岩石力学-实验报告（共10篇）
[摘要]针对岩石力学中三大基础实验,利用Flash软件及其编程技术开发的岩石虚拟实验系统,突破了时空的限制,把实验设备、教学内容、教师指导和学习者的思考及操作有机融合为一体,探索了岩石力学实验教学的新模式。
[关键词]岩石力学 虚拟系统 Flash
近年来,随着国内各高等学校招生规模不断扩大,给高校实验教学造成了一定压力,学生人均实验次数明显减少。为解决上述问题,支持我校岩石力学精品多媒体课程建设,本着创新和探索精神开发了此实验系统。从当前国内外教学方式来看,多媒体教学势必成为以后教学的主要方式。因此,精品多媒体课程处于大量紧缺之中,虚拟实验系统有着很好的应用前景。
本系统利用Flash软件及其编程技术作为主要工具开发了此实验系统。Flash软件是美国Macromedia公司开发研制的一种矢量动画制作软件,矢量动画的优点是:文件体积小,图像清晰,任意放大和缩小图像不矢真,便于网络传输,Flash集成的ActionScript(动作脚本语言)使动画具有很强的交互性。同时,Flash软件对图形具有良好的控制能力,在动画中图形可根据鼠标的操作和程序设定作出相应的变化,如移动、鼠标响应、鼠标拖动等。
一、系统开发目标
岩石力学是一门实践性和理论性很强的课程,由于受教学的课时限制,不可能让每个学生都能进行实验操作,造成教师和学生在讲授、学习本课程实验时都有一定的困难。加之目前实验设备和资源的不足,因此开发网络虚拟实验系统事在必行,同时网络虚拟实验系统可以实现资源共享,便于远程学习与交流。更重要的是它打破了时间、地域的限制,使人们可以不受时间和地域的影响进行学习与交流。
开发该系统的目标是:尽可能采用最新的计算机多煤体技术,将文字、图像、动画等相结合,使岩石力学的大部分章节的实验原理、实验过程等课堂上不易讲授的内容在计算机上显示出来,使之成为岩石力学与工程课程教学的重要辅助手段,以缩短教学时间,提高教学质量。
二、开发设计过程
该虚拟实验系统包括四个部分:岩石单轴压缩虚拟实验、岩石单轴抗拉强度虚拟实验、岩石点载荷虚拟实验和岩石三轴压缩虚拟实验。其中每个实验又分为六个部分:实验原理、实验目的、实验仪器及设备、实验演示、实验操作和数据分析。内容详细分明,严格按照实验过程进行阅读和操作。能够真正使实验者在网上学习到实验的`操作规程和步骤,并能亲自在网上模拟实验室中的各种现场操作。
实验原理,实验目的和数据分析都属于文字与图表的说明性板块。在制作中将相关文字与图表逐桢添加,然后有控制地逐桢显示。
实验设备与仪器中要添加仪器图片,并能使用户有选择性地查看相关仪器图片说明。这里我们运用了Flash中的ActionScript编程语言,实现了鼠标响应事件,使用户通过鼠标操作就能够有选择行地查看图片,正确的认识和使用实验仪器。实验演示的制作用到了Flash中的动画编制功能。首先,依照真实仪器设备创建简单的虚拟实验模拟设备模型;然后,按照实验操作规程,一步一步地将实验过程以动画的方式完整地演示出来,并加入文字注解说明,将操作步骤和相关注意事项同步显示出来。在动画演示的时候留有足够的时间间隔,使用户能够了解实验的每一个操作步骤和注意事项。实验操作用了鼠标响应功能来控制实验进程。同时,为了确保用户在提示下能正确的操作,我们用影片剪辑和按钮剪辑相互封套的方式实现模块间的对话。这样,系统就可以自己检查用户的操作,只有操作正确才能进行下一步,使用户能够真正掌握实验步骤和注意事项。
三、关键技术与编程实现
实验操作板块的开发是整个虚拟实验系统重点和难点。在这个板块里,需要用户自己亲自操作虚拟实验设备,并且关键是要能够实现系统的自检核对功能,保证用户实现正确操作。这里用到了较多的ActionScript编程语言,鼠标响应,拖动,按钮控制,模块内部和模块之间对话等操作。例如,在虚拟岩石单轴压缩实验中,需要实验者将岩石试件放入实验用的液压设备中,在此过程中用到的动作脚本语言为:
岩石试件的拖放:
on(press)
{startDrag(“试件”);}
on(release)
{stopDrag;
if(_root.试件._x>490&&_root.试件._x<580&&_root.试件._y>370
&&_root.试件._y<510)
gotoAndPlay(483);}
压力杆的拖动:
on(press)
{startDrag(“”,false,93,99.7,93,111.2);}
on(release)
{stopDrag();
if(_y>100) v=1;}
四、开发设计结果
按照预期的目标,将每个虚拟实验系统分为六个模块:实验原理、实验目的、实验仪器及设备、实验演示、实验操作和数据分析。其中的实验原理、实验目的和实验数据分析,经过资料收集与整理,内容详尽分明。确保了使用者在网上能够真正学习到实验的操作规程和步骤,并能亲自在网上模拟实验室中的各种现场操作。在开发制作过程中,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。
五、结语
此系统开创了岩石力学实验教学的新模式,为岩石力学实验改革提供了有力工具,实现了实验教学内容在时间和空间上得到延伸;达到了进行开放性教学模式的目的,实现了远程教育的功能;解决了我校扩招后给岩石力学实验教学带来的压力;培养了学生的创新思维与思考能力。
参考文献:
[1]胡丰等.利用Flash技术开发理论力学网络作业.力学与实践,,(1).
[2]蔡美峰等.岩石力学与工程.北京:科学出版社,.
教学的目的是通过该课程学习使学生掌握岩石、岩体的基本概念及基本原理, 掌握岩石边坡、地下和地基等工程的稳定性分析方法及其基本的设计方法, 并熟悉岩石力学的常用实验测试方法。
当前, 重庆科技学院土木工程专业地下建筑工程方向、石油与天然气工程钻井工程方向两个本科专业方向, 以及石油与天然气工程专业硕士开设有岩石力学课程。但这些专业岩石力学课程教学主要是以理论教学为主 (32学时) , 强化书本理论知识的学习, 尚未安排实验与实践教学环节。
一、理论教学改革
传统的教学模式是以教师上课传授知识为主, 岩石力学也不例外, 其主要途径是课堂理论教学。为改善传统的教学模式和教学效果, 教研室结合岩石力学重庆市研究生优质课程, 首先要更新教学内容, 拟将总学时增加为40学时, 其中8个学时为实验教学, 并着手编写了一本应用型教学教材。其次教师应将教学内容与学科发展方向同步, 把最新科技成果引入基础课程的教学, 使学生了解学科发展动态和学科研究的科学意义和应用前景, 激发学生的学习热情。再次加强现代化教学手段的运用, 利用多媒体动画、数值模拟实验教学的软件, 生动形象的展现基础岩石力学理论, 使课程内容简单易懂。
二、实验教学改革
在以往的教学中一直存在重视知识积累轻视动手操作的倾向, 体现在培养方案中, 安排学生实践的时间较少, 实践计划和考核方案的设计不够科学合理等。而在重庆等地区, 地下工程建设涉及岩石力学问题非常多, 增加必要的岩石力学实践环节改革已经是当前适应地方需求的学生培养一个重要任务。
针对上述情况, 在实验教学中拟逐步学生实验课程。逐步创建课堂讲授教学与实验教学分离的体系, 即实验课程由专业老师与实验师共同指导, 并在此基础上建立并完善“基础性实验 (训练) ———自主性实验———设计型实验———应用型实验”的多层次化、多模块化的实验课程体系, 使实验教学具有主动性、创新性、系统性、高效性。
三、创新能力的教学改革
创新能力的形成和发展是以实践活动为基础, 实践能力是创新能力形成和发展的重要前提条件。实践教学对培养学生的实践能力和创新能力有着理论教学不可替代的特殊作用, 是创新人才培养过程中贯穿始终的不可或缺的重要组成部分。
针对实践教学改革, 结合实验室发展现状, 我院岩土教研室教师积极开展大学生创新能力教学改革。积极探索本科生导师制下的创新训练与实践, 经过2年的努力, 依托岩石力学实践获得国家级大学生创新计划项目1项, 市级创新计划项目2项, 10余项校级创新计划项目获批, 同时, 学生参加各类地下工程的“BIM”等活动, 获得创新性奖项10余项。
四、实验室硬件建设
改善实验室的硬件环境, 包括实验室的装修改造, 各类标本柜台的添置以及标本的补充, 使其硬件条件达到国内一流高校岩石力学实验室的要求。在实验教学中也应引进先进的教学手段, 将实验室的建设从只有实物转向以实物为主, 数值仿真实验为辅的模式。教学的特点突出理论联系实际。
针对石油与天然气工程对岩石力学的特殊需求, 在岩石力学实验教学条件改善方面, 我校先后投入560余万元, 其中, 岩石灾变测试与仿真实验室建设项目80万, 深部能源开发岩土力学实验室投资437.5万, 自主开发试验设备50余万。当前, 采购试验设备正处于交货验收阶段, 自制设备已投入使用, 购置试验设备涉及:TFD-2000微机伺服控制岩石三轴试验机、岩石双轴试验仪 (带剪切) 、岩石拉压流变仪、I-RPT (Rock parameter test) 型岩石波速测试仪、KYKY-EM6200高精度岩石断裂面扫描电镜、能谱分析仪、声发射仪等仪器设备以及3DEC、PFC2D等数值模拟软件。
通过上述建设, 将丰富我校大学生岩石力学课程的实践性教学内容, 使其充分兼顾理论、实验、数值仿真三个方面。在此基础上, 凝练岩石力学课程实践性教学改革的创新手段与特色教学方法, 推动本科岩石力学课程实践性教学改革的深入发展。
参考文献
[1]年廷凯.岩石力学课程实践性教学改革探讨[J].教育教学论坛, 2014, 10 (3) :175-177.
[2]陈曦, 张晓莉.地质实验教学的改革与探索[J].科技创新导报, 2011, 21:180.
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。
【实验目的】：
1、通过观察与思考双锥体沿斜面轨道上滚的现象，使学生加深了解在重力场中物体总是以降低重心，趋于稳定的运动规律。
2、说明物体具有从势能高的位置向势能低的位置运动的趋势，同时说明物体势能和动能的相互转换。
【实验仪器】：锥体上滚演示仪
【实验原理】：能量最低原理指出：物体或系统的能量总是自然趋向最低状态。
本实验中在低端的.两根导轨间距小，锥体停在此处重心被抬高了;相反，在高端两根导轨较为分开，锥体在此处下陷，重心实际上降低了。
实验现象仍然符合能量最低原理。
【实验步骤】：
1、将双锥体置于导轨的高端，双锥体并不下滚;
2、将双锥体置于导轨的低端，松手后双锥体向高端滚去;
3、重复第2步操作，仔细观察双锥体上滚的情况。
2、混沌摆
【实验目的】：通过摆的运动演示该力学系统的混沌性质。
【实验仪器】：混沌摆
【实验原理】：一个动力学系统如果描述他的运动状态的动力学方程是线性的，只要初始条件给定，就可预见以后任意时刻的运动状态。
我们的动力学系统描述它的运动状态的动力学方程是非线性的，具有内在的随机性，它的运动状态对初始条件具有很强的敏感性，系统运动的外观表现是随机的，是一种貌似无规律的运动
【实验步骤】：手持轴柄给系统施一力矩，系统开始运动，运动情况复杂，前一时间难于预言后一时刻的运动状态。
重新启动，由于起始冲量矩总有所不同，雇系统的运动情况差别很大、这反映了系统运动的混沌性质。
3、避雷针
一、演示目的
气体放电存在多种形式，如电晕放电、电弧放电和火花放电等，通过此演示实验观察火花放电的发生过程及条件。
二、原理首先让尖端电极和球型电极与平板电极的距离相等。
尖端电极放电，而球型电极未放电。
这是由于电荷在导体上的分布与导体的曲率半径有关。
导体上曲率半径越小的地方电荷积聚越多(尖端电极处)，两极之间的电场越强，空气层被击穿。
反之越少(球型电极处)，两极之间的电场越弱，空气层未被击穿。
当尖端电极与平板电极之间的距离大于球型电极与平板电极之间的距离时，其间的电场较弱，不能击穿空气层。
而此时球型电极与平板电极之间的距离最近，放电只能在此处发生。
三、装置一个尖端电极和一个球型电极及平板电极。
四、现象演示
让尖端电极和球型电极与平板电极的距离相等。尖端电极放电，而球型电极未放电。接着让尖端电极与平板电极之间的距离大于球型电极与平板电极之间的距离，放电在球型电极与平板电极之间发生。
4、楞次定律
【实验目的】利用通电线圈及线圈内的铁芯所产生的变化磁场与铝环的相互作用，演示楞次定律。
【实验仪器】楞次定律演示仪，铝环(3个)。
【实验原理】当线圈通有电流时，在铁芯中产生交变磁场，穿过闭合的铝环中的磁通量发生变化。
根据楞次定律，套在铁芯中的铝环将产生感生电流，感生电流的方向与线圈中的电流方向相反。
因此与原线圈相斥，相斥的电磁力使得铝环上跳。
【实验操作与现象】
1、闭合铝环的演示打开演示仪电源开关，将闭合铝环套入铁棒内按动操作开关。
当操作开关接通时，则闭合铝环高高跳起，保持操作开关接通状态不变，闭合铝环则保持一定高度，悬在铁棒中央。
断开操作开关时，闭合铝环落下。
把闭合铝环取下，将带孔的铝环套入铁棒内按动操作开关。
当操作开关接通时，则带孔的铝环也向上跳起，但跳起的高度没有闭合铝环高。
2、保持操作开关接通状态不变，带孔的铝环也保持一定高度，悬在铁棒中央某一位置，但还是没有闭合铝环悬的高。
断开操作开关时，带孔的铝环落下。
这是由于带孔的铝环产生的感生电流没有闭合铝环大，所以带孔的铝环没有闭合铝环跳的高。
3、开口铝环的演示把带孔的铝环取下，将开口铝环套入铁棒内按动操作开关。
当操作开关接通时，开口铝环静止不动。
这是由于开口铝环没有形成闭合回路，无感生电流，没有受到电磁力的作用，故静止不动。
4、演示完毕后，关闭
楞次定律演示仪电源。
【注意事项】不要长时间按动操作开关，以免使线圈过热而损坏。
5、阻尼摆与非阻尼摆
【实验目的】演示涡电流的机械效应。
【实验器材】阻尼摆与非阻尼摆演示仪
其中直流电源接线柱;矩形磁轭，作用是当线圈中通有直流电源时，可在磁轭两极缝隙中间产生很强的磁场;支撑架;摆架;非阻尼摆;横梁;阻尼摆;线圈;底座。
直流稳压电源。
【实验原理】处在交变电磁场中的金属块，由于受变化电磁场产生的感生电动势作用，将在金属块内引起涡旋状的感生电流，把这种电流称为涡电流。
金属摆在两磁极间摆动时，由于受切割磁力线运动产生的动生电动势的作用，也将在金属摆内出现涡电流。
根据安培定律，当金属摆进入磁场时，磁场对环状电流的上、下两段的作用力之和为零;对环状电流的左、右两段的作用力的合力起阻碍金属摆块摆进的作用。
当金属块摆出磁场时，磁场对环状电流的左、右两段的作用力的合力则起阻碍金属摆块摆出的作用。
因此，金属摆总是受到一个阻尼力的作用，就像在某种粘滞介质中摆动一样，很快地停止下来，这种阻尼起源于电磁感应，故称电磁阻尼。
若将金属摆制成有许多隔槽的，使得涡流大为减小，从而对金属摆的阻尼作用变的不明显，金属摆在两磁极间要摆动较长时间才会停止下来。
电磁阻尼摆在各种仪表中被广泛应用，电气机车和电车中的电磁制动器就是根据此原理而制造的。
【实验操作与现象】
1、把稳压电源输出的正负极连接到阻尼摆与非阻尼摆演示仪的直流电源接线柱，阻尼摆按图66-1所示接好。
2、打开稳压电源电源开关，先不要打开稳压电源的“输出”开关，即不通励磁电流，让阻尼摆在两极间作自由摆动，可观察到阻尼摆经过相当长的时间才停止下来(不考虑阻力)。
3、再打开稳压电源的“输出”开关，电压指示为28伏，此时在磁轭两极间产生很强的磁场。
当阻尼摆在两极间前后摆动时，阻尼摆会迅速停止下来，说明了两极间有很强的磁阻尼。
解释现象。
4、将带有间隙的类似梳子的非阻尼摆代替阻尼摆作上述2实验，可以观察到不论通电与否，其摆动都要经过较长的时间才停止下来。
为什么?
【注意事项】
1、操作前应把矩形磁轭和支撑架调整到位，确保摆动顺畅。
2、注意不要长时间通电，以免烧坏线圈。
6、通电、断电自感现象
【实验目的】演示通电、断电自感现象，了解产生自感的原因。
【实验器材】通电、断电自感演示仪。
【实验原理】线圈中电流i发生改变时，通过自身回路的磁通量ψ发生变化，从而产生自感电动势。
理论计算表明i?Ldi(67-1)dt称为自感系数(电感)。
由式(67-1)可知，在通电时，因为自感作用使的电流缓慢增加。
当在断电瞬间，因为di相当大，从而产生一个相当高的自感电动势。
dt实验原理图如67-1所示，~220V交流电压经变压器降压、桥式全波整流电容滤波之后输出直流电源E。
由于通电的一瞬间、电感L会产生一个自感电动势。
同样，断电的瞬间，电感也会产生一个自感电动势。
【K1+验操作与现象】
1、通电自感现象首先将K1、K2断开，再接通交流电源，按下K1开关，同时观察灯泡L1L2亮的顺序。
可看到当K1接通的瞬间，灯泡L1先亮，灯泡L2后L1才亮。
这是由于K1接通瞬间，L1直接并接在电源E上，所以接通后，它马上就亮;而L2是与电感L串联之后才并接在电源上的，电感L会产生一个自感电动势，使得L2滞后于L1。
这就充分说明了通电时的自感现象。
为了看的清楚可以反复将K1接通和断开。
2、断电自感现象1、K2断开，接通交流电源，按下K1开关，此时灯泡L1和L2亮着，可顺便观察通电自感现象。
将K2合上，即将L2短路，再把K1断开，即断开直流电源E，同时注意观察。
可以发现在断电的瞬间，L1突然亮了一下，比正常通电时还亮，这就是断电自感现象。
由于，断电的瞬间，电感L也会产生一个自感电动势，并通过L1放电，使得L1发光。
为了观察清楚，可以反复将K1通断。
【注意事项】
1、因为演示板背后电源变压器初级为~220V，切勿触摸，防止触电。
2、演示仪不能承受剧烈振动，防止将灯泡振坏。
7、聚焦实验
【实验目的】演示运动电荷在磁场中受到的洛仑兹力和磁场对电子束的聚焦作用。
【实验器材】示波管，聚焦线圈，磁场开关，电源开关，灰度调节，位移调节，线圈电源插座。
其中电源电压交流220V，示波管采用8SJ31J示波管，其加速电压为1100V，外型尺寸400280260mm。
【实验原理】当带电粒子沿与磁场B角方向以速度v斜向进入磁场时，磁场对其v?的分运动作用，使之在垂直B的平面内作匀速率圆周运动，磁场对v//的分运动无作用，粒子在沿B方向上作匀速直线运动。
结果带电粒子沿B方向作螺旋线运动。
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经过八个星期的学习与实验，我学到了很多相关的知识，也对水力学实验部分有了自认为较为清醒的体会与感悟。
因为之前有做过大学物理实验，明白在实验过程的注意事项和实验结束后的数据处理在实验的整个过程尤为重要，于是在水力学实验开课之前我仔细阅读了水力学实验课本第十一章和第十二章关于测量误差及精度分析与实验数据的处理的内容，从中学到了很多需要在实验时与实验后处理时特别注意的方面，这对我后续所有实验的进行起了很好的指导作用。
在每一次实验前，老师都会向我们讲解实验的大概原理与操作步骤，因为有两个班和很多组的关系，老师的讲解我们也不是能听的很清楚，这就要求我们在实验准备阶段仔细的弄清实验原理与可能得出的实验结果，以便我们在做实验的过程中及时判断实验数据的准确性，从而避免因错误的实验操作导致的错误结果。当然在这一部分我们做的相对并不是很好，有时甚至在上课前并未对实验原理及过程进行很好的预习。在做实验的过程中，我们不能简单的按照实验步骤来操作，在实验的过程中应仔细分析每一次得出的结果（当然，太固执与每一次的结果是无益的。），及时验算并发现错误，以便后续实验步骤的进行。
实验中要注意的事项有很多，一个小小的疏忽就很有可能导致整个实验的失败。我们也吃了这方面的亏，做第一个实验静水压强实验时没有很好的理解装置的原理与应该特别注意的细节，得出来的实验结果也不是特别的令人满意，在后续处理数据的时候发现有一个实验结果得出的误差很大，效果很不好。开始时我们打算舍弃所有的数据等到第二周重做，可是后来我们在分析思考题时发现在用实验数据来计算油的密度来验算结果时，有一项结果是具有前后联系的，因而它的变化范围也是具有一定区间的，所以我们发现实验的误差来源于我们数据读数的估读位的误差，然后我们将这一数据的估读位做了一小幅度的调整，得出的结果便相对十分准确了。从中我们便明白了一个实验并不是说实验结束了，数据处理完了，它就结束了，相反，在一个实验结束后对它的结果的思考与理解却是整个实验中最关键的一环。
而对于我来说，对一个实验最好的理解无益于在处理实验数据的时候了，有时候通过对计算公式的理解，对结果的分析，对思考题的解读，确实促进了我对水力学每一相关部分的认识。相对于以前需要无数次死记硬背的部分，难以理解的公式，通过对水力学实验这一阶段的学习，我发现再去理解与记忆他们变得容易多了，这确实是一份难得的收获与体会。
当然，在处理实验数据与得出结果的过程中，也并不总是一帆风顺的，我们也遇到了很多难题，最让我印象深刻的是水电比拟实验中流网的绘制与计算。因为实验时仪器总是并不能满足中线附近不能满足电压等于5V的缘故，我们5V的等势线偏向左边0.9厘米左右，这就造成了我们的等势线的左右不对称，给我们在流线的绘制时增加了难度。当我们在左边区域还能保持网格为曲边正方形的时候，在渗流的出口处却很明显的难以达到曲边正方形的形状，这也是我认为的我们做过的试验中最失败的地方。但是，通过这个实验，也让我对水力学渗流部分进行了充分的理解，之前上课迷迷糊糊让人难以理解的部分自己也能理清了，想必这才是这个实验所给我的最大收获吧。总之，在实验处理与结果分析的过程中，我收获了很多意想不到的东西，更是对水力学起到了很好的复习作用，对每一数据的认识，每一公式的理解，都理解的非常到位。
总之，在整个水力学实验的过程中，我们收获了很多。当然，这些也离不开老师的殷勤指导与帮助，我始终感激在毕托管测流速实验时一位实验室老师认真的为我们讲解哪些区域密测，哪些地方可以疏松一点，以及这样做的原因，我们都为老师这样的认真、负责与关怀十分感动。
岩石力学反演分析研究及工程应用
岩体本身是一个高度复杂的不确定和不确知系统,其物性参数、本构模型、计算边界条件(地应力等)和博士学位量测的位移与应力等无法准确确定.由量测信息来确定各类计算参数和模型的反分析方法自提出以来得到了迅速的发展,目前已成为解决复杂岩土力学问题的重要方法.针对当前岩石力学中的热点和难点问题进行了研究,并将其应用于实际工程中.主要工作内容如下:(1)采用区间变量表示工程中的不确定性量,针对区间分析中计算结果的区间扩张问题,提出了区间参数摄动法和区间参数优化法来求解区间有限元方程;当区间变量范围较大时,提出了将区间参数分区的方法来求解区间有限元方程;通过一计算实例,将原有的解法同提出的方法进行了比较.(2)在区间有限元方程的解法深入研究的基础上,将量测信息视为区间不确定性的变量,建立了区间参数反分析模型,将区间分析同摄动理论、优化方法相结合,提出了区间参数摄动反分析方法和区间参数优化反分析方法;基于确定性逆反分析的思想,提出了区间逆反分析方法.(3)在梯度类优化方法中,针对梯度计算中计算量大、耗时的问题,提出了用变分伴随方法来计算参数反分析中的梯度向量,形式简单,计算快捷.(4)根据系统辨识所需的先验信息、实现的原理和方法,对岩土工程本构模型辨识从一般的角度进行了分析探讨.基于流变岩体的室内简支梁弯曲流变试验,建立了量测应变值同蠕变柔量之间的关系式和现场地下模型洞室量测位移同蠕变柔量之间的关系式.在反分析过程中,首先由量测信息反分析出蠕变柔量,再由蠕变柔量辨识出模型参数,从而得到所需的.本构模型;在优化反演过程中,提出了一种减少非线性优化变量个数的方法,以改善反问题的不适定性.(5)提出复杂岩体初始地应力场的反分析模型.在模型中,采用具有多项式分布的边界荷载来模拟构造应力场,地应力和边界荷载不必符合特定的分布和假定,可模拟任意分布的复杂初始地应力场.(6)针对传统遗传算法在实际应用中的不足,提出了个体自适应变异和交叉概率、收敛判据的改进方法、欧氏距离的引入等改进方法,将改进后的遗传算法同可变容差法相结合,可克服基本遗传算法在实际应用的早熟收敛、局部搜索能力差等缺陷,能用于求解岩石力学反问题.(7)以龙滩水电站工程和清江水布垭工程为例,进行了工程实例分析验证.
作 者：刘世君 作者单位：河海大学岩土工程研究所,南京,210098 刊 名：岩石力学与工程学报 ISTIC EI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 年，卷(期)： 23(24) 分类号：O3 关键词：岩石力学 区间分析 摄动方法 优化理论 伴随方法 模型辨识 蠕变柔量 地应力场 遗传算法1 断裂力学理论
对材料和构件在裂纹尖端的应力使用弹塑性理论进行研究,对裂纹扩展规律进行研究,建立裂纹开展的判断依据,考察裂纹对结构自身的影响。
裂缝的扩展有两种观点:一种是能量分析的方法,这种观点认为产生新裂纹所需要的能量要与裂纹开展释放出来的能量相等。另一种观点认为,裂纹开展是由于裂纹尖端应力场强度达到了临界值。
物体内部细小裂纹引起的应力集中导致了物体的断裂破坏,在裂纹扩展的过程中会释放一定的势能,这些势能进而转化为在裂缝扩展过程中克服材料阻力所做的功。这种力为裂纹扩展力,由于它包括系统各个部分的贡献,所以裂纹扩展力是一个全局性,而不是局部性的参数。应力强度是对作用于裂纹尖端的力进行量化,裂纹的发展情况将由它来决定,而不是单纯的取决于外力,这种应力分布是建立在经典线弹性理论基础上的。应力强度因子K取决于外荷载,物体形状以及裂纹长度。所以,在均匀线弹性介质中的任一种特定形式的裂纹,裂纹端部应力场的强度由应力强度因子表征。
裂纹的扩展类型有三种(见表1):1)张开型(又称拉伸型);2)滑移型(又称纵向剪切型或面内剪切型);3)撕裂型(也叫横向剪切型或面外剪切型)。一般情况下的裂纹面是空间曲面,但在实际工程中都是用平面裂纹来解决。
在处理张开型裂纹扩展问题上,线弹性断裂力学取得了很大的成功。然而在工程上经常遇到的是一些复合变形状态,复合裂纹在荷载和裂纹方位不对称分布、材料各向异性以及裂纹快速传播都可以形成。
2 岩石破坏类型及受压裂纹的扩展
岩石破坏类型分为纵向破坏、剪切破坏、拉伸破坏。
纵向破坏主要是在单轴压力下产生的与σ1方向平行的裂缝,位移方向与σ1垂直。这种破坏类型常表现在煤矿中煤层柱侧面掉落的现象。
剪切破坏是在围压和轴压的共同作用下出现的,裂缝与σ1方向成一定角度,其角度与内摩擦系数有关。这种破坏类型多出现在断层和地震中。
拉伸破坏是在单轴拉伸的情况下出现的,破坏面明显分离,面与面之间没有错动。
岩石断裂力学是研究岩石介质在地下的破坏,因而它要面临压力条件。受压裂纹大多数是闭合裂纹,闭合裂纹有以下特征:
1)因为闭合裂纹面之间只产生滑动,所以是剪切破坏。
2)由于摩擦的本构关系,使裂纹面之间的作用力成非线性问题,同时还影响裂纹端部的发展。
在进行的平板实验中,受压切口的扩展呈现出以下特征:在切口端部开始扩展,初始裂缝方向与切口方向不一致,偏移很大的角度;裂缝的扩展是一条曲线,朝最大压应力方向渐进。
闭合裂纹扩展部分为张性,使得局部体积膨胀。当大量裂纹同时扩展,将导致整个试件各向异性以及体积的膨胀。在受压条件下的裂缝是不能自动继续破坏的,只有在荷载增加时才会继续扩展。
3 微裂缝的演化
材料中裂纹的扩展并不是简单的延伸,裂纹端部首先产生微裂缝,在临界状态下这些微裂缝开始集结,最终与宏观裂缝合并。微裂缝刚形成时的密度不高,它们相互之间的作用可以忽略,将每一个微裂缝看作独立的。当裂缝的密度达到一定程度时,相互之间的作用就不能再忽略。
岩石的破坏大致分为两个阶段:第一阶段,裂纹随机产生并累积;第二阶段,裂纹进入有序的演化,进而相互归并,这个时候的裂纹数量以及尺度加速发展,进入非稳定破坏阶段。微裂缝先是在较大范围内不均匀的产生,由于微裂缝间的相互作用,使得一些裂缝愈合,产生新的裂缝。
裂纹端部存在高度应力集中,在张应力集中区首先出现微裂缝的发展。在剪应力区张应力弱,微裂缝要在荷载加大的情况下才会出现。内端部的应力集中区比外端部的小,因而内端部的微裂缝发育面积要比外端部小。
4 裂纹尖端应力—应变场
对地下岩体来说,经常承受的是压应力,所以地下岩体比较重要的是对压剪裂纹的研究。在工程中对裂纹的研究往往是不考虑闭合效应的,不考虑闭合效应的裂纹用端部压应力与剪应力具有应力奇异性来模拟。
本文将各类裂纹尖端各个应力分量归纳为一个统一的表达式:
式(1)说明对每一种类型的裂纹端部应力场的分布规律是相同的,其大小则完全取决于参数K。所以K是表征裂纹端部应力场的唯一物理量,因而称为应力场强度因子或应力强度因子。在裂纹端部的应力具有奇异性,而应力强度因子正是用以描述这种奇异性的参数。
由式(2)知,即,因而可以得出式(3):
式(3)即应力强度因子K的定义。在多裂纹的问题中,应力强度因子的理论解只在少数情形下才会有。如图1所示,当a与b趋于相等时,也就是相邻2条裂纹的尖端无限接近,多裂纹形式的应力强度因子与单个裂纹形式的差别将趋于无穷大;但当a<0.5b时,也就是相邻2条裂纹尖端的距离比单个裂纹的长度长,此时多裂纹形式与单裂纹形式下裂纹尖端的应力强度因子趋于相同。
每一种类型的裂纹端部应力场分布是相同的,大小完全取决于K,因而K是裂纹端部应力场的唯一物理量。只要其K相同则裂纹端部应力场与应变能场就相同,因此K表明了裂纹端部的物理状态,因此它是度量裂纹稳定程度的参数。应力强度因子K取决于外荷载,边界条件以及裂纹相互之间的作用,都会反映在裂纹尖端的应力强度因子中。
裂纹尖端的应力强度因子K具有一定的共性,因此在岩石工程应用中提供了较为方便的途径。对于多裂纹形式下的裂纹尖端都具有一定距离,所以应力强度因子离的都比较近,因而对这种情况下无理论解时K的估计值或近似值可以通过理论计算得到。双向加压使得边界和裂纹相互之间的作用较为明显,即无穷大板单条裂纹尖端应力强度因子与多裂纹情况下的理论值不同,而裂纹局部应力强度具有一定的相似性。因此,在双向加压的条件下,当多条裂纹的尖端间距一定时,对K的估计值或近似值也是可以得到的。对岩体而言,不管是单裂纹还是多裂纹,对采取什么方法也没有限制,只要能知道K(裂纹尖端的应力强度因子),就能得到连续的裂纹尖端应力—应变场。
5 裂纹扩展条件
由于某种原因,假设在无限板中的斜裂纹发生了微小的虚拟扩展,岩体的具体构形、裂纹尺寸、外力以及材料性质将决定微小的虚拟扩展是不是真的会发生。岩体工程中,在压应力作用下经常遇到裂纹表面发生闭合的情况,此时,闭合的裂纹面之间将产生相互的作用力,这种作用力可以使用裂纹之间的正应力σ0与剪应力τ0=μfσ0组成的表达式来表达,其中,μf为裂纹表面的滑动摩擦系数,实质上,这是纯Ⅱ型裂纹在闭合状态下的行为。因而可以得出式(4):
应当指出,纯Ⅱ型裂纹在闭合状态下,不同于一般非闭合下的纯Ⅱ型裂纹。只有岩石材料的K(Ⅱ)e与一般非闭合裂纹的抗脆断能力有关;岩石材料的K(Ⅱ)e和闭合面上的摩擦剪应力都与闭合裂纹的抗脆断能力有关。使得问题的物理关系极其复杂的原因是裂纹的剪应力与裂纹面之间的相对滑移量和滑移速度都有一定的关系。目前此项研究还很不成熟,这个问题还要以后继续深入研究。
6 结语
目前,断裂力学在岩石中的研究与应用存在问题较多,难度较大。岩体内裂纹在受压情况下闭合,裂纹的边界条件也会随之发生变化,因此,必须对闭合裂纹尖端的应力场与位移场同时进行研究,以及对分支裂纹的尖端应力强度因子计算研究,对它们的研究就必须发展脆断模拟与弹塑性断裂模拟。建立出一套标准方法,可以适用于岩石静、动态断裂韧性的测定,并研究岩石两种状态的断裂韧性与传统力学性能之间的关系。
分析岩石多裂纹之间贯通机理的依据依然是断裂力学中的裂纹尖端应力—应变场,从理论方面讲述了多裂纹之间的贯通模式以及发展机理。在多裂纹尖端之间的间距合适的情况下,可以通过公式得到较好的估算值,进而可以得到裂纹尖端的应力—应变场,为多裂纹之间的贯通模式以及发展机理提供了理论基础。
摘要：在断裂力学的基础上,研究了岩石破坏类型和受压裂缝的扩展,并对微裂缝演化进行了探讨,提出利用断裂力学中的裂纹尖端应力和应变场的分布情况,可以预测和制止岩体的失稳。基于能量平衡建立岩石裂纹的扩展条件,进而导出断裂稳定性准则。指出岩石断裂力学中存在的一些问题,并对研究要点进行了总结,为岩石断裂问题研究提供了理论依据。
关键词：断裂力学,裂缝,岩石裂缝,能量平衡
参考文献
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2014年硕士学位研究生入学考试试题
================= 试题编号：860试题名称：岩石力学（共1页）适用专业：工程力学、土木工程说明： 所有答案必须写在答题纸上，做在试题或草稿纸上无效。
=================
一、名词解释（每小题6分，共计54分）零应力轴比； 2 岩石扩容； 3 横观各向同性体； 4 岩石的黏性； 5 岩石流变性； 6 边坡崩塌； 7 结构面的切割度； 8 弹性的岩石； 9 岩体龟裂系数。
二、问答题（共计76分）
1．深埋轴对称（1）圆形隧道弹塑性围岩二次应力分布状态及其围岩状态是什么？画图说明。（16分）
2．浅部地壳(＜3000m)地应力分布规律是什么？（14分）
3．单轴压缩条件下，岩石全应力-应变曲线分哪四个阶段，各阶段的岩石应力和变形特征是什么？（16分）
4．岩体边坡沿地质软弱结构面发生平面剪切滑动，必须满足的几何条件是什么？（12分）
5．莫尔强度理论的主要内容及其优缺点和适用范围是什么？（18分）
三、计算题（每题10分，共计20分）
1．做完整岩石试件等围压三轴实验时，已知完整岩石的强度指标c=10MPa，=28，试按库仑强度准则求试件在试验围压为10MPa时的最大三轴抗压强度和试件破坏方位？
样号：Y11066里程：
钻孔号:Jz-III109取样深度：26.40-26.60 m
肉眼描述：岩石呈紫灰色，细纱-粉砂状结构。
显微镜观察及描述：
岩石成分：
碎屑物：
石英40±%长石8±%屑岩3±%云母4±%白钛砂2±%
电气石少量锆石少量
胶结物：
泥质30±%白云石13±%
岩石组分特征：
岩硅细砂-粉砂状结构。
碎屑主要由石英，其次有长石岩屑。粒径：0.02-0.06mm，占70±%；0.06-0.13mm，占30±%.少数达0.2-0.37mm。次棱角-次圆状，分布较均匀。
长石碎屑以长斜石（已全绢云母化）为主，钾长石次之。
云母碎屑有黑云母、有白云母，片状，片径0.08-0.25mm，个别达0.46mm。白钛矿呈次圆-圆状，粒径0.02-0.12mm。
电气石、锆石呈次圆-圆状，粒径0.05-0.07mm。
白云石呈半自形（棱形）-他形粒状，粒径0.03-0.1mm。
泥质由水云母组成，分布于碎屑间隙。
结构与构造：细纱-粉砂状结构，基底式胶结。
野外定名：砂岩
一、海洋工程《岩石力学》的特点
海洋油气开发与陆上油气开发存在明显不同, 体现在海洋钻井、采油的各个环节, 其中《岩石力学》也表现出明显的特点。首先是海底环境非常复杂, 不但土质松软, 力学性质十分弱, 而且地貌多变, 给海洋钻采设备及工艺提出了巨大挑战。近期国外内出现的海洋油气开发中的多个灾难性事故与海底复杂的岩土环境密切相关。其次, 海洋油气藏多为松软砂岩, 这种岩石的孔隙度和渗透率高, 储量大, 单口油井产量高, 但在钻井开发过程中往往伴随井壁失稳、油层不稳定、油层出砂、油层压实及随之而来的海底沉降变形等问题。目前为船舶与海洋工程专业开设《岩石力学》课程经过两年的教学实践, 表明这门课程的开设十分必要, 学生对于《岩石力学》的学习积极性也较高, 基本达到了课程开设的教学目标。但是随着学科的不断发展, 在《岩石力学》的教学中需要重点突出海洋石油开发过程中的岩石力学问题, 而目前这一点做的不是很充分。另外, 《岩石力学》这门课程具有理论性和应用性两个方面均较强的特点, 这不但需要教师和学生针对现有理论进行系统地学习, 更为重要的是培养学生解决实际问题的能力。
二、研讨式教学模式的优势
传统的教育理念是以教师为主体, 学生为客体, 主客关系非常明确。学生被动的吸取知识, 这就容易造成:学生很难在学习中产生主动学习的兴趣, 知识的获取仅限于课堂, 失去了学习的动力, 压抑个性, 限制了学生的全面发展。同时, 也不利于师生之间的交流。研讨式教学模式提倡以人为本的理念[6]。从学生的发展角度出发, 教师从单一的知识传授者转变成学生学习的引导者。与传统的课堂模式相比, 研讨式教学具有明显的互动性, 提高学生的参与性, 更加强了师生之间的平等交流的关系, 活跃了课堂气氛, 有利于提高学生的综合素质。这些特点体现在以下几个方面: (1) 以学生为主体的讨论式教学可以调动学生的兴趣, 激发他们学习和探讨问题的动力。在这一点上, 教师的引导作用至关重要。它需要我们从学生的角度出发, 构建一套完整的引导学生进入研讨境界的课程教学程序。 (2) 培养了学生的自学能力。研讨式教学改变了长久以来教师讲课为主的教学模式, 代之以个人自学为主, 小组讨论评比, 然后由教师总结讨论结果。这种教学方式符合学生的心理特征, 肯定了他们的学习成果。 (3) 改善了学生与教师之间的关系, 实现了学生和教师在课堂上的良性互动。
三、基于研讨式教学方法的教学实施
海洋工程《岩石力学》是一门根据海洋油气开发过程中的岩石力学问题衍生出来的相关课程, 我们不能依照一般的岩石力学来授课。根据海洋工程《岩石力学》的课程性质, 我们从以下几个方面来设计研讨式授课内容。
1. 海洋环境及岩石力学的相关文献阅读指导方案。
文献阅读与分析是从事科学研究的重要环节和基本功, 让学生在本科阶段适当结合学习内容开展文献阅读的训练不但对本课程的学习十分有益, 而且为以后进一步的发展打下了坚实的基础。这是研讨式教学的第一步。这个环节可以让学生开阔视野, 了解相关课题的最新研究动态。
2. 结合海洋油气开发的工程实际和岩石力学理论, 研究研讨课题。
相对于课题的解决而言, 课题的提出不但难度大而且颇具挑战性。好的课题可以发现工程实际的本质, 解决实际问题, 而且可行性较好;而不好的课题无法抓住问题的本质, 且解决不了实际问题。要做到选题合理, 必须抓住研究中的关键点, 这可以是学术前沿, 也可以是学术研究中的热点问题。教师在这一环节起到至关重要的作用。因为这不仅需要教师具有专业的知识水平, 还需要了解学生的实际情况, 制定的课题要有代表性, 还要注意难易程度, 务必使学生有所得。
3. 基于Mat Lab平台的计算机辅助研究提出的课题。
现实问题的复杂性和规模往往不是传统的纸和笔的模式容易解决的, 大多需要借助计算机程序辅助解决。大学生对Matlab的学习和掌握较为容易。加入这一内容是为了使学生能够掌握实际解决问题的技能。通过认真筛选, 我们最终选择了四个课题, 用于研讨式教学, 即水力压裂模型、海底沉降模型、地层出砂模型、井壁稳定模型。在给出讨论题目之后, 我们将学生分组, 根据学生的人数和课时的安排, 将学生分为4个小组, 分别选择一个课题。教师对研究课题给出要求, 小组自己安排分工, 教师可以在旁指导。首先是学生查阅文献, 因为相关资料非常繁杂, 所以教师可以针对研究课题, 介绍一些文献资料, 使学生少走弯路, 在此基础上, 也鼓励学生自己查找资料补充, 消化、归纳和总结文献资料。这是研讨课中最重要、也最花费时间的一个环节。它要求学生投入很大的精力和时间, 对所有资料进行阅读理解, 如课题的研究背景、研究思路和方法, 最近的研究成果以及实际的应用情况。对于每个课题, 我们要求学生选择一个实际案例, 进行编程, 且选择一种软件进行数值模拟, 一方面是验证自己的理论知识, 另一方面是学习一门软件技能。如图1所示, 是1组同学用Matlab设计的一个计算而为水力压裂模型的界面, 图2是3组同学采用Abaqus计算的直井井壁围岩的应力分布情况。经过这些练习, 同学们对知识的理解更加深刻, 教师也了解了学生知识的掌握情况。
报告的总结和归纳, 是对所有工作的总结, 包括组内成员之间的交流和统一意见, 最后编写成研讨课上的演讲稿和课件。这个过程对于培养学生的文字表达和口头表达的能力十分重要。教师在这个环节可以引导学生, 如演讲稿的版面要美观大方, 内容必须简洁明了。我们鼓励学生在小组中先进行组内答辩, 然后其他成员打分, 提意见, 推选出一位代表, 进行课上的答辩。最后, 学生代表根据自己选择的课题在全班进行答辩, 其他学生讨论交流, 提出自己的看法和问题, 然后大家针对这些问题进行讨论解答。教师在这个环节中可以进行引导和启发学生, 注意调节课堂气氛, 还要对演讲同学以及小组进行点评和打分, 在所有小组演讲完毕, 要进行最后的总结和归纳。
实践表明, 研讨式教学对学生掌握知识、提高能力、培养研究素养具有重要的作用。这种教学方法为师生提供了一个自由、开放、积极地交流环境, 激发了学生的学习热情, 研讨的过程更是一个跨专业的交流和沟通, 学生相互之间取长补短, 开阔了大家的视野, 使学生全方位的考虑问题, 完善课程的认识层面。它也促进了师生之间的平等交流, 客观上强化了一种学术交流模式, 从而实现了学术水平的共同进步。
摘要：《岩石力学》这门课程具有理论性和应用性两个方面均较强的特点。这不但需要教师和学生针对现有理论进行系统的学习, 更为重要的是培养学生解决实际问题的能力。应用研讨式教学方法可以达到这一目的。本文从海洋工程《岩石力学》课程的实际需要出发, 对研讨式教学法的应用进行了探讨。
关键词：《岩石力学》,研讨式教学,教师,提高能力
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