

现阶段的主要问题是作为岩石力学高级人才的研究生培养缺乏一本明显有别于本科教学目的，兼顾专用性和通用性，与时俱进，紧密结合现阶段理论研究进展与工程技术革新，同时能够适用于研究生培养目的的“高等岩石力学”教材。

2.实验与测试教学严重不足

实验与测试在岩石力学教学与研究中起着至关重要的作用。然而，国内高校普遍现状是试验仪器和场地普遍不足，各种现代化的工程现场测试技术和设备也奇缺。如霍普金森杆、进口高精度电液伺服岩石三轴试验机、大型剪切流变仪、真三轴试验机、核磁共振仪和地质雷达、TSP等物探设备，更遑论各种大型三维物理模拟试验台。同时，许多高校不设专职实验员和实验室管理人员，这给设备维护、仪器检修、实验安全带来了很大隐患。另外，在本科阶段，岩石力学在许多高校是选修课程，学生对课程的重视程度以及课程课时安排必将受到影响，这也将对进入硕士研究生阶段后的学生带来不利的影响。

二、岩石力学教学改革的必要性

岩石力学作为岩土工程、水利水电工程、建筑工程以及矿业工程等专业研究生的重要专业基础课，被广泛应用于采矿、土建、石油、国防、水利水电、交通、海洋开发、环境保护、防灾减灾和核废料处理等领域，而且随着工程建设的增多和规模不断扩大，将给岩石力学带来许多新的复杂课题。而“高等岩石力学”教学情况，将在一定程度上影响相关专业高层次人才在实际工程中解决相应问题的能力。因此，过去传统的教学模式以及教学内容将很难跟上日益发展的基础建设步伐，其教学改革势在必行。

三、岩石力学教学改革思路

针对当前“高等岩石力学”课程教学存在的问题，笔者提出以教材改革为基础，以先进的多媒体和数值仿真技术为主，辅以大学生创新性实验，探索新的“高等岩石力学”的教学方法。

（一）中西结合，教材更新

国内高校硕士研究生岩石力学课程一般没有统一教材，各学校应在充分考虑本校行业特色的基础上，聚焦本校科研项目，在介绍一般性和通用性岩石力学理论的基础上，兼顾行业关注的新理论、新技术和新方法，选择性编写“高等岩石力学”教材。北京交通大学作为国内主要铁路高校之一，“桥梁与隧道工程”和“道路与铁道工程”既是特色学科也是国家重点学科，其中隧道工程为重中之重。结合近年来国家高速铁路和高速公路的持续建设过程中出现的各类隧道工程岩石力学新问题，参考同济大学沈明荣主编的《岩体力学》（1999）、天津大学张学言主编的《岩土塑性力学基础》（1999）、河海大学徐志英主编的《岩石力学》（第3版，1993）、北京科技大學蔡美峰主编的《岩石力学与工程》（2002）以及清华大学周维垣编著的“高等岩石力学”（1990）教材;帝国理工学院（Imperial College）J.A.Hudson教授的专著《Engineering Rock Mechanics》、英属哥伦比亚大学（University of British Columbia）D.Tannant教授主编的《Rock Mechanics and Rock Engineering》以及Evert Hoek教授编著的《Practical Rock Engineering 》。其中，国内教材偏重于理论介绍和学习，国外教材偏重于介绍现场测试和工程实践等经验方法介绍，相关教师要取长补短，相互融合，精心编制“高等岩石力学”讲义。

（二）教学内容的优化整合

本校很多硕士研究生本科阶段没有接触过《岩石力学》，学生入学时水平参考不齐，根据课时安排，兼顾专业需要，有选择地对以上教材进行编辑选讲，在满足讲授岩石力学基本原理和基础知识的基础上，结合授课教师自身科研进展，适当向学生介绍学科专业当前的发展动态。本校“高等岩石力学”课程重点分为如下8讲：①绪论，包括岩石力学发展历史及研究新进展概况、岩石力学应用领域及重大岩石工程事例介绍、岩石力学研究方法;②岩石与岩体的力学特性，包括岩石的力学特性（岩石力学性质试验方法、变形与破坏规律）、岩体的力学特性（岩体变形与破坏规律、结构面力学性质、岩体强度、工程岩体分类）;③岩石的强度理论与弹塑性本构模型，包括岩石的本构关系（非线性弹性、弹塑性、弹塑性耦合）、岩石的强度准则及应用;④岩石流变力学，包括岩石流变的力学特性、岩石流变本构模型、岩石流变试验、岩石流变问题的工程应用;⑤岩石动力学与岩爆分析，包括动载荷作用下岩石的物理力学特性、岩石工程中的动力学问题与分析、岩爆发生的机理及其预测与防治;⑥岩体工程中反分析方法，包括岩石力学反分析的原理、线弹性位移反分析、非线性位移反分析;⑦断裂与损伤力学在岩石力学中的应用，包括基于线弹性断裂力学的岩石与岩体力学行为分析方法、节理岩体损伤本构模型及其应用;⑧相似材料模型试验理论。

“高等岩石力学”是隧道、岩土和地下工程专业研究生的学位课程，总学时量为48学时，根据国家学科组制定的教学大纲，编制教学计划，结合本校隧道和岩土专业发展需要，重点讲授隧道工程中遇到的岩石力学问题和相关基础，并根据近年国内外岩石力学研究进展，适时对讲义进行调整修改，删减与其他课程相关的重复性内容，经过几年的教学实践，效果较好。

（三）寓教于研，教研结合

本校岩土、隧道及地下工程专业教师与铁路和公路建设联系较为紧密，自身科研课题比较多，因而在课堂教学时应充分利用本校教师的科研机会和科研成果，包括授课教师自身最新科研成果，向学生介绍当前岩石工程中遇到的新问题，岩石力学新理论，紧密跟踪国内外科研前沿授课，介绍新的岩石力学前沿研究方向，同时学校对教师授课质量进行了严格监督，以确保在日常教学中保证较高的教学质量。

（四） 启发教学，活跃课堂

岩土工程专业对学生实践动手能力要求较高，毕业生必须具备一定的工程勘察、设计和施工过程控制及管理能力，并具备相应的发现问题、研究问题和解决问题的能力，实践教学对这些能力的培养与提高起着重要的作用。本着从“实践中来，到实践中去”的宗旨，结合专业对人才培养的要求，制订相应的实践教学计划培养环节。首先，在开课之初给每位研究生布置一个岩石力学或岩石工程相关专题的文献综述任务，要求该综述报告要找出每篇相关研究文献的创新和不足，培养学生独立思考的能力;其次，在教学过程中，通过主动让学生参与任课教师和导师的科研项目，给每位学生分配一定的科研任务，调动其主观能动性，达到提高学生动手能力的目的;最后，在教学过程中经常性地给学生布置作业，并及时对作业进行批改讲评，不断巩固学生的理论知识，锻炼其动手能力。总之，将工程实践能力的培养融入教学过程之中，既能提高学生对相应理论知识的理解，又能使学生未出校门就得到实践锻炼。

（五）统筹安排，加强实验教学

正如前面所提到的，岩石力学教学普遍存在实验设备短缺的窘境，这在短期内是很难得以改善的。这就要求授课教师统筹安排，做好实验教学工作。岩石力学实验主要以验证性实验为主，对于激发学生的创新能力和独立思考能力有限，因此，加大对岩石力学实验的资金投入，进行创新性实验可以有效地推动现有的岩石力学实验课程教学的发展。同时，要改变传统的实验思路，在整个实验过程中，教师只需扮演指导的角色并给出建设性意见，至于实验的方法大可根据学生自有的想法实施，实验结果由学生自行总结。对于已有的数据和实验现象，学生可以根据自己所学知识进行处理，形成以学生为主的实验方式。以学生为主，体现在实验过程中实验想法的构思、岩石试样的制备、实验方法的制定、实验数据结果分析等均以学生为主体，重在培养学生创新能力，将本专业理论知识学习、实验及创新能力的培养结合起来。同时，学校应增加大学生创新性实验平台，学习知识不应该停留在理论阶段。

实验教学把培养学生实验技能放在首位，将虚拟与现实相结合，动手与动脑相结合，充分发挥数值分析和计算机模拟技术在实验教学中的突出作用。鉴于学生人数多、实验场地小、 仪器设备缺和岩块样品不足等问题，要将数值仿真与计算机模拟相结合，并引入实验教学，即以数值模拟演示试验机岩样单轴或三轴压缩实验。应用大型岩土材料专用数值分析软件FLAC3D进行岩石力学数值仿真模拟实验教学。由于岩石破裂过程现象的复杂性和岩石介质的复杂性，在真实的岩石三轴压缩实验过程中，学生很难通过大量重复性实验观察到岩石破坏的各种类型的复杂现象。而利用FLAC3D仿真程序，模拟不同岩石材料、不同围压和不同轴压情况下，岩石试件的物理力学反应，仿真具有极好的可重复性，同时也可以激发学生对数值仿真的极大兴趣，使学生参与教学活动的主动性、创造性大大增强。 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、省时、降费，齐头并进等特点，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到的重要信息，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，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。 此外，岩石力学数值试验也可完成复杂岩石块体的变形破坏过程的数值仿真。

四、结语

岩石力学同时具有理论科学和工程学科的属性，其研究内容丰富，但又没有完整的体系，这对该学科的教学造成相当的困难。这既是挑战，也是机遇，要求学校在岩石力学教学过程中与时俱进，紧跟国内外岩石力学学科与工程发展，改变传统的教学模式，着重加强理论基础教学，提高学生认识问题的起点，并通过理论分析以及工程实例研究，构建理论与工程实践的桥梁，使学生既有较好的理论分析基础，又具有较强的工程实践分析能力。为国家培养出具备解决越来越复杂的岩石力学问题的高层次合格人才，并在教学过程中有针对性地培养学生的课程应用能力，为培养具有创新意识和创新能力的高技能人才奠定良好基础。

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作者简介：刘开云（1971—），男，安徽池州人，北京交通大学土木建筑工程学院副教授，博士，主要从事岩石力学与岩石工程的教学与研究工作;

刘保国（1964—），男，河北保定人，北京交通大学土木建筑工程学院教授，博士，主要从事岩石力学的研究。