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摘 要:阐述了采矿工程专业课程传统教学方法存在的问题,分析了采矿工程专业课程涉及面广、内容抽象、实践性强等特点,提出把数值计算试验与传统教学方法相结合,应用于教学实践,培养学生科研和创新能力及工程意识,取得了良好的教学效果。
关键词:数值计算试验 教学方法 采矿工程
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)08(b)-0176-02
The Application of Numerical Test in Mining Engineering Education
XU Nai-zhong
Key Laboratory of Coal Safety and High Efficient Mining Education Co-sponsored by Province and Ministry of Education, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001
Abstract:Mining engineering courses show wide range,abstract content and strong practice. According to their characteristics, the problems of existing teaching methods and advantages of numerical test are discussed. Combined numerical test and traditional teaching methods are applied to teaching practice.It trains research and innovation capacity and engineering thinking of students, and obtains good effects.
Key Words:numerical test;teaching methods;mining engineering
與煤矿系统的复杂性相对应,采矿工程专业课程具有概念多、涉及面广、空间想象难、内容抽象、实践性强等特点,依靠传统的教学方法和实验室资源难以表述[1-7]。
如《井巷工程》、《矿山压力及控制》、《矿井设计》等课程研究的是岩体力学及井巷形状和空间位置选取等问题,其大量的计算公式和抽象的理论分析令学生理解和记忆均十分困难,难以提起学习的兴趣,学生对课程学习的积极性不高。而数值计算技术作为辅助教学手段,有助于学生理解和记忆,且数值计算一般结合实际的工程实例,重现工程进行过程中围岩的应力、应变变化过程,在课程教学时穿插的数值计算结果分析可以看出,学生对软件能够实现这么强大的功能颇感新鲜,从而激发了学生学习的兴趣。
因此,建立立体、形象的数值模拟教学系统,对采矿工程专业和其他非煤专业提高教学效果和学习效率意义重大。
1 采矿工程专业课程教学现状
1.1 专业课程涉及面广且内容抽象,课堂教学难以收到预期效果
传统教学方法采用黑板教学,信息量小,授课重点基本放在一些陈旧的工程案例上,对新理论、新方法的介绍偏少。仅仅依靠黑板教学,对于采矿空间关系复杂或牵涉到煤岩体细观特征知识的讲解难以到位,这给学生的理解带来了一定的难度;而传统的多媒体教学只是对课本知识的再现,这些方法依然是建立在平面图形基础之上,缺乏立体感和形象感,教学效果并没有明显的改进。
煤矿井工开采的重要特点是地下作业,生产环节多、工序复杂。井下生产系统包括掘进、提升、通风、排水、动力供应等系统,井下生产系统空间交错复杂。为了培养采矿工程专业技术人才,要求学生对矿井日常生产与管理的各方面全都了解;因此开设了数学、力学等基础课程,地质测量学、矿山电工、井巷工程等专业基础课程,采煤学、矿山压力及其岩层控制、矿井设计等专业主干课程。这些课程与生产实际结合紧密,课程之间互相交叉,尤其是专业课程内容抽象难懂。
如矿井设计这门课程,其矿井开拓系统及采区生产系统设计内容繁多且抽象难懂,怎样根据煤层的赋存状况选择井巷的位置是学习的重难点,而车场、硐室及巷道的布置教科书中都是以平面图和剖面图表示,缺乏空间立体感,教师讲起来费时费力,学生们听起来抽象难懂;达不到预期的教学效果,为后续采煤课程设计及毕业设计埋下隐患。
1.2 实验室教学资源有限
实验室教学主要是结合不同课程要求安排不同实验内容,如矿井设计这门课程,实验室教学主要是参观矿井模型。通过模型的参观及讲解,加强学生对课堂知识的理解。实验室模型感官效果虽好,但学生很难掌握巷道与煤岩地层的立体图、平面图及剖面图的对应关系,学生仅仅能看, 不能融入场景当中;而且模型个数有限,反映的内容也比较片面,与课堂内容存在诸多差别;而且现有的教学模型通常跟不上现场的变化,若从新制作物理模型,制作费用又较大。
2 数值计算试验特点
2.1 理论结合实践,夯实学生基础知识
采矿工程试验主要是为了解决矿山开采过程中的煤岩体受力变形、破坏规律及其稳定性控制等问题,从而合理确定矿山开采方案,为矿山工程各项设计参数的优化提供理论基础。在采矿过程中,由于学生专业实践经验的缺乏,难以对采矿过程形成清晰的感性认识,对于矿山煤岩体的应力场、位移场、裂隙场等的分布规律缺乏想象。即使采用多媒体辅助教学,上述概念还需在学生的脑海中反复构思才能有所消化。
运用图形显示和三维可视化技术处理数值计算的结果,在将其与实验室试验及实际工程中的采矿现象相结合,可以将抽象的概念在三维空间上加以描述,形象地显示分析结果,将采矿过程枯燥、乏味的概念和理论转化为图文并茂、形象生动的画面;这样可以启发学生的专业形象思维,激发学生的学习兴趣,从而提高教学的质量和效果;同时有助于减轻学生的学习难度,提高学生的分析思维能力,增强学生对采矿工程的感性认识;从而使学生可以更加容易理解和掌握采矿工程专业课程的一些疑难问题,如采场覆岩三带分布等问题。通过这种与计算机技术结合的教学方式,可以扩大学生的视野,培养学生应用理论知识解决工程实际问题的能力,为做好采矿工程设计及毕业设计和走上工作岗位打下坚实的基础。 2.2 预演实验室试验,促进教学
数值计算试验可以再现采矿工程中观察到的破坏现象(如岩石破裂过程应力场及声发射场、岩石裂纹扩展过程等);它既保留了物理实验直观性的优点,又克服了物理实验观测难、分析难、重复难、费用高、周期长的弊病;还能够得到许多在实际试验室中观察不到的重要信息及实验室无法真实再现的试验现象,如采动岩移应力场和位移场、采场冲击地压、突水、含瓦斯煤岩突出等采矿工程灾害现象。因为这些现象通常都涉及尺度更大的岩体结构,通过普通實验室小型试样加载实验难以实现。
在进行实验室试验之前,安排适当的数值计算试验,可以对实验室试验的试验目的、试验步骤和主要试验现象进行一定程度的预演,讲解试验的重点、难点,使学生对实验室试验有更加全面的把握和准备。如对于岩石应力应变试验,在试验时学生很难在试验过程中获得直观的认识,激发不起学生的兴趣,也很难让学生对试验的全过程有清晰的认识,试验的效果相对比较差。因而在进行试验前,可以利用数值计算试验预演方法,使学生首先有很充分的认识,再结合实际的试验现象,使学生更加主动积极地去思考,加深对问题的理解,则可以达到很好的教学效果。
3 数值计算试验在采矿工程教学中的应用
在采矿过程中,要把煤体或有用矿物安全采出,需解决两类问题:采场围岩控制和巷道围岩控制。采场围岩控制指岩体结构是如何破断的,破断后的岩块是否趋于稳定状态,以及结构失稳后的形态变化;巷道围岩控制指开采后覆岩移动、变形和破坏导致围岩应力场的变化规律,开采对工作面周围巷道围岩稳定性的影响,以及采动影响下巷道围岩控制机理及控制技术。那么针对上述两个问题,在采矿工程教学中,需要授课的内容是岩体力学问题、采场及巷道稳定性控制问题等。若利用好数值计算试验,在授课时可以让学生清楚的了解上述问题的解决方法。
如《岩体力学》是采矿工程的专业基础课程,在教学中关于岩石抗拉、抗压、抗剪性能等基本实验可以采用实验室试验和数值计算试验相结合的方法。实验室试验锻炼学生实际动手能力;但是由于实验室资源有限,不可能做若干组试验,而通过数值计算试验可以弥补上述不足,学生可以考虑不同岩性、弹模、泊松比及尺寸比等情况下,岩石的变形损伤演化和宏观破坏过程中的应力场、声发射场等重要信息。
采场和巷道围岩控制问题是由于工程项目尺寸较大,这些问题单单在课堂上用文字或图片的形式加以详细描述,对于没有多少现场实践经验的学生来说还是抽象难懂,不易掌握;而实验室试验又存在观测难、结果分析难、试验过程不可恢复等问题。如讲授《井巷工程》巷道开挖及支护工艺过程,可通过数值计算为学生演示不同围岩、不同开挖断面及不同支护参数组合条件下巷道的位移场及应力场分布情况,以便合理选取支护参数。讲授《矿山压力及控制》覆岩运移规律时,通过数值计算演示覆岩运移过程及位移场与应力场的演化规律。
因此,在课堂讲学中,结合工程实例,加上实验室试验和数值计算试验,可以提高学生学习兴趣,把理论和现场相结合,培养学生工程意识。
4 结语
数值计算试验具有通用性强,实现常规实验室试验无法实现的数据采集和分析功能,及大尺寸复杂工程求解功能,弥补了传统教学方法的不足,是提高教学质量的一种有效途径。合理地将数值计算试验与采矿工程传统教学方式相结合,可以激发学生的学习兴趣,培养学生工程意识,为今后工作打下坚实基础。作为采矿工程专业教学方法改革,数值计算试验无疑是一种好的选择。
参考文献
[1] 何廷峻,汪佑武.高校矿业类专业人才培养模式探讨[J].淮南职业技术学院学报,2005(1):103-105.
[2] 胡建华,周科平,古德生,等.采矿专业课程数值试验教学的构思与创新[J].理工高教研究,2007,26(6):91-93.
[3] 熊祖强,丁明,赵辉.采矿工程专业虚拟实习及教学技术研究[J].河南理工大学学报(社会科学版),2009,10(3):544-547.
[4] 刘广超,李宝富,韦四江.辅助设计和可视化技术在采矿工程专业教学中的应用[J].煤炭技术,2009,28(10):145-146.
[5] 顾冬生,华渊,华海涛.数值仿真试验在结构工程试验教学中的应用[J].江南大学学报(教育科学版),2009,29(4):386-388.
[6] 王斌,赵伏军.基于共振原理的采矿工程本科教育教学研究[J].煤炭高等教育,2010,28(2):111-113.
[7] 李小林.关于数值计算方法课程教学改革的探讨[J].重庆文理学院学报(自然科学版),2010,29(2):85-87.
关键词:数值计算试验 教学方法 采矿工程
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)08(b)-0176-02
The Application of Numerical Test in Mining Engineering Education
XU Nai-zhong
Key Laboratory of Coal Safety and High Efficient Mining Education Co-sponsored by Province and Ministry of Education, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001
Abstract:Mining engineering courses show wide range,abstract content and strong practice. According to their characteristics, the problems of existing teaching methods and advantages of numerical test are discussed. Combined numerical test and traditional teaching methods are applied to teaching practice.It trains research and innovation capacity and engineering thinking of students, and obtains good effects.
Key Words:numerical test;teaching methods;mining engineering
與煤矿系统的复杂性相对应,采矿工程专业课程具有概念多、涉及面广、空间想象难、内容抽象、实践性强等特点,依靠传统的教学方法和实验室资源难以表述[1-7]。
如《井巷工程》、《矿山压力及控制》、《矿井设计》等课程研究的是岩体力学及井巷形状和空间位置选取等问题,其大量的计算公式和抽象的理论分析令学生理解和记忆均十分困难,难以提起学习的兴趣,学生对课程学习的积极性不高。而数值计算技术作为辅助教学手段,有助于学生理解和记忆,且数值计算一般结合实际的工程实例,重现工程进行过程中围岩的应力、应变变化过程,在课程教学时穿插的数值计算结果分析可以看出,学生对软件能够实现这么强大的功能颇感新鲜,从而激发了学生学习的兴趣。
因此,建立立体、形象的数值模拟教学系统,对采矿工程专业和其他非煤专业提高教学效果和学习效率意义重大。
1 采矿工程专业课程教学现状
1.1 专业课程涉及面广且内容抽象,课堂教学难以收到预期效果
传统教学方法采用黑板教学,信息量小,授课重点基本放在一些陈旧的工程案例上,对新理论、新方法的介绍偏少。仅仅依靠黑板教学,对于采矿空间关系复杂或牵涉到煤岩体细观特征知识的讲解难以到位,这给学生的理解带来了一定的难度;而传统的多媒体教学只是对课本知识的再现,这些方法依然是建立在平面图形基础之上,缺乏立体感和形象感,教学效果并没有明显的改进。
煤矿井工开采的重要特点是地下作业,生产环节多、工序复杂。井下生产系统包括掘进、提升、通风、排水、动力供应等系统,井下生产系统空间交错复杂。为了培养采矿工程专业技术人才,要求学生对矿井日常生产与管理的各方面全都了解;因此开设了数学、力学等基础课程,地质测量学、矿山电工、井巷工程等专业基础课程,采煤学、矿山压力及其岩层控制、矿井设计等专业主干课程。这些课程与生产实际结合紧密,课程之间互相交叉,尤其是专业课程内容抽象难懂。
如矿井设计这门课程,其矿井开拓系统及采区生产系统设计内容繁多且抽象难懂,怎样根据煤层的赋存状况选择井巷的位置是学习的重难点,而车场、硐室及巷道的布置教科书中都是以平面图和剖面图表示,缺乏空间立体感,教师讲起来费时费力,学生们听起来抽象难懂;达不到预期的教学效果,为后续采煤课程设计及毕业设计埋下隐患。
1.2 实验室教学资源有限
实验室教学主要是结合不同课程要求安排不同实验内容,如矿井设计这门课程,实验室教学主要是参观矿井模型。通过模型的参观及讲解,加强学生对课堂知识的理解。实验室模型感官效果虽好,但学生很难掌握巷道与煤岩地层的立体图、平面图及剖面图的对应关系,学生仅仅能看, 不能融入场景当中;而且模型个数有限,反映的内容也比较片面,与课堂内容存在诸多差别;而且现有的教学模型通常跟不上现场的变化,若从新制作物理模型,制作费用又较大。
2 数值计算试验特点
2.1 理论结合实践,夯实学生基础知识
采矿工程试验主要是为了解决矿山开采过程中的煤岩体受力变形、破坏规律及其稳定性控制等问题,从而合理确定矿山开采方案,为矿山工程各项设计参数的优化提供理论基础。在采矿过程中,由于学生专业实践经验的缺乏,难以对采矿过程形成清晰的感性认识,对于矿山煤岩体的应力场、位移场、裂隙场等的分布规律缺乏想象。即使采用多媒体辅助教学,上述概念还需在学生的脑海中反复构思才能有所消化。
运用图形显示和三维可视化技术处理数值计算的结果,在将其与实验室试验及实际工程中的采矿现象相结合,可以将抽象的概念在三维空间上加以描述,形象地显示分析结果,将采矿过程枯燥、乏味的概念和理论转化为图文并茂、形象生动的画面;这样可以启发学生的专业形象思维,激发学生的学习兴趣,从而提高教学的质量和效果;同时有助于减轻学生的学习难度,提高学生的分析思维能力,增强学生对采矿工程的感性认识;从而使学生可以更加容易理解和掌握采矿工程专业课程的一些疑难问题,如采场覆岩三带分布等问题。通过这种与计算机技术结合的教学方式,可以扩大学生的视野,培养学生应用理论知识解决工程实际问题的能力,为做好采矿工程设计及毕业设计和走上工作岗位打下坚实的基础。 2.2 预演实验室试验,促进教学
数值计算试验可以再现采矿工程中观察到的破坏现象(如岩石破裂过程应力场及声发射场、岩石裂纹扩展过程等);它既保留了物理实验直观性的优点,又克服了物理实验观测难、分析难、重复难、费用高、周期长的弊病;还能够得到许多在实际试验室中观察不到的重要信息及实验室无法真实再现的试验现象,如采动岩移应力场和位移场、采场冲击地压、突水、含瓦斯煤岩突出等采矿工程灾害现象。因为这些现象通常都涉及尺度更大的岩体结构,通过普通實验室小型试样加载实验难以实现。
在进行实验室试验之前,安排适当的数值计算试验,可以对实验室试验的试验目的、试验步骤和主要试验现象进行一定程度的预演,讲解试验的重点、难点,使学生对实验室试验有更加全面的把握和准备。如对于岩石应力应变试验,在试验时学生很难在试验过程中获得直观的认识,激发不起学生的兴趣,也很难让学生对试验的全过程有清晰的认识,试验的效果相对比较差。因而在进行试验前,可以利用数值计算试验预演方法,使学生首先有很充分的认识,再结合实际的试验现象,使学生更加主动积极地去思考,加深对问题的理解,则可以达到很好的教学效果。
3 数值计算试验在采矿工程教学中的应用
在采矿过程中,要把煤体或有用矿物安全采出,需解决两类问题:采场围岩控制和巷道围岩控制。采场围岩控制指岩体结构是如何破断的,破断后的岩块是否趋于稳定状态,以及结构失稳后的形态变化;巷道围岩控制指开采后覆岩移动、变形和破坏导致围岩应力场的变化规律,开采对工作面周围巷道围岩稳定性的影响,以及采动影响下巷道围岩控制机理及控制技术。那么针对上述两个问题,在采矿工程教学中,需要授课的内容是岩体力学问题、采场及巷道稳定性控制问题等。若利用好数值计算试验,在授课时可以让学生清楚的了解上述问题的解决方法。
如《岩体力学》是采矿工程的专业基础课程,在教学中关于岩石抗拉、抗压、抗剪性能等基本实验可以采用实验室试验和数值计算试验相结合的方法。实验室试验锻炼学生实际动手能力;但是由于实验室资源有限,不可能做若干组试验,而通过数值计算试验可以弥补上述不足,学生可以考虑不同岩性、弹模、泊松比及尺寸比等情况下,岩石的变形损伤演化和宏观破坏过程中的应力场、声发射场等重要信息。
采场和巷道围岩控制问题是由于工程项目尺寸较大,这些问题单单在课堂上用文字或图片的形式加以详细描述,对于没有多少现场实践经验的学生来说还是抽象难懂,不易掌握;而实验室试验又存在观测难、结果分析难、试验过程不可恢复等问题。如讲授《井巷工程》巷道开挖及支护工艺过程,可通过数值计算为学生演示不同围岩、不同开挖断面及不同支护参数组合条件下巷道的位移场及应力场分布情况,以便合理选取支护参数。讲授《矿山压力及控制》覆岩运移规律时,通过数值计算演示覆岩运移过程及位移场与应力场的演化规律。
因此,在课堂讲学中,结合工程实例,加上实验室试验和数值计算试验,可以提高学生学习兴趣,把理论和现场相结合,培养学生工程意识。
4 结语
数值计算试验具有通用性强,实现常规实验室试验无法实现的数据采集和分析功能,及大尺寸复杂工程求解功能,弥补了传统教学方法的不足,是提高教学质量的一种有效途径。合理地将数值计算试验与采矿工程传统教学方式相结合,可以激发学生的学习兴趣,培养学生工程意识,为今后工作打下坚实基础。作为采矿工程专业教学方法改革,数值计算试验无疑是一种好的选择。
参考文献
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