基于微型相似模擬架的礦壓實驗教學研究

龐冬冬

摘 要：結合礦壓實驗教學中的現狀及不足，提出了用自制微型相似模擬架進行礦壓實驗教學，減小了實驗模型制作的工程量，降低了實驗耗材，豐富了礦壓實驗的教學內容，簡化了實驗教學的重疊部分，提高了學生的主動參與性，增強了學生的動手及協作配合能力，提高了實驗教學效率。

關鍵詞：實驗教學 相似模擬 礦壓

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（c）-0173-02

實驗課程教學是課程教學體系中不可或缺的部分，是學生從“紙上談兵”到“現場實踐”的轉變過程。然而，由于學生的數量多而實驗室設備及環境資源不足，導致了實驗教學內容的簡化和刪減，大大抑制了學生的創新探索和動手實踐能力。礦壓課程是采礦專業學生的必修課程，其實驗教學是必不可少的環節，但由于礦壓實驗教學課時安排不足、實驗內容不完善、教學方式不合理、實驗設備資源不足，導致了實驗教學的效果不理想，因此，礦壓實驗課程教學必須另辟蹊徑[1，2]。

1 礦壓實驗教學現狀及存在的問題

礦壓實驗教學長期以來沒有很好地進行改進與創新，導致過去很多年仍采用傳統的巖石物理力學性能測試、支護體設備力學性能測試、常用礦壓監測監控設備使用方法及傳感器的標定等內容。隨著學生對新知識、新方法的探索需求，這些實驗內容已不能完全滿足學生的需求?，F階段礦壓實驗教學主要存在以下幾個方面的問題。

（1）實驗條件資源不夠完善。隨著礦壓實驗教學課時的壓縮，而礦壓測試設備及技術方法不斷地更新進步，實驗教學內容在不斷地增加，現有的實驗課時已滿足不了要求，因此，對實驗課程的教學質量有很大影響；學生人數多，實驗成套設備少，導致了實驗操作分組不能過細，學生沒有充分動手實踐的機會，進而將實驗實踐課程演變成了學生在看實驗演示過程，很難有好的教學效果。

（2）實驗教學內容不夠全面。之前，礦壓實驗教學內容主要包含巖石的物理力學性能測試、支護體的類型及力學性質測試、常用礦壓觀測儀器設備使用方法及標定等。這些內容都是礦壓實驗課程必不可少的，但是，部分內容與其他課程實驗內容有重疊，如巖石的物理力學性能測試實驗與《礦山巖體力學》的實驗課程內容重復，礦壓觀測儀器設備使用方法及標定與《礦山壓力監測監控技術》實驗課程內容有重疊；此外，原有實驗教學內容還欠缺采場礦壓巖層移動規律、礦壓顯現現象以及演變特征觀測等內容，故整個實驗教學內容不夠全面完善。

（3）實驗教學方式不夠合理。由于礦山壓力與巖層控制實驗課程需要配套的設備、種類及數量都很多，實驗室目前尚不能提供足夠數量的成套實驗設備，帶來的問題是：在短短的兩堂課時間，在講解完實驗課程后，在成套實驗設備儀器不足的情況下，一次性完成實驗操作練習是不現實的，需分組輪流進行實驗，在前一組學生做實驗的時候，其他學生只能等著，大大地降低了學生的積極性，很多情況下教師采用統一操作演示的方式進行教學，將學生實驗變成了老師演示實驗，或是只有少數人參與的實驗過程，其他人在觀看過程中插不上手，覺得無聊和多余，達不到實驗教學目的。

（4）學生重視及參與程度不夠。鑒于礦壓實驗教學學時少、人數多、教學環境復雜、不單獨計入考核成績，學生感覺來不來上課都行，最后交個實驗報告就能完成任務，這種現象究其原因為考核方式的不夠合理，實驗課程教學成績只占很小的一部分，導致了大多教學生重理論輕實驗的現象，學生的重視程度下降，而在實驗課程考核中，考核結果不能反映出學生的真實學習成果，大大地降低了學生的積極性，也造成了學生對實驗課程的重視程度與參與度不高。

2 微型相似模擬架在礦壓教學中的應用

相似模擬實驗是研究礦壓顯現規律、上覆巖層移動規律及現象的重要手段，主要用在研究生論文中，為了豐富本科生的實驗教學內容，讓學生更多地掌握礦壓現象規律研究方法手段，實驗室采用在保留原有核心實驗教學內容同時，將相似模擬實驗填充到礦壓實驗教學中，簡化以往與其他專業實驗課程有重疊的實驗部分項目，拓展學生的視野，讓學生更多地參與到試驗中，但常用的科研用相似模擬實驗架尺寸偏大，模型制作周期長，耗材大，與實際實驗教學情況不符，實驗室通過自制微型相似模擬實驗架的制作，減小了模型制作周期，實現了多組學生同時進行實驗，各組獨立協作完成實驗模型的制作、開挖，觀測及數據處理分析，進而加深對礦壓理論的認識和理解。

（1）實驗教學方案。實驗課程之前，由實驗老師給定某礦某工作面煤層賦存特征柱狀圖，將班級分成5個小組，每個小組成員相互協作完成相似模擬實驗方案的制定，包括相似材料的配比方案、模型結構觀測內容及方法、開采范圍、速度及觀測要求、試驗中的注意事項等內容；在實驗課程教學前由指導老師審閱核對修改。

（2）材料準備。根據實驗教學大綱及教學內容指導書及學生分組情況，由實驗室統一采購沙子、石膏、云母，準備電子秤和靜態電阻應變儀各5臺及自制電阻應變式傳感器制作材料，實驗室為教學自制準備了5組長×寬×高為1.0 m×0.1 m×1.0 m的微型相似模擬架，既保證了實驗的完整性又大大地降低了工作量；電阻應變式傳感器包括電阻應變片、接線端盤和導線，每個電阻應變片含有2根應變片引出線；在接線端盤將應變片引出線和導線連接，導線長4 m，用于引出與靜態電阻應變儀連接。

（3）模型制作。老師講解相似模型的原理及制作步驟后，對一些需要注意的點進行強調，每個組組員自己分工協作完成制作過程。①根據方案制定的配比號，稱量相應質量的沙子、石膏及水攪拌均勻，需要各組學生共同參與，相互協作；②將攪拌均勻的物料上架，用護板固定；③裝架到開采煤層時，參入墨汁用于標識；④將自制應變片傳感器埋入模型中；⑤裝架完成后，根據荷載計算，增加相應的配重載荷。模型制作完成，實驗指導老師對模型進行審核并指示下次實驗課的任務。

（4）模型開挖及觀測。模型制作完成后，老師向學生講解模型的開挖及觀測內容，指導學生將應變片連接導線連接到靜態電阻應變上，進行開挖工作，在課堂上實現模型的第一次開挖及數據采集。獲知方法后，學生在課下繼續開挖，進而自主完成開挖及觀測實驗；通過直觀模型表面變化及數據采集分析，強化對礦壓理論的認識，并通過自己思考分析產生這些變化和現象的原因，探索試驗中出現的錯誤及不足之處，將自己對實驗的操作及認識，匯編成自己的實驗報告，作為實驗成績考核標準。

3 結論

利用微型相似模擬架進行礦壓實驗教學，豐富了教學內容，減小了模型制作的工程量，降低了耗材，確保了實驗的可行性，讓更多的學生參與其中，多了團隊協作、研究思考和咨詢討論，拓寬了學生的視野。結論如下：（1）微型相似模擬實驗架結構簡單，價格便宜，實驗室可提供足夠數量的實驗設備，解決了實驗資源不足的問題；（2）增加了礦山巖體運移規律及壓力顯現規律的觀測這一部分實驗內容，簡化了重疊實驗課程；（3）教學方式由老師的演示實驗轉變成學生導演并主演整個實驗過程，實驗環節多，工作量飽滿，學生不再感覺得無聊和多余；（4）考核方式不再是以往的同一組或整個班級提交同一個實驗內容報告的形式，而是探索試驗中出現的錯誤及不足之處，將自己對實驗的操作及認識，匯編成自己的實驗報告。避免了抄襲實驗報告的現象，較好地反映出實驗完成質量。

參考文獻

[1] 張嘉勇，郭立穩.《礦山壓力》課程實驗教學方法改革[J].河北聯合大學學報：社會科學版，2012（4）：30-33.

[2] 高召寧.《礦山壓力及其控制》課程教學方法探討[J].中國科技信息，2010（13）：220-221.