采礦工程“講—演—做”多元數(shù)值模擬教學(xué)與實(shí)踐

摘要：為了克服傳統(tǒng)采礦工程數(shù)值模擬教學(xué)的局限性，實(shí)踐并總結(jié)了多元數(shù)值教學(xué)方法，結(jié)合數(shù)值模擬教學(xué)基本內(nèi)容，采用“講-演-做”多元手段相結(jié)合的模式，使學(xué)生對課堂重點(diǎn)、難點(diǎn)更易掌握和理解，并與上機(jī)相互結(jié)合、穿插，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：多元數(shù)值模擬；教學(xué)方法；采礦工程

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）37-0149-02

采礦工程是一個綜合性和實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。眾所周知，先進(jìn)的教學(xué)方法是提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬教學(xué)，不僅具有通用性強(qiáng)、方便靈活、可重復(fù)性等特點(diǎn)，而且可以通過數(shù)值試驗(yàn)得到許多在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中難以觀測的重要信息，可培養(yǎng)學(xué)生基于采礦知識并采用科學(xué)方法對復(fù)雜礦山工程問題進(jìn)行模擬預(yù)測和分析的能力。探索采用“多媒體講授+數(shù)值模擬演示+學(xué)生實(shí)際操作”相結(jié)合的多元數(shù)值模擬教學(xué)方法，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)值模擬手段解決采礦工程問題的能力，也能豐富和拓展學(xué)生的知識面，增強(qiáng)學(xué)生參與教學(xué)活動的主動性、創(chuàng)造性，大幅度提高教學(xué)質(zhì)量。

一、采礦工程數(shù)值模擬教學(xué)的基本內(nèi)容

數(shù)值模擬作為采礦工程一門必修課程，設(shè)置于《煤礦開采學(xué)》、《巖石力學(xué)》、《和礦山壓力與巖層控制》、《井巷工程》等主干專業(yè)課學(xué)習(xí)之后，旨在培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)手段解決采礦工程問題的能力，主要課程內(nèi)容包括：巖石力學(xué)基本實(shí)驗(yàn)與測試，巷道、采場、邊坡等穩(wěn)定性分析等方面的數(shù)值模擬教學(xué)內(nèi)容。

二、多元數(shù)值模擬教學(xué)在采礦工程教學(xué)中的應(yīng)用

目前，國內(nèi)采礦工程專業(yè)數(shù)值模擬課程教學(xué)中較少系統(tǒng)采用“講—演—做”的多元數(shù)值模擬教學(xué)方法，自2010年至今，我們對多元手段的數(shù)值模擬教學(xué)方法進(jìn)行了一些嘗試和探索，認(rèn)為在采礦工程專業(yè)數(shù)值模擬教學(xué)中需要解決以下主要問題。

（一）專任授課教師培養(yǎng)

授課教師須具備熟練的數(shù)值模擬操作技能和扎實(shí)的采礦工程專業(yè)知識，這是保證課堂講授、演練和上機(jī)操作高質(zhì)量完成的關(guān)鍵。同時(shí)，目前大多采礦工程專業(yè)高校擁有依泰斯卡、RFPA等系列數(shù)值計(jì)算軟件，可以滿足采礦工程不同類型工程問題的數(shù)值模擬，部分專業(yè)課教師也具備了有關(guān)程序的應(yīng)用和開發(fā)能力，有些老師已經(jīng)具備十多年的現(xiàn)場工程和數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)，這一問題可得到很好的解決。

（二）數(shù)值模擬課程的多媒體課件制作

如上所述，采礦工程多元數(shù)值模擬教學(xué)是基于數(shù)值模擬技術(shù)和現(xiàn)代多媒體教學(xué)技術(shù)構(gòu)建的。因此，數(shù)值模擬多媒體課件的制作是關(guān)鍵。數(shù)值模擬多媒體課件制作是一個工作量大、涉及面廣、專業(yè)性強(qiáng)的工作，需要人力、物力和時(shí)間的投入，因此往往需要一定的前期投入。可以利用教研組力量，進(jìn)行合理地分工和統(tǒng)籌安排，才能取得較好效果。從實(shí)踐情況來看，需要完成以下工作。

1.需結(jié)合采礦工程專業(yè)特點(diǎn)和需求，收集和整理學(xué)生數(shù)值模擬學(xué)習(xí)中需要掌握的專業(yè)知識點(diǎn)，將知識點(diǎn)與數(shù)值模擬技術(shù)的每個環(huán)節(jié)融合，形成具有針對性、相對獨(dú)立的多媒體課件，保證學(xué)生在每個教學(xué)環(huán)節(jié)都能學(xué)習(xí)一個完整的采礦工程數(shù)值算例。同時(shí)，在章節(jié)安排上應(yīng)該注意從淺到深，從開始的基本程序界面和菜單掌握，到后續(xù)獨(dú)立完成工程編程與計(jì)算，層層深入，逐個掌握，達(dá)到目的。

2.收集標(biāo)準(zhǔn)巖石力學(xué)教學(xué)試驗(yàn)和現(xiàn)場工程案例原型的照片、視頻資料，添加到每個多媒體教學(xué)環(huán)節(jié)中，利用多媒體教學(xué)手段進(jìn)行演示，并結(jié)合數(shù)值模擬再現(xiàn)工程原型，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也能達(dá)到較好的教學(xué)效果。

3.應(yīng)選擇有針對性且較易掌握的數(shù)值模擬操作，作為每個章節(jié)數(shù)值模擬的多媒體演示內(nèi)容，程序應(yīng)簡短、易懂、好操作，讓學(xué)生能很快理解和掌握。同時(shí)，將數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行后處理，制作成圖片、動畫，插入到多媒體內(nèi)容中，并輔以結(jié)果分析講解，不僅可以避免程序計(jì)算占用課堂時(shí)間，也可以潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)值模擬結(jié)果的后處理與分析能力。

（三）課堂數(shù)值模擬操作與演示

課堂操作與演示是學(xué)生認(rèn)識和掌握數(shù)值模擬技術(shù)的關(guān)鍵，因而，選取了采礦工程中幾個典型問題進(jìn)行課堂數(shù)值模擬操作與演示。

1.對于常規(guī)巖石力學(xué)試驗(yàn)，主要對前期建模、邊界選擇、參數(shù)選擇等進(jìn)行詳細(xì)講解與軟件操作，讓學(xué)生掌握基本的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技能，然后對軟件模擬分析過程中，巖石試件模型的受力和變形進(jìn)行實(shí)時(shí)、動態(tài)演示，并對模型試件內(nèi)部的力學(xué)演化過程進(jìn)行分析，使學(xué)生對常規(guī)巖石力學(xué)試驗(yàn)有更加全面的理解。

2.采場與巷道是采礦工程問題的主要研究對象，首先用現(xiàn)場巷道底臌和冒頂、支架損壞、煤壁片幫等現(xiàn)場實(shí)拍照片或視頻演示來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，再通過現(xiàn)場典型工程問題提煉出的數(shù)值計(jì)算簡化模型，然后進(jìn)行前期建模、邊界選擇、參數(shù)選擇等進(jìn)行詳細(xì)講解與軟件操作，可將備課時(shí)模擬完成的動畫進(jìn)行播放，展示采場或巷道圍巖內(nèi)、外部力學(xué)演化過程，通過數(shù)值模擬后處理中的圖形演示功能，讓學(xué)生易于理解和掌握，不易忘記。也可將計(jì)算結(jié)果與物理相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，展示計(jì)算機(jī)模擬的優(yōu)越性和可重復(fù)性，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)模擬技能的同時(shí)也進(jìn)一步加深了對專業(yè)知識的理解。

（四）學(xué)生實(shí)際操作

1.上機(jī)課時(shí)優(yōu)化。教學(xué)實(shí)踐表明，衡量數(shù)值模擬課程學(xué)習(xí)好壞的關(guān)鍵是學(xué)生是否可以自己獨(dú)立進(jìn)行編程與操作。所以，適當(dāng)增加學(xué)生上機(jī)課時(shí)是十分必要的。我們從最初的8個上機(jī)課時(shí)+24個課堂課時(shí)，調(diào)整為16個上機(jī)課時(shí)+16個課堂課時(shí)，課堂課時(shí)與上機(jī)課時(shí)“1∶1”，課堂講授與演示后，接著進(jìn)行上機(jī)操作，設(shè)置專門的上機(jī)老師指導(dǎo)單班上機(jī)，讓老師有足夠的時(shí)間對學(xué)生進(jìn)行“一對一”指導(dǎo)。這樣增加了上機(jī)課時(shí)，并能及時(shí)進(jìn)行上機(jī)指導(dǎo)，加深和鞏固新知識的同時(shí)也加強(qiáng)了數(shù)值模擬操作技能的培訓(xùn)。但是，由于大幅度壓縮了課堂課時(shí)，所以課堂講授內(nèi)容要精益求精、重點(diǎn)突出，多媒體課件與數(shù)值模擬演示需要課題組老師認(rèn)真討論和精心準(zhǔn)備，進(jìn)而才能達(dá)到教與學(xué)共營。

2.上機(jī)指導(dǎo)與考查。學(xué)生上機(jī)實(shí)際操作是整個數(shù)值模擬教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是學(xué)生對課堂所學(xué)知識的應(yīng)用與加深階段，做好上機(jī)指導(dǎo)與考核尤為重要，為了保證在一個課時(shí)的上機(jī)時(shí)間中，實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)老師對每個學(xué)生“一對一”指導(dǎo)，我們將原來的每個上機(jī)班中的兩個學(xué)生班減少為一個學(xué)生班，這樣老師可以有充足的時(shí)間來指導(dǎo)每一個學(xué)生，也易于考核管理和上機(jī)課堂控制。

我們將上機(jī)考核在總成績中的占比從20%提高到40%（課堂占50%，平時(shí)作業(yè)占10%），一來可以提高學(xué)生對上機(jī)的重視，二來可以增加學(xué)生上機(jī)練習(xí)的次數(shù)。在平時(shí)上機(jī)過程中，指導(dǎo)老師可采用“一對一”方式對學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行考核，并將考核結(jié)果作為上機(jī)成績的一部分，占到上機(jī)考核的25%（總成績的10%），在期末上機(jī)時(shí)，則同樣采用“一對一”考核方式，作為期末上機(jī)成績，占上機(jī)考核的75%（總成績的30%）。

三、結(jié)語

多元數(shù)值模擬教學(xué)方法使學(xué)生對課堂重點(diǎn)、難點(diǎn)更加容易理解和掌握，而且能與上機(jī)操作相互結(jié)合、穿插，激發(fā)了學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生計(jì)算機(jī)操作與解決實(shí)際問題的能力，取得了較明顯的教學(xué)效果，在采礦工程工程相關(guān)專業(yè)教學(xué)中具有較好的發(fā)展?jié)摿Γ瑫r(shí)也為研究生數(shù)值模擬教學(xué)提供了思路。但在課時(shí)安排、學(xué)生上機(jī)操作指導(dǎo)等細(xì)節(jié)上仍需進(jìn)一步探索和改進(jìn)。

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