采礦工程本研貫通多元數值仿真教學體系探索

摘 要：針對采礦工程數值仿真教材、模擬程序和實踐平臺等本-研貫通性、進階性不足問題，開展采礦工程本-研貫通的數值仿真教學探索與實踐，編著采礦工程數值模擬教材、實驗指導書、典型案例庫和教學程序，組建一支高水平的數值仿真教研梯隊，建成實踐創新能力培養的多元數值仿真實驗平臺，構建符合采礦工程科技人才培養規律的本-研貫通式多元數值仿真教學體系，為培養采礦基礎扎實、創新能力突出的工程和科技人才提供重要的支撐。

關鍵詞：采礦工程；本-研貫通；創新能力；多元數值仿真教學；教學體系；實踐平臺

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）21-0005-04

Abstract： In response to the lack of undergraduate-postgraduate connectivity and advanced training in numerical simulation textbooks， simulation programs， and practice platforms for mining engineering， we have carried out exploratory and practical teaching of numerical simulation for undergraduate and graduate students in mining engineering. We have compiled textbooks， experimental guides， typical case libraries， and teaching programs for numerical simulation in mining engineering， and established a high-level research and teaching team for numerical simulation， built a multi-dimensional numerical simulation experimental platform for practical innovation ability training， and constructed a multi-dimensional numerical simulation teaching system for undergraduate-postgraduate connectivity that conforms to the laws of cultivating mining engineering talents. This provides important support for cultivating engineering and technological talents with solid foundation in mining and outstanding innovation ability.

Keywords： mining engineering; undergraduate and graduate students; innovation capabilities; multi-dimensional numerical simulation teaching system; teaching system; practice platforms

隨著人工智能[1]、數字孿生[2]等現代技術的飛速發展，人類學習和認識事物方式方法發生了巨大變化，近年來，計算機數值仿真技術已成為人類認識和解決科學難題的重要手段。采礦工程具有復雜程度大、涉及領域廣的特點，其主要涉及到了采煤方法、設備選型、礦井地質、井巷工程、地表沉陷與巖層移動、礦井通風與瓦斯防治及礦井防滅火等眾多難題，數值仿真與模擬方法應用面廣，是解決復雜采礦工程問題不可或缺的手段。同時，采礦工程是一個綜合性和實踐性很強的學科，面向煤炭行業發展主戰場，作為西部地區唯一一所煤炭高等院校，西安科技大學采礦工程系始終致力于培養專業基礎扎實、創新能力突出礦業工程科技人才，為煤炭工業和區域經濟社會發展做出了重要貢獻。

21世紀以來，計算機仿真技術發展突飛猛進，已成為煤炭行業智能化、綠色化發展的重要支撐，以及先進技術研發和專業知識學習不可或缺的手段。此外，采用先進的教學手段和教學方法是提高人才培養質量的重要手段，采用仿真模擬手段，利用計算機對采礦過程進行數值仿真再現和試驗，不僅具有通用性強、方便靈活、可重復性等特點，而且可以通過數值試驗得到許多在常規實驗室試驗中難以觀測的重要信息，因此，培養能熟練運用仿真技術解決復雜采礦工程問題的創新性人才是推動煤炭行業智能綠色發展的唯一途徑，也是采礦工程專業創新人才培養的重要手段之一[3]。

以數值仿真為載體，構建采礦工程數值仿真教學體系、建立數值仿真教研平臺、形成高水平人才培養模式，將對學科其他相關專業課程教學大有裨益，其應用前景十分廣闊。然而，要實現采礦工程創新性人才培養目標，一是要解決采礦工程領域的數值仿真教材少、內容散、系統性差的問題[4]；二是要豐富教學與實踐過程中數值計算軟件種類；三是要打通采礦工程本科與研究生課程學習與實踐的“堵點”。因而，亟需開展采礦工程本-研貫通的多元數值仿真教學探索與實踐工作，特別是培養本-研學生利用數值仿真實驗方法解決復雜采礦工程問題的實踐與探索能力，使學生具備較強的實踐能力和創新能力，加深了對采礦工程專業知識的認識，以達到以培養采礦基礎扎實、創新能力突出的工程科技人才為目標[5]。最后，形成符合采礦工程科技人才培養規律的本-研貫通式多元數值仿真教學體系，為采礦工程創新性人才培養提供重要的支撐。

一 采礦工程數值仿真教學存在的問題

眾所周知，采礦工程不僅是一個極為復雜的系統工程問題，也是一個十分復雜的地下巖土工程問題，巖土工程數值仿真方法具有高效率、低成本和可重復的優勢，是采礦工程領域研究人員和工程技術人員認識采礦工程問題、解決巖層控制難題和技術創新的有力手段[6]。此外，培養具備扎實的采礦工程數值仿真知識和技能的創新人才是一個長期的系統性工程，其中，建設高素質師資隊伍、高水平實驗平臺、高質量課程體系是必備條件。經過長期的實踐探索，發現當前采礦工程數值仿真教學存在以下幾個方面的問題。

一是針對采礦工程領域的數值仿真教材少、內容散、系統性差。大部分為數值分析軟件介紹與說明書，大多內容為土木、隧道、邊坡和水壩等永久性工程的仿真方法與技術，與臨時性、周期性和復雜多樣的采礦工程問題相差較遠，因此，教材內容中專業知識與數值仿真方法結合不緊密，數值仿真案例與采礦工程問題結合不緊密，不能很好地將采礦工程專業知識與數值仿真方法融合起來。

二是教學與實踐過程中數值仿真軟件種類少、匹配性和互補性差。面臨復雜多樣的采礦工程理論與技術問題，學生運用單一的數值仿真方法難以了解工程問題本質。主要表現如下：①不能很好地利用各個數值計算方法去解決可發揮其優勢的工程問題；②在解決復雜工程問題過程中，不能發揮各個數值計算方法特點對工程問題進行全面研究；③不能實現各個數值仿真結果之間或與現場工程實際相互驗證、相互校正、相互補充，達到對工程實際的模擬追蹤，實現精細化數值仿真；④難以實現對工程問題的各種現象的可視化仿真再現或是對未知問題的可視化仿真探索研究。

三是采礦工程數值仿真教學體系本-研貫通性不足、進階性不強。本科生和研究生對數值仿真課程學習的需求和目標存在差異，本科生主要聚焦對采礦規律的認知理解及如何有效解決采礦工程問題，研究生則更專注于未知采礦規律的探索和采礦理論技術創新方面。因此，長期以來，采礦工程數值仿真教學體系中存在設置的教學內容和重點存在明顯差異、采用的教學方法有所不同、實踐平臺功能需求不一樣等問題，特別是針對不同的培養對象，教學要素間的銜接性和進階性不足，難以達成本-研貫通的創新人才培養目標。

二 采礦工程多元數值仿真教學體系探索

針對上述問題，自2007年以來，采礦工程專業教師開展了數值仿真教學科研、人才培養的實踐與探索，聚焦高水平數值仿真師資隊伍培育、高水平數值仿真實驗平臺架構、高質量數值仿真課程體系建設，主要形成了以下創新性內容。

（一） 提出了“講-演-作”相結合的采礦工程多元數值仿真教學方法，形成了面向創新能力培養的本-研貫通數值仿真課程及實驗教學體系

基于采礦工程專業知識學習特點，首先，授課教師須具備熟練的數值仿真操作技能和扎實的采礦工程專業知識，這是保證課堂講授、演練和上機操作高質量完成的關鍵。同時，目前大多采礦工程專業高校擁有依泰斯卡[7-9]、RFPA[10]等系列數值計算軟件，可以滿足采礦工程不同類型工程問題的數值仿真，部分專業課教師也具備了有關程序的應用和開發能力，有些老師已經具備十多年的現場工程和數值仿真經驗。其次，構建了課堂講授（40%課時）+課堂與實驗室演示（20%課時）+實驗室學生實操（40%課時）的多元教學模式[11]，形成學習與實踐穿插、互補、貫通的學習方式，課程從最初的8個上機課時+24個課堂課時，調整為16個上機課時+16個課堂課時，課堂課時與上機課時“1∶1”，課堂講授與演示后，接著進行上機操作，專門上機老師指導單班上機，讓老師有足夠的時間對學生進行“一對一”指導。這樣增加上機課時，并能及時進行上機指導，加深和鞏固新知識的同時也加強了對數值仿真操作技能的培訓。但是，由于大幅度壓縮了課堂課時，所以課堂講授內容要精益求精、重點突出，多媒體課件與數值仿真演示需要課題組老師認真討論和精心準備，才能達到教與學共贏。

在學生實操方面，為保證在一個課時的上機時間中，實現指導老師對每個學生“一對一”指導，我們將原來的每個上機班中的兩個學生班減少為一個學生班，這樣老師可以有充足的時間來指導每一個學生，也易于考核管理和上機課堂控制。將上機考核在總成績中的占比從20%提高到40%（課堂占50%，平時作業占10%），一是可以提高學生對上機的重視程度，二是可以增加學生上機練習的次數。在平時上機過程中，指導老師可采用“一對一”方式對學生學習效果進行考核，作為上機成績的一部分，占到上機考核的25%（總成績的10%），在期末上機時，則同樣采用“一對一”考核方式，作為期末上機成績，占上機考核的75%（總成績的30%）。

可以看出，多元數值仿真教學方法使學生對課堂重點、難點更加容易理解和掌握，而且能與上機操作相互結合、穿插，激發了學生課堂學習的興趣，培養了學生計算機操作與解決實際問題的能力，取得了較明顯的教學效果，在采礦工程專業教學體系中具有十分重要的支撐作用。

（二） 提出了一種基于離散元、有限元和顆粒元等的采礦多元數值仿真技術

為了克服傳統采礦工程數值仿真教學存在的局限性，提出了多元數值仿真技術（圖1），即針對所研究問題，充分發揮不同數值計算方法（有限差分法、有限元法、離散單元方法等）的特性，運用兩種或兩種以上數值計算方法對問題進行全面研究，主要如下：①注重利用各個數值計算方法去解決可發揮其優勢的工程問題；②在解決復雜工程問題過程中，注重發揮各個數值計算方法特點，解決該工程中的一部分問題，最終綜合各個仿真研究結果，實現對工程問題的全面研究；③注重計算過程中各個數值仿真結果之間或與現場工程實際相互驗證相互校正相互補充，達到對工程實際的仿真追蹤，實現數值仿真精細化；④注重對工程問題的各種現象的可視化仿真再現或是對未知問題的可視化仿真探索研究。長期的實踐表明，多元數值仿真技術不僅具有通用性強、方便靈活、可重復等特點，而且可以得到許多在常規實驗中難以觀測的重要信息，可從多種仿真角度加深學生對物理現象的理解，實現實物實驗無法完成的內容，提高學生實踐與創新能力。

（三） 構建了“課堂-實訓-實驗-工程”四維一體的數值仿真平臺，形成了采礦創新能力培養的教研融合模式

基于采礦工程數值仿真程序的特性，購置了適用采礦工程教學版和科研版仿真程序，包括有限元（FLAC3d、RFPA3d、RFPA系列版本等）、離散元（3DEC、UDEC等）和顆粒元（PFC3D、PFC2D等）數值仿真軟件9套[12]，購置了高性能數值仿真計算機60臺套，建成了基于數值仿真的實訓平臺和科學研究實驗室。構建了課堂學習、課內實訓、課外實驗和工程實踐等全覆蓋的數值仿真實驗平臺，為學生專業基礎學習、數值仿真實操訓練、創新能力培養提供了重要的平臺支撐。

（四） 設計了“三能一法”實踐教學模塊，形成了固本拓新的本-研貫通式實踐能力培養機制

一直以來，課程團隊把陜北侏羅系大煤田開發過程中涌現出的基于數值仿真分析的巖層控制新理論、新方法、新技術引入課堂；將西南、西北廣泛賦存的多災源復合的大傾角煤層巖層控制理論與技術案例引入課堂；將前沿的數值仿真研究技術和方法引入課堂。課程主講教師始終關注西部煤炭開采過程中的數值仿真分析問題，并長期致力研究，實踐經歷豐富，完成的國家科技獎成果“大傾角煤層長壁綜采理論與技術”和“淺埋煤層長壁開采巖層控制”，填補了巖層控制領域空白，奠定了學校兩個鮮明的學科特色方向，形成了鮮明的課程特色。

課程團隊教師在對多元手段的數值仿真教學方法進行探索與實踐期間，也開展了案例驅動的采礦工程“講-演-做”多元數值仿真教學與實踐，課程團隊編制了采礦工程數值模擬講義、入門案例程序庫、實驗指導書等，其中，共完成礦山巖層運移、沖擊地壓、邊坡失穩、結構破壞、巷道破壞垮落、固液耦合、固氣耦合及動力分析等十余個典型工程案例的編制工作，其與課程較強的實踐屬性適配性強，是實現知識內容由“實踐-理論-實踐”遷移應用的有效銜接，對學生的實操能力、邏輯思維、創新意識培養具有重要的支撐作用。上述各個模塊應用于采礦工程數值仿真課程教學工作，現已完成了9屆本科生、研究生的培養工作，并結合最新科研成果不斷更新教學案例庫，保障了學生學習和實踐效果。

總之，基于采礦工程專業學生素質培養需求，課程團隊融合多元數值仿真技術與專業知識體系，構建了貫通式、進階性的基本仿真實操、典型案例實訓、工程問題仿真的課內外實踐模塊，分層次、分批次培養本-研學生實踐能力，本科生注重鞏固專業知識、熟悉基礎實操和邏輯思維能力的培養，研究生注重未知采礦規律探索和理論技術創新能力的培養，形成了強基礎、促創新的進階式實踐能力培養機制。

三 采礦工程多元數值仿真教學實踐效果

西安科技大學采礦工程多元數值仿真教學探索與實踐歷時17年，編著了采礦工程數值模擬課程教材、實驗指導書、典型案例和教學程序，搭建了多元數值仿真課堂-采礦工程數值模擬實驗室實踐能力培養平臺，打通了數值仿真教學課程學習與工程實踐的“堵點”，取得了顯著的教學實踐效果。

（一） 架構了教學與科研貫通的采礦工程多元數值教學體系

采礦工程多元數值仿真教學歷時17年的探索與實踐，編著了煤炭高等教育“十三五”規劃教材《采礦工程數值模擬》1部，編制了采礦工程數值仿真課程教學與入門實訓程序，編寫了9個模擬仿真程序的實驗指導書、編著了15個采礦工程數值模擬“復雜煤層采場巖層運動”典型案例庫，形成了采礦工程數值模擬教學內容全覆蓋，2014年以來，1 700余名本科生、研究生使用至今，本-研學生能熟練掌握專業知識和數值仿真方法開展復雜工程問題的認知和研究，課程考核優秀率和學生實操能力逐年提升。

（二） 組建了一支高水平的數值仿真教研梯隊

通過長期的教學科研實踐，逐漸形成了采礦工程數值仿真教學科研梯隊，團隊現有教授3人、副教授5人、講師1人、工程師1人，課程團隊擁有陜西省高校青年創新團隊1個，陜西省杰出青年科學基金1人、陜西青年科技新星4人，陜西高等學校青年教師教學競賽一等獎1人，全國高等學校采礦工程專業青年教師講課比賽一、二等獎3人，專業師資教學能力不斷提升。具有國外訪學交流經歷3人、企業掛職鍛煉6人，師資隊伍的教研能力和國際視野不斷提升。

（三） 建成了創新實踐能力培養的多元數值仿真實驗平臺

提出了一種基于離散元、有限元和顆粒元等的采礦多元數值仿真技術，2007年以來，西安科技大學相繼配置了適用采礦工程的教學版和科研版的有限元、離散元和顆粒元數值仿真軟件9套，分別建成了數值仿真實訓平臺和采礦工程數值模擬實驗室。通過長期的教學科研實踐，課程團隊教師主持參與相關省級、校級教改和實驗室建設項目6項，在核心期刊等發表相關教改論文8篇。2008年以來，本科生、研究生在實驗平臺開展實訓和科學研究等數值仿真項目1 000余項、2 000余人次，為解決近千余項復雜采礦工程理論與技術難題提供了重要支撐。

（四） 開辟了采礦工程創新性人才培養新路徑

多元數值仿真教研方法打通了課程學習與工程實踐的“堵點”，本科生能夠運用數值仿真方法認識采礦工程實際問題的內在原理，研究生能夠熟練掌握數值仿真方法開展高水平科學研究，為采礦工程創新性人才培養開辟了有效路徑。2014年以來，采礦工程本科生采用數值仿真方法取得的創新性成果獲得了“互聯網+”、“挑戰杯”和全國采礦工程高等院校模型大賽獎勵近100項。同時，多元數值仿真方法也成為研究生開展復雜采礦工程問題科學研究的重要手段，撰寫了相關博碩士學位論文近200余篇，獲省級優秀博士論文3篇、校級優秀博碩士論文20余篇，獲省部級以上科技獎勵10余項，培養了一批能從事科學研究和具備很強創新能力的礦業類人才。

四 結束語

西安科技大學采礦工程多元數值仿真教學探索與實踐歷時17年，組建了一支高水平的數值仿真教研團隊，提出了基于復雜采礦工程問題的多元數值技術，編著了采礦工程數值模擬課程教材、實驗指導書、典型案例和教學程序，建成了多元數值仿真課堂實訓平臺和多元數值仿真實驗室等實踐創新平臺，打通了課程學習、研究創新與工程實踐的“堵點”，本科生、研究生實踐創新能力大幅提升，取得了顯著的教學與科研成效，為學校特色學科發展提供了強力支撐。

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