黃詩(shī)冰 李俊 陳勇

【摘要】采礦工程是一門(mén)以力學(xué)為基礎(chǔ)的應(yīng)用型學(xué)科，利用數(shù)值模擬方法開(kāi)展采礦工程計(jì)算分析是一種常用的技術(shù)手段，為采礦工程專業(yè)學(xué)生進(jìn)行礦山設(shè)計(jì)和安全維護(hù)提供了重要的依據(jù)。考慮采礦工程專業(yè)特點(diǎn)，對(duì)數(shù)值計(jì)算課程的內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了探究。為新時(shí)代下采礦工程專業(yè)復(fù)合型人才培養(yǎng)提供參考。

【關(guān)鍵詞】采礦工程 數(shù)值計(jì)算 教學(xué)方法

【基金項(xiàng)目】教研項(xiàng)目：武漢科技大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（2016X064）。

【中圖分類號(hào)】G42 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）01-0216-01

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值計(jì)算已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程問(wèn)題的常用方法，在采礦工程中，運(yùn)用數(shù)值仿真技術(shù)再現(xiàn)礦山系統(tǒng)，并開(kāi)展礦山計(jì)算分析與支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為必要[1]。數(shù)值模擬仿真可有效克服傳統(tǒng)采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性，得到許多常規(guī)試驗(yàn)難以觀測(cè)到的重要信息[2-3]。數(shù)值計(jì)算方法和相應(yīng)的數(shù)值軟件種類眾多，許多高校的采礦工程學(xué)科已將數(shù)值計(jì)算課程作為其高年級(jí)本科生和研究生的必修課程[4-5]。

1.數(shù)值計(jì)算課程教學(xué)質(zhì)量的影響因素分析

在采礦工程專業(yè)中，數(shù)值計(jì)算課程的教學(xué)質(zhì)量受到眾多因素的影響，主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）基礎(chǔ)理論的復(fù)雜性。

數(shù)值計(jì)算理論相對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)課程而言，涉及知識(shí)面廣泛，不僅應(yīng)該具備高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、線性代數(shù)等基礎(chǔ)知識(shí)，還應(yīng)具備彈塑性力學(xué)、采礦學(xué)、巖石力學(xué)、矩陣論、數(shù)值分析等專業(yè)知識(shí)。因此，相對(duì)而言，數(shù)值計(jì)算理論顯得復(fù)雜而枯燥，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)、力學(xué)功底要求較高。

（2）學(xué)生期望的差異性。

數(shù)值計(jì)算課程一般在本科高年級(jí)和研究生階段開(kāi)設(shè)，此時(shí)很多學(xué)生已有了明確的科研方向，由于方向和興趣的差異，他們對(duì)數(shù)值計(jì)算方法的偏好也不同，對(duì)于從事生產(chǎn)的學(xué)生偏向于數(shù)值模擬軟件的學(xué)習(xí)，而對(duì)開(kāi)展研究的學(xué)生而言希望掌握更多的數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)理論。因此，如何根據(jù)學(xué)生的期望對(duì)課程內(nèi)容和側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行選擇是保證課程質(zhì)量的重要因素。

（3）教師自身知識(shí)的局限性。

數(shù)值計(jì)算課程是一門(mén)對(duì)任教教師的基礎(chǔ)理論和軟件操作要求很高的課程，但在采礦工程專業(yè)中專門(mén)從事數(shù)值計(jì)算方法研究的教師相對(duì)較少。由于數(shù)值計(jì)算理論的復(fù)雜性和多樣性，同時(shí)掌握多種數(shù)值方法對(duì)任教教師無(wú)論是知識(shí)深度還是廣度上都提出了較高要求。任教教師一般對(duì)自己研究領(lǐng)域的數(shù)值計(jì)算方法較為熟悉，因此，數(shù)值計(jì)算課程需要多名教師協(xié)作完成。

2.數(shù)值計(jì)算課程教學(xué)方法的探究

（1）相關(guān)基礎(chǔ)理論課程體系的構(gòu)建。

數(shù)值計(jì)算方法中涉及的專業(yè)基礎(chǔ)理論較多，由于課程體系的設(shè)置問(wèn)題，很多學(xué)校開(kāi)設(shè)的基礎(chǔ)理論課程學(xué)時(shí)較少，甚至沒(méi)有開(kāi)設(shè)，導(dǎo)致學(xué)生在該方面的專業(yè)知識(shí)缺乏，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算課程教學(xué)中不可避免的需要對(duì)相關(guān)的基礎(chǔ)課程進(jìn)行講解。對(duì)此，有兩種主要的解決方式：一是在整體課程體系構(gòu)建中考慮課程之間的聯(lián)系與搭接關(guān)系，適當(dāng)增加數(shù)值計(jì)算課程需要用到的基礎(chǔ)理論課程；二是增加數(shù)值計(jì)算課程的學(xué)時(shí)，在該課程計(jì)劃中納入相關(guān)的基礎(chǔ)理論。

（2）采礦工程專業(yè)數(shù)值計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建。

目前為止尚未見(jiàn)到專門(mén)針對(duì)采礦工程專業(yè)的數(shù)值計(jì)算教材，一般采用巖土中的數(shù)值分析方法和相應(yīng)的數(shù)值模擬軟件。然而，采礦工程專業(yè)開(kāi)采方法和工藝具有其自身的特殊性，需要結(jié)合不同的采礦方法介紹相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法和軟件，從采礦工程學(xué)生特點(diǎn)出發(fā)，急需編制采礦工程專業(yè)的數(shù)值計(jì)算教材。此外，在實(shí)際的課程講授中，軟件的講解和應(yīng)用也是重要的內(nèi)容，然而目前擁有采礦工程學(xué)科的高校中擁有數(shù)值試驗(yàn)平臺(tái)的并不多，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法在課程上動(dòng)手操作數(shù)值計(jì)算軟件，不利于學(xué)習(xí)效果。

（3）實(shí)用軟件與計(jì)算理論的相互結(jié)合。

目前，采礦工程專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)值計(jì)算方法過(guò)程中，往往利用成熟的數(shù)值軟件通過(guò)模仿類似案例進(jìn)行采礦工程的數(shù)值仿真，而缺乏數(shù)值計(jì)算理論的學(xué)習(xí)。如此培養(yǎng)的采礦工程學(xué)生，一般可熟練運(yùn)用軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的工程模擬分析，但難以進(jìn)行錯(cuò)誤檢查與處理，對(duì)計(jì)算結(jié)果無(wú)法評(píng)估，缺乏自主糾錯(cuò)和創(chuàng)新能力。因此，在課程計(jì)劃中，應(yīng)采用將基礎(chǔ)理論與軟件相結(jié)合的授課模式，在對(duì)基礎(chǔ)理論進(jìn)行適當(dāng)深部講解的基礎(chǔ)上，進(jìn)而對(duì)使用該計(jì)算方法的典型數(shù)值軟件從基本原理到使用技巧進(jìn)行闡述，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

（4）課程教師團(tuán)隊(duì)的組建與協(xié)作。

數(shù)值計(jì)算方法課程綜合了包括有限單元法、離散元法等許多數(shù)值計(jì)算理論與相關(guān)軟件。然而由于教師自身的研究方向和知識(shí)水平限制，顯然難以同時(shí)精通所有的數(shù)值計(jì)算方法。因此，數(shù)值計(jì)算課程是一門(mén)綜合性非常強(qiáng)的課程，需要熟悉不同數(shù)值計(jì)算方法的教師組建教學(xué)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行緊密協(xié)作。由于該課程授課教師較多，在課程管理中應(yīng)落實(shí)好責(zé)任與教學(xué)任務(wù)，尤其應(yīng)做好課程的交接工作。

3.結(jié)語(yǔ)

采礦工程肩負(fù)著國(guó)家能源戰(zhàn)略的重大責(zé)任。當(dāng)前，隨著采礦深度的不斷增加，礦山災(zāi)害不斷顯現(xiàn)，數(shù)值計(jì)算為認(rèn)識(shí)和解決礦山地質(zhì)災(zāi)害，優(yōu)化采礦方法提供了有力的理論與技術(shù)支撐，也是新時(shí)代下復(fù)合型采礦人才應(yīng)具備的基本能力。結(jié)合采礦工程特點(diǎn)，從課程內(nèi)容選取、學(xué)生需求以及教師自身出發(fā)對(duì)數(shù)值計(jì)算課程的影響因素及教學(xué)方法進(jìn)行了全面探究，采礦工程數(shù)值計(jì)算課程應(yīng)從構(gòu)建基礎(chǔ)理論體系、搭建數(shù)值計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、合理安排課程內(nèi)容以及組建緊密協(xié)作的教師團(tuán)隊(duì)四個(gè)方面入手提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

黃詩(shī)冰（1989-），男，漢族，湖北人，博士，講師，主要從事采礦工程數(shù)值計(jì)算方法研究。