如何培養采礦工程專業學生力學思維

滕騰 張洪偉 展鵬飛 劉昌林 杜玉冰

摘 要 力學作為一種解決采礦工程中問題的有效工具，逐步受到重視，同時也愈發顯露出不足，那就是如何培養采礦工程專業學生的力學思維。通過將傳統課堂面授、力學試驗實踐和工程體驗有效融合，加強學生基礎力學素養培育，引導學生發散思維，進行工程問題對比和學科交叉，鍛煉力學建模能力，實現采礦工程專業學生力學思維培養。

關鍵詞 采礦工程 力學思維 能力培養

采礦工程中的很多關鍵科學問題都是力學問題，因此，采礦工程專業學生的培育離不開力學思維的培養。目前，國內外高校針對采礦工程專業制定的培養方案普遍包含一些力學相關課程。如，工程力學、彈性力學基礎、巖石力學、礦山巖土力學、地下結構力學、流體力學和礦山壓力與巖層控制等。通過這些力學課程的學習，有效培養采礦工程專業學生的力學思維，為采礦工程學科與技術發展提供良好的人才和技能保障。

1加強學生基礎力學素養培育

基礎力學素養的培育首先要加強基本力學原理的理解和記憶。基于采礦工程專業人才培養目標和相關的力學課程性質，采礦工程專業中的力學課程，應該從課堂面授、試驗實踐和工程體驗三個環節開展。將傳統課堂教學、力學試驗實踐和工程體驗有效融合，能夠使得三者之間相得益彰、互為補充，較大程度上激發學生學習興趣，從而達到夯實力學基礎、全面豐富知識體系和提升力學素養的培養目標。

1.1課堂面授

經典力學理論具有典型的科學嚴謹性。學生的基本力學素養培育需要在力學理論的基礎假設、數學推導、模型優化以及工程應用等各個環節開展。課堂面授是建立老師和學生直接聯系的最簡單和有效的方式，授課教師基于自身對力學專業知識的扎實把握，結合各種面授技巧， 循序漸進地引導學生展開思考和批判。根據以往對采礦工程專業開展的力學課程面授經驗，授課教師在面授課中堅持利用板書，能夠無形中提高學生學習興趣，有助于實現教學目標。此外， 針對采礦工程專業的力學課程，面授課應加強力學理論推演過程的闡述，讓學生在宏觀上形成記憶，有助于實現從力學知識到采礦工程問題的應用轉化。

1.2試驗實踐

力學課程教育一方面是教授力學基礎理論的邏輯構建關系，另一方面是培養學生通過實踐獲得知識和認知的能力。開展力學試驗是培養學生動手能力、鞏固知識積累和獲得創新發現的基本途徑。從當前的采礦工程專業培養方案來看，《巖石力學》、《土力學》和《礦山壓力與巖層控制》等力學課程大多會設置 2 或 4 課時的試驗課，課程的主要內容是開展巖石力學基礎參數測試。目前的結果顯示，試驗教學效果顯著，主要表現為：（1）學生參與試驗課積極性較高，有助于提升理論課的學習氛圍;（2）試驗前后，圍繞試驗方案與目的，學生思考與交流增多，促進自發學習;（3）理論與實踐相互驗證，知識掌握牢靠。以上三點足以說明采礦工程專業中力學課程試驗教學的必要性，然而目前的試驗課時太少，筆者認為有必要進一步增加。需要特別指出地是，教師在力學試驗前對試驗目標的把握和試驗過程的演示對試驗教學效果具有重要影響。

1.3工程體驗

力學是承接基礎科學與工程應用的橋梁。采礦工程專業力學課程的教學既要體現力學審視下的工程審美，又要剖析工程審美中的力學特性。《彈性力學基礎》和《地下結構力學》等基礎力學課程如果只闡述相關力學理論，學生很難把所學知識與采礦工程建立聯系。面對非力學專業的受眾學生，大多數教師會引入工程賞析或案例評述，讓學生能夠以不同的形式獲得感官體驗。具體的方式有教師闡述、視頻動畫演示和教學模型等。隨著互聯網 5G 和虛擬仿真技術的普及應用，目前國內一些高校將虛擬現實 VR 技術引入到采礦工程專業教學，極大地提高了學生的工程體驗。

2提高學生力學建模能力

力學建模是培養學生力學思維的重要載體，是利用數學/力學工具解決工程問題的核心。根據建模的原創與否，力學建模可以分為工程簡化建模和本源創新建模。

2.1工程簡化建模

工程簡化建模是將具體的工程問題進行簡化，并利用已有的經典力學模型進行分析。此方法較為簡單，能夠解決采礦工程中的多數基礎問題，也是本科生教學和力學建模能力培養的主要目標。如采礦工程中的巷道穩定性問題是最常見和基礎的力學建模問題，利用《彈性力學》課程中“壓力隧洞”和“小孔應力集中”相關章節的內容，能夠給出最簡要的分析。因此在采礦工程專業學生的力學課程教學中，教師應當有意識地將三者建立聯系，闡明“壓力隧洞”、“小孔應力集中”與圓形巷道之間的共通性，引導學生發散思維，完成工程簡化與類比建模。針對工程問題的差異性，教師也需指出相應的處理方法或誤差分析。

2.2本源創新建模

本源創新建模需要綜合使用力學知識，對特定的工程問題從基本假設、模型推導、問題求解與工程分析等環節進行逐步推演。此方法難度系數較大，對力學素養和思維的要求也相對較高，主要針對采礦工程專業的相關研究生或科研工作者。早期的大多數力學理論就是在此基礎之上建立起來的，如斷裂力學之父 Griffith 從能量平衡的角度導出裂紋擴展和材料破裂的判據。本源創新建模是力學思維的直接體現，往往建立在堅實的力學基礎和跨學科交叉環境之上。

3結語

采礦工程專業學生的培育離不開力學思維的培養。通過將課堂面授、試驗實踐和工程體驗有效融合，全面夯實和豐富力學知識體系;引導學生發散思維，進行工程問題對比和學科交叉，鍛煉力學建模能力，實現采礦工程專業學生力學思維培養，為采礦工程學科與技術發展提供良好的人才和技能保障。

參考文獻

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