采礦工程基礎力學課程教學改革與創新能力培養

許猛堂 李海軍 金志遠 趙維生

摘 要：基于目前采礦工程專業基礎力學課程和專業課程銜接不緊密的現狀，結合多年來采礦力學課程的授課經驗，提出采礦工程專業力學課程改革思路與實踐措施，通過基礎力學課程采礦特色案例庫的構建，將采礦問題案例融入力學基礎課程中，培養學生解決實際問題的能力。通過開展“第二課堂”、“科研導師制”等科研實踐活動，積極引導大學生申請和專業相關的創新創業項目，培養采礦工程專業學生“雙創”能力。

關鍵詞：基礎力學課程；采礦特色案例庫；科研實踐活動；創新能力

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）04-0037-03

Abstract： Based on the current situation that the basic mechanics course and the professional course of mining engineering are not closely connected， combined with the teaching experience of the course of mining mechanics for many years， the paper puts forward the ideas and practical measures for the reform of the mechanics course of mining engineering， and through the construction of the mining case library of the basic mechanics course. Integrate mining problem cases into the mechanics foundation course to develop students' ability to solve practical problems. Through the implementation of the "Second Classroom" and "Scientific Research Tutor System" and other scientific research activities， we will actively guide college students to apply for innovation and entrepreneurship projects， and cultivate the innovation ability of mining engineering students.

Keywords： basic mechanics course； mining feature case library； scientific research activities； innovative ability

在采礦工程技術的發展中，力學始終扮演著一個重要的角色，采礦工程中有著許多復雜的力學問題，這些問題將直接影響著采礦工程進度以及整個礦區的安全生產情況[1，2]。諸如采礦后覆巖的活動規律及頂板的控制[3]、支架的合理選型、巷道支護[4，5]、采動邊坡穩定性[6，7]等問題，隨著這些問題的解決，力學學科本身也得到了很大的發展。力學平臺課程（理論力學、材料力學）是采礦工程專業的理論基礎，熟悉和掌握力學的基本理論、材料常見的破壞準則及其它知識，對于學生對專業課程的學習及未來從事相關采礦工程工作奠定基礎[8]。但是，傳統的教材和教學方法存在基礎力學課程和專業課程難以有效銜接的問題[9，10]，使得學生在學習后續專業課程中難以運用基礎力學知識解決實際問題，不利于采礦工程創新性人才的培養。結合近年來我國在采礦方面取得的力學成果，在此基礎上通過理論與教學新方法等方面進行有益的改革探索，使學生能全面地掌握力學課程的培養要求，提高學生運用力學理論基礎知識解決實際問題的能力。

一、采礦工程基礎力學課程在教學過程中存在的問題

（一）基礎力學課程教材和后續采礦專業課程難以有效銜接

力學基礎課程的教材大都基于土木、機械、建筑學科，教材中的習題也是圍繞上述幾個學科展開，很少涉及采礦工程領域的力學問題，且在參閱力學課程的參考書的基礎上，并未發現有專門針對采礦工程專業編寫的教材。筆者近年來教授的課程主要有《理論力學》、《材料力學》、《礦山巖體力學》、《礦山壓力與巖層控制》等課程，教授對象為礦業工程學院的本科生，這些課程類別為專業平臺課或專業必修課。在教授專業課過程中發現，學生很難將所學的基本力學知識運用到采礦實際問題中，即使是基礎力學課程學習成績相對較好的同學也表示采礦力學模型難以聽懂。如何編制屬于采礦工程專業的特色案例庫以適應新時期對人才的需求，使理論與實踐相結合，這個重要問題擺在采礦工程專業教育工作者的面前。

（二）創新性訓練少，學生難以從力學角度來看待采礦問題

教育部在“十二五”期間實施國家級大學生創新創業訓練計劃，在“大眾創新，萬眾創業”的背景下，大學生創新創業受到越來越多的學生青睞。貴州理工學院作為全國首批99所深化創新創業教育改革示范高校，高度重視大學生創新創業訓練計劃，并制定了“113”計劃，即100%學生接受創新創業教育，100%學生進行創新創業項目訓練并形成3%的優質創新創業成果。采礦工程現場實際中存在力學問題[11]，訓練學生從力學角度解決礦山實際問題，培養學生創新能力，無疑是創新創業一個好的方向。但就目前貴州理工學院采礦工程專業課程體系而言，學生在第三學期學習《理論力學》、第四學期學習《材料力學》，第五、六學期開始學習《巖體力學》和《礦山壓力與巖層控制》，學習完《礦山壓力與巖層控制》課程后就已經大四了，很難進行創新型、研究型人才的培養，就更談不上進行創新創業訓練計劃了。

二、采礦工程基礎力學課程教學改革思路及創新性實踐探索

（一）教學內容與教材更新

1. 力學課程采礦特色案例庫創建

整合相關力學課程資源，結合《理論力學》、《材料力學》、《工程力學》、《礦山巖體力學》及《礦山壓力與巖層控制》等課程，并通過現場實地調研采礦工程中所遇到的力學問題，收集采礦工程關于上述課程力學案例，并基于力學素材的整理收集，針對采礦覆巖的活動規律及頂板的控制問題、支架的合理選型、巷道支護等問題，建立礦山實際采礦過程中遇到的力學問題模型，分析力學模型所需的基礎理論知識，構建基于采礦工程學科大類知識結構下的力學課程模塊。比如，可以在《材料力學》課程中列舉《礦山壓力與巖層控制》課程中計算工作面來壓步距實例，花1～2分鐘給學生講一下實例背景，將上覆巖層壓力簡化為均布載荷，基本頂（關鍵層）簡化為巖梁，兩端簡化為簡支梁模型（如圖1所示），則問題變為求解簡支梁受均布載荷下的破斷問題。

2. 編著屬于采礦工程專業的力學教材

以采礦工程專業中力學課程為基礎，通過對已有基礎力學教材的研究以及教材中習題進行重新編撰，在教材中加入采礦背景，制作基礎力學課程的PPT，在課堂中講授采礦力學案例以培養學生理論聯系實際能力，形成適用于采礦工程專業學生的教學方式，增強學生對采礦中力學問題的認識，以解決目前教學中理論和實踐聯系不緊密的問題。

（二）理論教學方法改革

1. 課堂教學方法改革

傳統的基礎力學課程教學主要采取滿堂灌的方式，無法培養學生的創新能力；為了提高學生學習積極性以及對以后專業知識的理解，課堂講授除了基本力學知識點，另外部分章節采用知識點和采礦案例結合的方式進行，引導學生積極思考，培養學生解決實際問題的能力。作業采用兩種類型：必做題和思考題，必做題要求學生必須做完，主要是學生掌握基本知識點的習題；思考題為學生選做題，主要是鍛煉一部分優秀學生的創新能力，習題主要是給出工程背景，引導學生自己建立力學模型來解決工程實際問題。例如，在課堂上講授了圖1中的力學模型，在課后將題目背景中改為采礦工作面上覆的巖層是山體，那么上覆巖層的載荷就不是均布載荷，讓學生按此計算工作面初次來壓步距，則圖1中的模型則改變為圖2。

2. 課后教學方法改革

課后主要負責對學生的答疑以及培養學生利用基本力學知識解決采礦實際問題的能力，積極培養部分選擇思考題的學生，與學生共同進行討論、分析，并教會這部分學生查閱文獻的能力，引導學生積極思考，針對于采礦實際問題自己建立相關模型并求解，讓學生在解決工程實際問題中得到學習的樂趣，保證學生的創造力得到發揮。

（三）創新能力培養

開展“第二課堂”、“科研導師制”等課外科研實踐活動，授課老師作為指導教師積極開展大學生創新創業項目，在課堂和課后教學中發現感興趣的學生，鼓勵其參加創新創業項目，利用相關基礎力學理論知識，并使用采礦相關數值模擬軟件進行數值模擬研究，解決礦山企業遇到的實際力學問題，授課老師也可以結合自己的科研課題帶領學生做科研方面的實踐工作，積極挖掘開發創新性實踐教學的有效載體，培養采礦專業學生創新創業能力。

三、采礦工程基礎力學課程教學改革的優勢

（一）建立采礦特色案例庫，使教學更具有針對性

以采礦工程專業中力學課程為基礎，通過對教材的研究以及教材中習題進行重新編撰，在教材中加入采礦背景，建立采礦特色案例庫，形成適用于采礦工程專業學生的教學方式，增強學生對采礦中力學問題的認識，培養學生理論聯系實踐能力，以解決目前教學中理論和實踐聯系不緊密的問題。在整個模板的構建過程中，緊緊圍繞力學在采礦工程中的應用這一實質來創建，不僅要使學生在學習過程中能夠獲取力學的基本知識，同時可以使學生將所學知識應用到采礦工程實際中，一方面可以讓學生了解以后專業課程的相關內容，另一方面能夠讓學生產生對專業課程的興趣。對于貴州理工學院這樣一所新建院校，培養學生的創新意識和理論聯系實際能力、提高學生的綜合素質是非常有必要的，具有廣闊的應用前景。

（二）注重學科交叉，培養學生解決實際問題的能力

學科交叉和融合能夠打破傳統工科學科的固定范式，讓學生具備多學科思維面對實際工程問題[12]。將基礎力學知識和采礦專業知識交叉融合，培養學生成為復合創新型人才，教導學生具有較強的實踐能力和與本學科相關的綜合能力，既具備基礎力學知識和職業所必需的技術能力，又有專業交叉復合性的知識儲備，一方面能夠滿足就業企業和生產第一線的需求，另一方面又能夠自我提升與創新能力。在平臺課程中讓學生對采礦工程專業有前期認識，激發學生的學習熱情，引導學生由接受性學習向自主性學習轉化，真正教導培養學生的自主能力、理論聯系實踐能力，并且憑借扎實的專業理論基礎和寬厚的交叉專業知識面，能在以后各自的崗位上進行革新和創新，將所具備的知識進行合理運用并推廣。

（三）培養學生科研創新能力，有利于學生發展

“雙創型”人才培養是國家經濟和戰略發展的需要，全國各高校也在積極培養創新創業型人才。按照大學生成長過程分析，大一是大學生創新創業思維的萌芽期，大二和大三是學生創新創業思維的成熟和完善期，也是大學生創新創業的黃金時期，大四是學生創新創業成果物化期，而采礦工程專業力學課程恰好貫穿了大學生的大二和大三兩年，可以有針對性地培養學生創新創業能力，達到事半功倍的效果。指導老師可以根據學生的興趣愛好組建創新創業小組，以老師的科研項目或其它采礦力學問題為基礎，引導學生思考、建立力學模型、申報創新創業項目。同時，組織學生參加各類創新創業競賽，為培養雙創型人才打下堅實基礎。近三年來，筆者指導學生立項創新創業項目國家級1項，省級3項，校級5項，分別獲全國高等學校采礦工程專業學生實踐作品大賽二等獎、三等獎各1項，授權實用新型專利4項，發表論文2篇。

（四）有利于未來學生考研和從事采礦行業工作

就采礦工程而言，全國很多高校選擇力學課程作為專業課考試課程，比如中國礦業大學和安徽理工大學碩士研究生招生專業課程為礦山巖體力學，山東科技大學為巖體力學，貴州大學為工程力學（靜力學和材料力學），太原理工大學為材料力學。學生在大二、大三時系統性地學好力學課程知識，對考研專業課程起到事半功倍的效果，以及對以后進行研究生課程的學習具有重要的作用。另外，培養學生從力學角度認識和解決采礦問題，可以加深學生對力學基本理論以及采礦工程相關知識的認識，培養學生分析問題、解決問題能力，為學生今后從事采礦工程相關工作解決礦山壓力與巖層控制、支架合理選型以及巷道支護等問題奠定必要的技術素養。

四、結束語

綜上所述，構建基于基礎力學課程的采礦特色案例庫，在此基礎上對課堂理論教學方法進行有益的改革探索，將基礎力學知識和采礦專業知識交叉融合，使得采礦工程專業力學基礎課程和專業課程有效銜接，以達到培養學生解決實際問題的能力的目標；另外通過開展“第二課堂”、“科研導師制”等科研實踐活動，積極引導大學生申請創新創業項目，培養采礦專業學生創新能力。

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