如何培養(yǎng)采礦工程專業(yè)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(fā)顯露出不足，那就是如何培養(yǎng)采礦工程專業(yè)學生的力學思維。通過將傳統(tǒng)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(chǔ)力學素養(yǎng)培育，引導學生發(fā)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(xiàn)采礦工程專業(yè)學生力學思維培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 采礦工程 力學思維 能力培養(yǎng)

采礦工程中的很多關(guān)鍵科學問題都是力學問題，因此，采礦工程專業(yè)學生的培育離不開力學思維的培養(yǎng)。目前，國內(nèi)外高校針對采礦工程專業(yè)制定的培養(yǎng)方案普遍包含一些力學相關(guān)課程。如，工程力學、彈性力學基礎(chǔ)、巖石力學、礦山巖土力學、地下結(jié)構(gòu)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(yǎng)采礦工程專業(yè)學生的力學思維，為采礦工程學科與技術(shù)發(fā)展提供良好的人才和技能保障。

1加強學生基礎(chǔ)力學素養(yǎng)培育

基礎(chǔ)力學素養(yǎng)的培育首先要加強基本力學原理的理解和記憶?；诓傻V工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標和相關(guān)的力學課程性質(zhì)，采礦工程專業(yè)中的力學課程，應(yīng)該從課堂面授、試驗實踐和工程體驗三個環(huán)節(jié)開展。將傳統(tǒng)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(fā)學生學習興趣，從而達到夯實力學基礎(chǔ)、全面豐富知識體系和提升力學素養(yǎng)的培養(yǎng)目標。

1.1課堂面授

經(jīng)典力學理論具有典型的科學嚴謹性。學生的基本力學素養(yǎng)培育需要在力學理論的基礎(chǔ)假設(shè)、數(shù)學推導、模型優(yōu)化以及工程應(yīng)用等各個環(huán)節(jié)開展。課堂面授是建立老師和學生直接聯(lián)系的最簡單和有效的方式，授課教師基于自身對力學專業(yè)知識的扎實把握，結(jié)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(jù)以往對采礦工程專業(yè)開展的力學課程面授經(jīng)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(xiàn)教學目標。此外， 針對采礦工程專業(yè)的力學課程，面授課應(yīng)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(xiàn)從力學知識到采礦工程問題的應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

1.2試驗實踐

力學課程教育一方面是教授力學基礎(chǔ)理論的邏輯構(gòu)建關(guān)系，另一方面是培養(yǎng)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(yǎng)學生動手能力、鞏固知識積累和獲得創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)的基本途徑。從當前的采礦工程專業(yè)培養(yǎng)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(shè)置 2 或 4 課時的試驗課，課程的主要內(nèi)容是開展巖石力學基礎(chǔ)參數(shù)測試。目前的結(jié)果顯示，試驗教學效果顯著，主要表現(xiàn)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(fā)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(yè)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?zāi)繕说陌盐蘸驮囼炦^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(chǔ)科學與工程應(yīng)用的橋梁。采礦工程專業(yè)力學課程的教學既要體現(xiàn)力學審視下的工程審美，又要剖析工程審美中的力學特性?！稄椥粤W基礎(chǔ)》和《地下結(jié)構(gòu)力學》等基礎(chǔ)力學課程如果只闡述相關(guān)力學理論，學生很難把所學知識與采礦工程建立聯(lián)系。面對非力學專業(yè)的受眾學生，大多數(shù)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(lián)網(wǎng) 5G 和虛擬仿真技術(shù)的普及應(yīng)用，目前國內(nèi)一些高校將虛擬現(xiàn)實 VR 技術(shù)引入到采礦工程專業(yè)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(yǎng)學生力學思維的重要載體，是利用數(shù)學/力學工具解決工程問題的核心。根據(jù)建模的原創(chuàng)與否，力學建模可以分為工程簡化建模和本源創(chuàng)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(jīng)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(shù)基礎(chǔ)問題，也是本科生教學和力學建模能力培養(yǎng)的主要目標。如采礦工程中的巷道穩(wěn)定性問題是最常見和基礎(chǔ)的力學建模問題，利用《彈性力學》課程中“壓力隧洞”和“小孔應(yīng)力集中”相關(guān)章節(jié)的內(nèi)容，能夠給出最簡要的分析。因此在采礦工程專業(yè)學生的力學課程教學中，教師應(yīng)當有意識地將三者建立聯(lián)系，闡明“壓力隧洞”、“小孔應(yīng)力集中”與圓形巷道之間的共通性，引導學生發(fā)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(yīng)的處理方法或誤差分析。

2.2本源創(chuàng)新建模

本源創(chuàng)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(shè)、模型推導、問題求解與工程分析等環(huán)節(jié)進行逐步推演。此方法難度系數(shù)較大，對力學素養(yǎng)和思維的要求也相對較高，主要針對采礦工程專業(yè)的相關(guān)研究生或科研工作者。早期的大多數(shù)力學理論就是在此基礎(chǔ)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(jù)。本源創(chuàng)新建模是力學思維的直接體現(xiàn)，往往建立在堅實的力學基礎(chǔ)和跨學科交叉環(huán)境之上。

3結(jié)語

采礦工程專業(yè)學生的培育離不開力學思維的培養(yǎng)。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(fā)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(xiàn)采礦工程專業(yè)學生力學思維培養(yǎng)，為采礦工程學科與技術(shù)發(fā)展提供良好的人才和技能保障。

參考文獻

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