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采矿工程“讲—演—做”多元数值模拟教学与实践

来源:教育教学论坛     2019-6-10 18:30:05      点击:

摘要:为了克服传统采矿工程数值模拟教学的局限性,实践并总结了多元数值教学方法,结合数值模拟教学基本内容,采用“讲-演-做”多元手段相结合的模式,使学生对课堂重点、难点更易掌握和理解,并与上机相互结合、穿插,激发了学生学习的兴趣,提高了教学质量。

关键词:多元数值模拟;教学方法;采矿工程

中图分类号:G642.41 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2018)37-0149-02

采矿工程是一个综合性和实践性很强的学科。众所周知,先进的教学方法是提高教学质量的重要手段,计算机数值模拟教学,不仅具有通用性强、方便灵活、可重复性等特点,而且可以通过数值试验得到许多在常规实验室试验中难以观测的重要信息,可培养学生基于采矿知识并采用科学方法对复杂矿山工程问题进行模拟预测和分析的能力。探索采用“多媒体讲授+数值模拟演示+学生实际操作”相结合的多元数值模拟教学方法,不仅可以培养学生利用数值模拟手段解决采矿工程问题的能力,也能丰富和拓展学生的知识面,增强学生参与教学活动的主动性、创造性,大幅度提高教学质量。

一、采矿工程数值模拟教学的基本内容

数值模拟作为采矿工程一门必修课程,设置于《煤矿开采学》、《岩石力学》、《和矿山压力与岩层控制》、《井巷工程》等主干专业课学习之后,旨在培养学生利用计算机手段解决采矿工程问题的能力,主要课程内容包括:岩石力学基本实验与测试,巷道、采场、边坡等稳定性分析等方面的數值模拟教学内容。

二、多元数值模拟教学在采矿工程教学中的应用

目前,国内采矿工程专业数值模拟课程教学中较少系统采用“讲—演—做”的多元数值模拟教学方法,自2010年至今,我们对多元手段的数值模拟教学方法进行了一些尝试和探索,认为在采矿工程专业数值模拟教学中需要解决以下主要问题。

(一)专任授课教师培养

授课教师须具备熟练的数值模拟操作技能和扎实的采矿工程专业知识,这是保证课堂讲授、演练和上机操作高质量完成的关键。同时,目前大多采矿工程专业高校拥有依泰斯卡、RFPA等系列数值计算软件,可以满足采矿工程不同类型工程问题的数值模拟,部分专业课教师也具备了有关程序的应用和开发能力,有些老师已经具备十多年的现场工程和数值模拟经验,这一问题可得到很好的解决。

(二)数值模拟课程的多媒体课件制作

如上所述,采矿工程多元数值模拟教学是基于数值模拟技术和现代多媒体教学技术构建的。因此,数值模拟多媒体课件的制作是关键。数值模拟多媒体课件制作是一个工作量大、涉及面广、专业性强的工作,需要人力、物力和时间的投入,因此往往需要一定的前期投入。可以利用教研组力量,进行合理地分工和统筹安排,才能取得较好效果。从实践情况来看,需要完成以下工作。

1.需结合采矿工程专业特点和需求,收集和整理学生数值模拟学习中需要掌握的专业知识点,将知识点与数值模拟技术的每个环节融合,形成具有针对性、相对独立的多媒体课件,保证学生在每个教学环节都能学习一个完整的采矿工程数值算例。同时,在章节安排上应该注意从浅到深,从开始的基本程序界面和菜单掌握,到后续独立完成工程编程与计算,层层深入,逐个掌握,达到目的。

2.收集标准岩石力学教学试验和现场工程案例原型的照片、视频资料,添加到每个多媒体教学环节中,利用多媒体教学手段进行演示,并结合数值模拟再现工程原型,不仅可以激发学生的学习兴趣,也能达到较好的教学效果。

3.应选择有针对性且较易掌握的数值模拟操作,作为每个章节数值模拟的多媒体演示内容,程序应简短、易懂、好操作,让学生能很快理解和掌握。同时,将数值计算的结果进行后处理,制作成图片、动画,插入到多媒体内容中,并辅以结果分析讲解,不仅可以避免程序计算占用课堂时间,也可以潜移默化地培养学生对数值模拟结果的后处理与分析能力。

(三)课堂数值模拟操作与演示

课堂操作与演示是学生认识和掌握数值模拟技术的关键,因而,选取了采矿工程中几个典型问题进行课堂数值模拟操作与演示。

1.对于常规岩石力学试验,主要对前期建模、边界选择、参数选择等进行详细讲解与软件操作,让学生掌握基本的计算机数值模拟技能,然后对软件模拟分析过程中,岩石试件模型的受力和变形进行实时、动态演示,并对模型试件内部的力学演化过程进行分析,使学生对常规岩石力学试验有更加全面的理解。

2.采场与巷道是采矿工程问题的主要研究对象,首先用现场巷道底臌和冒顶、支架损坏、煤壁片帮等现场实拍照片或视频演示来激发学生的学习兴趣,再通过现场典型工程问题提炼出的数值计算简化模型,然后进行前期建模、边界选择、参数选择等进行详细讲解与软件操作,可将备课时模拟完成的动画进行播放,展示采场或巷道围岩内、外部力学演化过程,通过数值模拟后处理中的图形演示功能,让学生易于理解和掌握,不易忘记。也可将计算结果与物理相似材料模拟实验结果进行对比分析,展示计算机模拟的优越性和可重复性,让学生在学习计算机模拟技能的同时也进一步加深了对专业知识的理解。

(四)学生实际操作

1.上机课时优化。教学实践表明,衡量数值模拟课程学习好坏的关键是学生是否可以自己独立进行编程与操作。所以,适当增加学生上机课时是十分必要的。我们从最初的8个上机课时+24个课堂课时,调整为16个上机课时+16个课堂课时,课堂课时与上机课时“1∶1”,课堂讲授与演示后,接着进行上机操作,设置专门的上机老师指导单班上机,让老师有足够的时间对学生进行“一对一”指导。这样增加了上机课时,并能及时进行上机指导,加深和巩固新知识的同时也加强了数值模拟操作技能的培训。但是,由于大幅度压缩了课堂课时,所以课堂讲授内容要精益求精、重点突出,多媒体课件与数值模拟演示需要课题组老师认真讨论和精心准备,进而才能达到教与学共营。

2.上机指导与考查。学生上机实际操作是整个数值模拟教学的关键环节,是学生对课堂所学知识的应用与加深阶段,做好上机指导与考核尤为重要,为了保证在一个课时的上机时间中,实现指导老师对每个学生“一对一”指导,我们将原来的每个上机班中的两个学生班减少为一个学生班,这样老师可以有充足的时间来指导每一个学生,也易于考核管理和上机课堂控制。

我们将上机考核在总成绩中的占比从20%提高到40%(课堂占50%,平时作业占10%),一来可以提高学生对上机的重视,二来可以增加学生上机练习的次数。在平时上机过程中,指导老师可采用“一对一”方式对学生学习效果进行考核,并将考核结果作为上机成绩的一部分,占到上机考核的25%(总成绩的10%),在期末上机时,则同样采用“一对一”考核方式,作为期末上机成绩,占上机考核的75%(总成绩的30%)。

三、结语

多元数值模拟教学方法使学生对课堂重点、难点更加容易理解和掌握,而且能與上机操作相互结合、穿插,激发了学生课堂学习的兴趣,培养了学生计算机操作与解决实际问题的能力,取得了较明显的教学效果,在采矿工程工程相关专业教学中具有较好的发展潜力,同时也为研究生数值模拟教学提供了思路。但在课时安排、学生上机操作指导等细节上仍需进一步探索和改进。

参考文献:

[1]解盘石,伍永平.多元数值仿真技术在采矿工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2013,30(3):89-91.

[2]李鹏博,解盘石,李瑞斌,等.多元数值仿真技术在开采研究中的应用[J].陕西煤炭,2011,(2):53-55.

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