工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下礦山壓力及巖層控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

摘"要：在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，針對礦山壓力及巖層控制實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過程中的有關(guān)問題及持續(xù)改進(jìn)，打造用于本科生教學(xué)的礦山壓力及巖層控制特色實(shí)驗(yàn)裝備，安排四個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用預(yù)習(xí)口試、實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的考核方式，按比例綜合確定最終實(shí)驗(yàn)課程成績并分析課程目標(biāo)達(dá)成情況。在教學(xué)設(shè)計(jì)上，采用預(yù)習(xí)口試、講解和操作等方式開展教學(xué)，結(jié)合探究式、啟發(fā)式和案例式教學(xué)方法，學(xué)生實(shí)際動手操作、記錄、拍照和分析作圖。一系列措施的實(shí)施，充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心的理念，突出學(xué)生的主體地位和教師的引導(dǎo)作用，切實(shí)提高學(xué)生的動手能力、理論聯(lián)系實(shí)際的能力、數(shù)據(jù)分析與處理能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和獨(dú)立思考能力，更有助于課程目標(biāo)的達(dá)成和學(xué)生創(chuàng)新能力的提升，研究成果不但滿足本校采礦專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，還對國內(nèi)相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到一定的示范作用。

關(guān)鍵詞：工程認(rèn)證；礦山壓力；巖層控制；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；課程目標(biāo)

中圖分類號：G640"""文獻(xiàn)標(biāo)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(shí)踐環(huán)節(jié)主要包括課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、獨(dú)立設(shè)課實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等，實(shí)踐教學(xué)對于學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際、達(dá)成畢業(yè)要求、實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)和有效提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義，其在專業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃中的占比越來越高，越來越受到高等院校的重視。專業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)和工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中對實(shí)踐教學(xué)均有明確的要求。山東理工大學(xué)采礦工程專業(yè)已通過工程教育專業(yè)認(rèn)證，將學(xué)生中心、成果導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)融入人才培養(yǎng)的全過程。在采礦工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中，實(shí)踐環(huán)節(jié)占比30%以上，其中礦山壓力及巖層控制實(shí)驗(yàn)是獨(dú)立設(shè)課實(shí)驗(yàn)，時(shí)間為1周，1個(gè)學(xué)分，該課程是根據(jù)四年制本科采礦工程專業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃設(shè)置的，屬于實(shí)踐必修課。礦山壓力及巖層控制實(shí)驗(yàn)在學(xué)生修完地質(zhì)學(xué)與礦山地質(zhì)、巖石力學(xué)、井巷工程和采礦學(xué)等課程后開設(shè)，其是采礦工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力、理論聯(lián)系實(shí)際等能力的重要手段，其不僅起到鞏固、深化學(xué)生所學(xué)理論知識的作用，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、工作的能力和創(chuàng)新能力。巖石力學(xué)是采礦工程專業(yè)重要基礎(chǔ)課，而井巷工程是重要專業(yè)課程，礦山壓力及巖層控制實(shí)驗(yàn)是加深上述課程理論認(rèn)識、提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的重要舉措。

很多學(xué)者針對礦壓及巖層控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展了研究[1-15]，包括井巷礦壓實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、巖石力學(xué)數(shù)字實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)、BIM技術(shù)運(yùn)用、相似模擬實(shí)驗(yàn)裝備使用和教學(xué)改革實(shí)施等，雖然取得了很大進(jìn)展，但目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在一些問題，有待進(jìn)一步深入持續(xù)改進(jìn)。結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證理念，開展面向認(rèn)證的礦山壓力及巖層控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，深度實(shí)施學(xué)生中心、成果導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)，打造特色實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

一"礦山壓力及巖層控制特色實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝備

礦山壓力及巖層控制實(shí)驗(yàn)課程支撐采礦工程專業(yè)畢業(yè)要求4（研究工程問題），為了更好地實(shí)現(xiàn)課程支撐，并與巖石力學(xué)、井巷工程等課程緊密結(jié)合實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際，提升學(xué)生動手能力，打造特色實(shí)驗(yàn)，研發(fā)了用于本科生開展的特色實(shí)驗(yàn)裝備。

（一）"應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)裝備

在課程教學(xué)、學(xué)生室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和教師科研中，必涉及巖石力學(xué)問題，也必須對巖石本身及巖石受載破裂演化機(jī)理進(jìn)行學(xué)習(xí)、研究及進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測試與分析。蠕變和應(yīng)力松弛是巖石流變的兩個(gè)重要方面，在工程中，巖石的蠕變和應(yīng)力松弛特性直接與巖石的長期強(qiáng)度和巖體工程的長期穩(wěn)定相關(guān)聯(lián)，實(shí)驗(yàn)室缺乏可開展巖石應(yīng)力松弛的實(shí)驗(yàn)裝備。針對巖石應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)的有關(guān)要求，設(shè)計(jì)采用典型的四柱式機(jī)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與普通四柱液壓機(jī)基本相同，四柱式機(jī)構(gòu)形式的作用在于提供一個(gè)符合精度要求、剛度可靠的剛性工作框架，確保設(shè)備的精度能夠達(dá)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(jī)動力系統(tǒng)通過手動油泵控制，具有速度穩(wěn)定，保壓穩(wěn)定并自動回程等功能，加載噸位可達(dá)到50噸，可顯示加載過程的實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)裝備操作步驟包括：①將試件放入主機(jī)工作臺上（樣塊應(yīng)放在工作臺正中）；②接通實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電源；③將油泵卸載閥擰緊關(guān)死，開啟數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)，進(jìn)入?yún)?shù)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(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的參數(shù)顯示界面，點(diǎn)擊“清零”，將當(dāng)前數(shù)值清零；⑥通過油泵壓桿加壓，將壓力加壓至需要的數(shù)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(shù)值的同時(shí)開始記錄，觸摸屏實(shí)時(shí)顯示數(shù)值，記錄壓力隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)；⑧記錄時(shí)間達(dá)到規(guī)定后，停止記錄；⑨實(shí)驗(yàn)完成后，將卸載閥打開，通過油泵壓桿加壓將油缸回程，當(dāng)油缸回到起始位置，此時(shí)移下試件，斷電，實(shí)驗(yàn)完成。

應(yīng)力松弛是指巖石在恒定形變下應(yīng)力隨時(shí)間衰減的現(xiàn)象，在地下洞室、巷道、邊坡等巖體工程中普遍存在。學(xué)生了解巖石應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)的意義，掌握巖石應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作方法，得到巖石在恒定形變下應(yīng)力隨時(shí)間衰減的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)并作圖，有助于學(xué)生加深其對巖石力學(xué)理論知識的學(xué)習(xí)，更有助于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的提升。

（二）"巖體錨固控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝備

錨桿支護(hù)現(xiàn)已發(fā)展成為世界各國礦井巷道及其他地下工程支護(hù)的一種主要形式。錨桿是一種錨固在巖體內(nèi)部的桿狀支架，正確地設(shè)計(jì)和應(yīng)用錨桿支護(hù)，必須對錨桿支護(hù)機(jī)理有正確的認(rèn)識，實(shí)驗(yàn)室尚缺乏針對本科教學(xué)開展的錨固控制方面的實(shí)驗(yàn)裝備。針對巖體錨固控制實(shí)驗(yàn)的有關(guān)要求，設(shè)計(jì)巖體錨固控制系統(tǒng)，依據(jù)錨桿支護(hù)的懸吊原理開展設(shè)計(jì)，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(wěn)定巖層上，增強(qiáng)軟弱巖層的穩(wěn)定性。系統(tǒng)整體采用框架結(jié)構(gòu)，材質(zhì)均為鋼材，設(shè)可打開的有機(jī)玻璃門，框架內(nèi)部布置破碎巖體、錨桿及網(wǎng)，破碎巖體在實(shí)驗(yàn)時(shí)放入框架內(nèi)，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(jiān)測懸吊破碎巖體重量的變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)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(dāng)于錨桿錨固部分），框架結(jié)構(gòu)下面設(shè)滑輪，便于移動，如圖2所示。

具體實(shí)驗(yàn)裝備操作步驟包括：①打開巖體錨固控制系統(tǒng)，將錨桿錨固在巷道或采場頂板上的穩(wěn)定巖層中；②安裝鋼絲網(wǎng)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(tǒng)（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(xù)將石子放入巖體錨固控制系統(tǒng)，記錄懸吊重量的變化過程及錨桿的有效長度；⑧實(shí)驗(yàn)完成后，取出石子和錨桿，關(guān)閉巖體錨固控制系統(tǒng)。

通過該系統(tǒng)裝備，讓學(xué)生了解巖體錨固控制實(shí)驗(yàn)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(wěn)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(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的提升。

二"礦山壓力及巖層控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)

根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證理念及課程支撐畢業(yè)要求情況，礦山壓力及巖層控制實(shí)驗(yàn)課程安排有四個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，分別為礦壓模擬實(shí)驗(yàn)、聲波穿透巖石實(shí)驗(yàn)、巖石應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)和巖體錨固控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)三個(gè)課程目標(biāo)：①了解礦山壓力及巖層控制領(lǐng)域的有關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，熟悉礦壓模擬實(shí)驗(yàn)的原理和實(shí)驗(yàn)程序，掌握巖石聲波測試的意義、原理、方法及工程應(yīng)用，掌握巖石應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)的意義、原理和方法，掌握巖體錨固控制實(shí)驗(yàn)的意義、原理和方法等，能夠基于專業(yè)理論和知識，根據(jù)對象特征，設(shè)計(jì)可行的實(shí)驗(yàn)方案；②能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能選用合理的實(shí)驗(yàn)器材，采用科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，安全地開展礦壓模擬實(shí)驗(yàn)、聲波穿透巖石實(shí)驗(yàn)、巖石應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)和巖體錨固控制實(shí)驗(yàn)，能夠在實(shí)驗(yàn)過程中正確地采集數(shù)據(jù)；③能夠正確地整理礦壓模擬實(shí)驗(yàn)、聲波穿透巖石實(shí)驗(yàn)、巖石應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)和巖體錨固控制實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，并能對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋，獲取合理有效的結(jié)論。課程目標(biāo)與畢業(yè)要求4的指標(biāo)點(diǎn)一一對應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中礦壓模擬實(shí)驗(yàn)的預(yù)期學(xué)習(xí)成果包括了解相似理論、掌握礦山地壓模擬實(shí)驗(yàn)臺的使用和相似材料模擬實(shí)驗(yàn)等，聲波穿透巖石實(shí)驗(yàn)的預(yù)期學(xué)習(xí)成果包括知曉、掌握聲波測試的工程應(yīng)用、非金屬聲波檢測儀的使用、縱波波速的測定及能計(jì)算橫波波速、動泊松比和動彈性模量等，巖石應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)的預(yù)期學(xué)習(xí)成果包括知曉、掌握應(yīng)力松弛對巖石工程長期穩(wěn)定性和安全的影響、巖石應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用、巖石應(yīng)力松弛特性的測定及能做出應(yīng)力松弛曲線等，巖體錨固控制實(shí)驗(yàn)的預(yù)期學(xué)習(xí)成果包括知曉、掌握懸吊原理，錨桿、墊板、網(wǎng)的作用巖體錨固控制系統(tǒng)的使用，能依據(jù)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(shí)驗(yàn)課程的考核方式包括預(yù)習(xí)口試（對應(yīng)課程目標(biāo)1）、實(shí)驗(yàn)操作（對應(yīng)課程目標(biāo)2）及實(shí)驗(yàn)報(bào)告（對應(yīng)課程目標(biāo)1、2、3），確定各考核方式的評分標(biāo)準(zhǔn)（表1、表2、表3），根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)口試、實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況進(jìn)行考核評價(jià)，按比例綜合確定最終實(shí)驗(yàn)課程成績并分析課程目標(biāo)達(dá)成情況。

為了達(dá)成課程目標(biāo)和預(yù)期學(xué)習(xí)成果，在教學(xué)設(shè)計(jì)上，教師采用預(yù)習(xí)口試、講解和操作等方式開展教學(xué)，結(jié)合探究式、啟發(fā)式和案例式教學(xué)方法，學(xué)生實(shí)際動手操作、記錄、拍照和分析作圖。每次實(shí)驗(yàn)前學(xué)生必須做好預(yù)習(xí)，預(yù)習(xí)內(nèi)容包括仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、有關(guān)教材和參考書，經(jīng)過預(yù)習(xí)應(yīng)知曉實(shí)驗(yàn)所需的基礎(chǔ)知識，了解實(shí)驗(yàn)的原理、意義、所需儀器設(shè)備等，做好口試準(zhǔn)備。學(xué)生需嚴(yán)格按教師及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上所講的操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，重視儀器設(shè)備的使用，做好實(shí)驗(yàn)記錄、拍照，每臺設(shè)備應(yīng)按操作規(guī)程進(jìn)行，以免損壞設(shè)備或造成事故。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告必須獨(dú)立完成。要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容完整、書寫工整、計(jì)算正確和制圖規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等。整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的理念，突出了學(xué)生的主體地位和教師的引導(dǎo)作用，切實(shí)提高了學(xué)生的動手能力、理論聯(lián)系實(shí)際的能力、數(shù)據(jù)分析與處理能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和獨(dú)立思考能力，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程情況如圖3、圖4所示。

三"結(jié)束語

基于目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證理念及課程支撐畢業(yè)要求情況，開展了礦山壓力及巖層控制實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)研究。研制了課程實(shí)驗(yàn)裝備，開發(fā)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，改進(jìn)了考核方式及評價(jià)，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法，在教學(xué)設(shè)計(jì)上突出了以學(xué)生為中心，強(qiáng)化了學(xué)生動手能力和語言表達(dá)能力，有效助力了課程目標(biāo)的達(dá)成，極大程度提升了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

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基金項(xiàng)目：山東省本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目“工程教育認(rèn)證背景下采礦工程專業(yè)‘五融’實(shí)踐教學(xué)模式研究”（M2021114）；山東理工大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“面向礦業(yè)工程研究生的思政、美育與創(chuàng)新教育多元融合研究”（202309）；山東理工大學(xué)本科實(shí)踐教學(xué)研究與建設(shè)項(xiàng)目“工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的多元化采礦實(shí)踐教學(xué)平臺建設(shè)”（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(dǎo)師。研究方向?yàn)閹r土工程與采礦工程方面的教學(xué)。