采礦工程專業(yè)數值計算課程的教學方法探索

黃詩冰 李俊 陳勇

【摘要】采礦工程是一門以力學為基礎的應用型學科，利用數值模擬方法開展采礦工程計算分析是一種常用的技術手段，為采礦工程專業(yè)學生進行礦山設計和安全維護提供了重要的依據?？紤]采礦工程專業(yè)特點，對數值計算課程的內容和教學方法進行了探究。為新時代下采礦工程專業(yè)復合型人才培養(yǎng)提供參考。

【關鍵詞】采礦工程 數值計算 教學方法

【基金項目】教研項目：武漢科技大學教學研究項目（2016X064）。

【中圖分類號】G42 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）01-0216-01

隨著計算機技術的快速發(fā)展，數值計算已經成為解決復雜工程問題的常用方法，在采礦工程中，運用數值仿真技術再現礦山系統(tǒng)，并開展礦山計算分析與支護方案優(yōu)化設計顯得尤為必要[1]。數值模擬仿真可有效克服傳統(tǒng)采礦工程實驗教學的局限性，得到許多常規(guī)試驗難以觀測到的重要信息[2-3]。數值計算方法和相應的數值軟件種類眾多，許多高校的采礦工程學科已將數值計算課程作為其高年級本科生和研究生的必修課程[4-5]。

1.數值計算課程教學質量的影響因素分析

在采礦工程專業(yè)中，數值計算課程的教學質量受到眾多因素的影響，主要包括以下幾點：

（1）基礎理論的復雜性。

數值計算理論相對專業(yè)基礎課程而言，涉及知識面廣泛，不僅應該具備高等數學、理論力學、線性代數等基礎知識，還應具備彈塑性力學、采礦學、巖石力學、矩陣論、數值分析等專業(yè)知識。因此，相對而言，數值計算理論顯得復雜而枯燥，對學生的數學、力學功底要求較高。

（2）學生期望的差異性。

數值計算課程一般在本科高年級和研究生階段開設，此時很多學生已有了明確的科研方向，由于方向和興趣的差異，他們對數值計算方法的偏好也不同，對于從事生產的學生偏向于數值模擬軟件的學習，而對開展研究的學生而言希望掌握更多的數值計算基礎理論。因此，如何根據學生的期望對課程內容和側重點進行選擇是保證課程質量的重要因素。

（3）教師自身知識的局限性。

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

2.數值計算課程教學方法的探究

（1）相關基礎理論課程體系的構建。

數值計算方法中涉及的專業(yè)基礎理論較多，由于課程體系的設置問題，很多學校開設的基礎理論課程學時較少，甚至沒有開設，導致學生在該方面的專業(yè)知識缺乏，在進行數值計算課程教學中不可避免的需要對相關的基礎課程進行講解。對此，有兩種主要的解決方式：一是在整體課程體系構建中考慮課程之間的聯系與搭接關系，適當增加數值計算課程需要用到的基礎理論課程；二是增加數值計算課程的學時，在該課程計劃中納入相關的基礎理論。

（2）采礦工程專業(yè)數值計算實驗平臺的構建。

目前為止尚未見到專門針對采礦工程專業(yè)的數值計算教材，一般采用巖土中的數值分析方法和相應的數值模擬軟件。然而，采礦工程專業(yè)開采方法和工藝具有其自身的特殊性，需要結合不同的采礦方法介紹相應的數值計算方法和軟件，從采礦工程學生特點出發(fā)，急需編制采礦工程專業(yè)的數值計算教材。此外，在實際的課程講授中，軟件的講解和應用也是重要的內容，然而目前擁有采礦工程學科的高校中擁有數值試驗平臺的并不多，導致學生無法在課程上動手操作數值計算軟件，不利于學習效果。

（3）實用軟件與計算理論的相互結合。

目前，采礦工程專業(yè)學生在學習數值計算方法過程中，往往利用成熟的數值軟件通過模仿類似案例進行采礦工程的數值仿真，而缺乏數值計算理論的學習。如此培養(yǎng)的采礦工程學生，一般可熟練運用軟件進行簡單的工程模擬分析，但難以進行錯誤檢查與處理，對計算結果無法評估，缺乏自主糾錯和創(chuàng)新能力。因此，在課程計劃中，應采用將基礎理論與軟件相結合的授課模式，在對基礎理論進行適當深部講解的基礎上，進而對使用該計算方法的典型數值軟件從基本原理到使用技巧進行闡述，增強學習效果。

（4）課程教師團隊的組建與協作。

數值計算方法課程綜合了包括有限單元法、離散元法等許多數值計算理論與相關軟件。然而由于教師自身的研究方向和知識水平限制，顯然難以同時精通所有的數值計算方法。因此，數值計算課程是一門綜合性非常強的課程，需要熟悉不同數值計算方法的教師組建教學團隊，進行緊密協作。由于該課程授課教師較多，在課程管理中應落實好責任與教學任務，尤其應做好課程的交接工作。

3.結語

采礦工程肩負著國家能源戰(zhàn)略的重大責任。當前，隨著采礦深度的不斷增加，礦山災害不斷顯現，數值計算為認識和解決礦山地質災害，優(yōu)化采礦方法提供了有力的理論與技術支撐，也是新時代下復合型采礦人才應具備的基本能力。結合采礦工程特點，從課程內容選取、學生需求以及教師自身出發(fā)對數值計算課程的影響因素及教學方法進行了全面探究，采礦工程數值計算課程應從構建基礎理論體系、搭建數值計算實驗平臺、合理安排課程內容以及組建緊密協作的教師團隊四個方面入手提高該課程的教學質量。

參考文獻：

[1]徐劍坤，習丹陽，馬文頂，等.采礦工程專業(yè)虛擬仿真教學資源庫建設[J].教育現代化，2017，13：67-68.

[2]解盤石，伍永平.多元數值仿真技術在采礦工程實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2013，30（3）89-91.

[3]趙延林，萬文，唐勁舟.面向采礦工程專業(yè)的巖石力學試驗教學改革[J].當代教育理論與實踐，2016，8（3）：61-63.

[4]王志根.采礦工程數值模擬的發(fā)展與現狀[J].科技信息， 2010，（14）：786-786.

[5]盛建龍，葉義成，劉曉云，陳勇，劉艷章.新形勢下采礦工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革研究[J].中國礦業(yè)，2016，（07）：157-160+165.

作者簡介：

黃詩冰（1989-），男，漢族，湖北人，博士，講師，主要從事采礦工程數值計算方法研究。