工程教育專業認證背景下礦山壓力及巖層控制實驗教學研究

摘"要：在工程教育專業認證背景下，針對礦山壓力及巖層控制實驗課程教學過程中的有關問題及持續改進，打造用于本科生教學的礦山壓力及巖層控制特色實驗裝備，安排四個實驗項目，采用預習口試、實驗操作及實驗報告的考核方式，按比例綜合確定最終實驗課程成績并分析課程目標達成情況。在教學設計上，采用預習口試、講解和操作等方式開展教學，結合探究式、啟發式和案例式教學方法，學生實際動手操作、記錄、拍照和分析作圖。一系列措施的實施，充分體現以學生為中心的理念，突出學生的主體地位和教師的引導作用，切實提高學生的動手能力、理論聯系實際的能力、數據分析與處理能力、團隊協作能力和獨立思考能力，更有助于課程目標的達成和學生創新能力的提升，研究成果不但滿足本校采礦專業學生的實驗教學需求，還對國內相關專業的實驗教學起到一定的示范作用。

關鍵詞：工程認證；礦山壓力；巖層控制；實驗教學；課程目標

中圖分類號：G640"""文獻標志碼：A"""""文章編號：2096-000X（2025）01-0112-04

Abstract：Underthebackgroundofengineeringcertification，aimingattherelatedproblemsandcontinuousimprovementintheteachingprocessoftheExperimentalCourseofMinePressureandStrataControl，thespecialexperimentalequipmentofminepressureandstratacontrolforundergraduateteachinghasbeenbuilt，fourexperimentalitemsarearranged.Andthefinalexperimentalcourseresultsaredeterminedandanalyzedaccordingtotheproportionbymeansofpreviewingoraltest，experimentaloperationandexperimentalreport.Intheteachingdesign，themethodsofpre-readingoralexamination，explanationandoperationareadopted，andthemethodsofinquiry，heuristicandcaseteachingarecombined.Theimplementationofaseriesofmeasuresfullyembodiesthestudent-centeredidea，andhighlightstheprincipalpositionofstudentsandtheguidingroleofteachers，ithasimprovedstudents'practicalability，theabilityofcombiningtheorywithpractice，theabilityofdataanalysisandprocessing，theabilityofteamcooperationandtheabilityofindependentthinking，theresearchresultsnotonlymeettheneedsofminingstudents'experimentalteaching，butalsoplayanexemplaryroleintheexperimentalteachingofrelatedspecialtiesinChina.

Keywords：engineeringcertification;minepressure;stratacontrol;experimentalteaching;courseobjective

高等院校的實踐環節主要包括課內實驗、獨立設課實驗、實習、課程設計和畢業設計等，實踐教學對于學生的理論聯系實際、達成畢業要求、實現人才培養目標和有效提高人才培養質量具有重要意義，其在專業人才培養計劃中的占比越來越高，越來越受到高等院校的重視。專業國家標準和工程教育認證標準中對實踐教學均有明確的要求。山東理工大學采礦工程專業已通過工程教育專業認證，將學生中心、成果導向和持續改進融入人才培養的全過程。在采礦工程專業培養計劃中，實踐環節占比30%以上，其中礦山壓力及巖層控制實驗是獨立設課實驗，時間為1周，1個學分，該課程是根據四年制本科采礦工程專業人才培養計劃設置的，屬于實踐必修課。礦山壓力及巖層控制實驗在學生修完地質學與礦山地質、巖石力學、井巷工程和采礦學等課程后開設，其是采礦工程專業實踐教學體系中不可或缺的重要環節，是培養學生動手能力、創新能力、理論聯系實際等能力的重要手段，其不僅起到鞏固、深化學生所學理論知識的作用，更重要的是培養學生獨立思考、工作的能力和創新能力。巖石力學是采礦工程專業重要基礎課，而井巷工程是重要專業課程，礦山壓力及巖層控制實驗是加深上述課程理論認識、提升學生創新實踐能力的重要舉措。

很多學者針對礦壓及巖層控制實驗教學開展了研究[1-15]，包括井巷礦壓實驗室建設、巖石力學數字實驗教學平臺建設、虛擬仿真實驗建設、BIM技術運用、相似模擬實驗裝備使用和教學改革實施等，雖然取得了很大進展，但目前實驗教學仍存在一些問題，有待進一步深入持續改進。結合工程教育專業認證理念，開展面向認證的礦山壓力及巖層控制實驗教學研究，深度實施學生中心、成果導向和持續改進，打造特色實驗，提高學生創新實踐能力。

一"礦山壓力及巖層控制特色實驗教學裝備

礦山壓力及巖層控制實驗課程支撐采礦工程專業畢業要求4（研究工程問題），為了更好地實現課程支撐，并與巖石力學、井巷工程等課程緊密結合實現理論聯系實際，提升學生動手能力，打造特色實驗，研發了用于本科生開展的特色實驗裝備。

（一）"應力松弛實驗裝備

在課程教學、學生室內實驗和教師科研中，必涉及巖石力學問題，也必須對巖石本身及巖石受載破裂演化機理進行學習、研究及進行室內實驗測試與分析。蠕變和應力松弛是巖石流變的兩個重要方面，在工程中，巖石的蠕變和應力松弛特性直接與巖石的長期強度和巖體工程的長期穩定相關聯，實驗室缺乏可開展巖石應力松弛的實驗裝備。針對巖石應力松弛實驗的有關要求，設計采用典型的四柱式機構形式，其結構特點與普通四柱液壓機基本相同，四柱式機構形式的作用在于提供一個符合精度要求、剛度可靠的剛性工作框架，確保設備的精度能夠達到使用要求，如圖1所示。為了減少加載過程載荷漂移和波動，該機動力系統通過手動油泵控制，具有速度穩定，保壓穩定并自動回程等功能，加載噸位可達到50噸，可顯示加載過程的實時位移和載荷以及記錄位移不變情況下的每秒載荷變化情況，可保持位移載荷不變。

具體實驗裝備操作步驟包括：①將試件放入主機工作臺上（樣塊應放在工作臺正中）；②接通實驗系統電源；③將油泵卸載閥擰緊關死，開啟數據顯示系統，進入參數顯示界面；④通過油泵壓桿加壓，使加載油缸與試件剛好接觸；⑤在數據顯示系統的參數顯示界面，點擊“清零”，將當前數值清零；⑥通過油泵壓桿加壓，將壓力加壓至需要的數值（壓力顯示在顯示屏上方），停止加壓，加載位移保持不變；⑦加壓至需要的數值的同時開始記錄，觸摸屏實時顯示數值，記錄壓力隨時間變化的數據；⑧記錄時間達到規定后，停止記錄；⑨實驗完成后，將卸載閥打開，通過油泵壓桿加壓將油缸回程，當油缸回到起始位置，此時移下試件，斷電，實驗完成。

應力松弛是指巖石在恒定形變下應力隨時間衰減的現象，在地下洞室、巷道、邊坡等巖體工程中普遍存在。學生了解巖石應力松弛實驗的意義，掌握巖石應力松弛實驗系統的操作方法，得到巖石在恒定形變下應力隨時間衰減的現象和數據，分析數據并作圖，有助于學生加深其對巖石力學理論知識的學習，更有助于學生創新實踐能力的提升。

（二）"巖體錨固控制系統實驗裝備

錨桿支護現已發展成為世界各國礦井巷道及其他地下工程支護的一種主要形式。錨桿是一種錨固在巖體內部的桿狀支架，正確地設計和應用錨桿支護，必須對錨桿支護機理有正確的認識，實驗室尚缺乏針對本科教學開展的錨固控制方面的實驗裝備。針對巖體錨固控制實驗的有關要求，設計巖體錨固控制系統，依據錨桿支護的懸吊原理開展設計，基本原理是利用錨桿將巷道或采場頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩定巖層上，增強軟弱巖層的穩定性。系統整體采用框架結構，材質均為鋼材，設可打開的有機玻璃門，框架內部布置破碎巖體、錨桿及網，破碎巖體在實驗時放入框架內，放入厚度的變化代表錨桿有效長度的變化，墊板下面安裝壓力傳感器，監測懸吊破碎巖體重量的變化。根據實驗要求，設計不同的錨桿直徑、墊板尺寸和螺母等，錨桿懸吊在框架頂部（相當于錨桿錨固部分），框架結構下面設滑輪，便于移動，如圖2所示。

具體實驗裝備操作步驟包括：①打開巖體錨固控制系統，將錨桿錨固在巷道或采場頂板上的穩定巖層中；②安裝鋼絲網和托盤，將測力傳感器安裝在錨桿上，上螺母；③將顯示儀表與測力傳感器連接，開啟顯示儀表；④用挫子將石子（模擬破碎巖體）放入巖體錨固控制系統（模擬軟弱圍巖）；⑤錨桿懸吊住軟弱圍巖，破碎巖體不再掉落；⑥記錄懸吊重量和錨桿的有效長度；⑦繼續將石子放入巖體錨固控制系統，記錄懸吊重量的變化過程及錨桿的有效長度；⑧實驗完成后，取出石子和錨桿，關閉巖體錨固控制系統。

通過該系統裝備，讓學生了解巖體錨固控制實驗的意義，掌握懸吊作用原理及巖體錨固控制的操作方法，通過錨桿錨固將巷道或采場頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩定巖層上，測得其懸吊巖體的重量、錨桿的有效長度及變化，有助于學生創新實踐能力的提升。

二"礦山壓力及巖層控制實驗教學

根據工程教育專業認證理念及課程支撐畢業要求情況，礦山壓力及巖層控制實驗課程安排有四個實驗項目，分別為礦壓模擬實驗、聲波穿透巖石實驗、巖石應力松弛實驗和巖體錨固控制實驗，實現三個課程目標：①了解礦山壓力及巖層控制領域的有關實驗設備，熟悉礦壓模擬實驗的原理和實驗程序，掌握巖石聲波測試的意義、原理、方法及工程應用，掌握巖石應力松弛實驗的意義、原理和方法，掌握巖體錨固控制實驗的意義、原理和方法等，能夠基于專業理論和知識，根據對象特征，設計可行的實驗方案；②能夠根據實驗方案構建實驗系統，能選用合理的實驗器材，采用科學的實驗方法，安全地開展礦壓模擬實驗、聲波穿透巖石實驗、巖石應力松弛實驗和巖體錨固控制實驗，能夠在實驗過程中正確地采集數據；③能夠正確地整理礦壓模擬實驗、聲波穿透巖石實驗、巖石應力松弛實驗和巖體錨固控制實驗測試數據，能夠進行數據處理與分析，并能對實驗結果進行分析和解釋，獲取合理有效的結論。課程目標與畢業要求4的指標點一一對應。

實驗項目中礦壓模擬實驗的預期學習成果包括了解相似理論、掌握礦山地壓模擬實驗臺的使用和相似材料模擬實驗等，聲波穿透巖石實驗的預期學習成果包括知曉、掌握聲波測試的工程應用、非金屬聲波檢測儀的使用、縱波波速的測定及能計算橫波波速、動泊松比和動彈性模量等，巖石應力松弛實驗的預期學習成果包括知曉、掌握應力松弛對巖石工程長期穩定性和安全的影響、巖石應力松弛實驗系統的使用、巖石應力松弛特性的測定及能做出應力松弛曲線等，巖體錨固控制實驗的預期學習成果包括知曉、掌握懸吊原理，錨桿、墊板、網的作用巖體錨固控制系統的使用，能依據懸吊原理通過錨桿錨固破碎巖體及能測定懸吊巖體的重量和錨桿有效長度等。

實驗課程的考核方式包括預習口試（對應課程目標1）、實驗操作（對應課程目標2）及實驗報告（對應課程目標1、2、3），確定各考核方式的評分標準（表1、表2、表3），根據學生的預習口試、實驗操作及實驗報告情況進行考核評價，按比例綜合確定最終實驗課程成績并分析課程目標達成情況。

為了達成課程目標和預期學習成果，在教學設計上，教師采用預習口試、講解和操作等方式開展教學，結合探究式、啟發式和案例式教學方法，學生實際動手操作、記錄、拍照和分析作圖。每次實驗前學生必須做好預習，預習內容包括仔細閱讀實驗指導書、有關教材和參考書，經過預習應知曉實驗所需的基礎知識，了解實驗的原理、意義、所需儀器設備等，做好口試準備。學生需嚴格按教師及實驗指導書上所講的操作步驟進行實驗，重視儀器設備的使用，做好實驗記錄、拍照，每臺設備應按操作規程進行，以免損壞設備或造成事故。實驗結束后，學生應在規定時間內提交實驗報告，實驗報告必須獨立完成。要求實驗報告內容完整、書寫工整、計算正確和制圖規范標準等。整個實驗課程充分體現了以學生為中心的理念，突出了學生的主體地位和教師的引導作用，切實提高了學生的動手能力、理論聯系實際的能力、數據分析與處理能力、團隊協作能力和獨立思考能力，學生實驗過程情況如圖3、圖4所示。

三"結束語

基于目前實驗教學中存在的問題，根據工程教育專業認證理念及課程支撐畢業要求情況，開展了礦山壓力及巖層控制實驗課程教學研究。研制了課程實驗裝備，開發了實驗項目，改進了考核方式及評價，優化了實驗課程教學方法，在教學設計上突出了以學生為中心，強化了學生動手能力和語言表達能力，有效助力了課程目標的達成，極大程度提升了學生創新實踐能力。

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基金項目：山東省本科教學改革研究項目“工程教育認證背景下采礦工程專業‘五融’實踐教學模式研究”（M2021114）；山東理工大學研究生教育教學改革研究項目“面向礦業工程研究生的思政、美育與創新教育多元融合研究”（202309）；山東理工大學本科實踐教學研究與建設項目“工程教育專業認證背景下的多元化采礦實踐教學平臺建設”（JX20200209）

作者簡介：張曉君（1975－），男，漢族，遼寧北票人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為巖土工程與采礦工程方面的教學。