采矿工程专业数值计算课程的教学方法探索

黄诗冰 李俊 陈勇

【摘要】采矿工程是一门以力学为基础的应用型学科，利用数值模拟方法开展采矿工程计算分析是一种常用的技术手段，为采矿工程专业学生进行矿山设计和安全维护提供了重要的依据。考虑采矿工程专业特点，对数值计算课程的内容和教学方法进行了探究。为新时代下采矿工程专业复合型人才培养提供参考。

【关键词】采矿工程 数值计算 教学方法

【基金项目】教研项目：武汉科技大学教学研究项目（2016X064）。

【中图分类号】G42 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）01-0216-01

随着计算机技术的快速发展，数值计算已经成为解决复杂工程问题的常用方法，在采矿工程中，运用数值仿真技术再现矿山系统，并开展矿山计算分析与支护方案优化设计显得尤为必要[1]。数值模拟仿真可有效克服传统采矿工程实验教学的局限性，得到许多常规试验难以观测到的重要信息[2-3]。数值计算方法和相应的数值软件种类众多，许多高校的采矿工程学科已将数值计算课程作为其高年级本科生和研究生的必修课程[4-5]。

1.数值计算课程教学质量的影响因素分析

在采矿工程专业中，数值计算课程的教学质量受到众多因素的影响，主要包括以下几点：

（1）基础理论的复杂性。

数值计算理论相对专业基础课程而言，涉及知识面广泛，不仅应该具备高等数学、理论力学、线性代数等基础知识，还应具备弹塑性力学、采矿学、岩石力学、矩阵论、数值分析等专业知识。因此，相对而言，数值计算理论显得复杂而枯燥，对学生的数学、力学功底要求较高。

（2）学生期望的差异性。

数值计算课程一般在本科高年级和研究生阶段开设，此时很多学生已有了明确的科研方向，由于方向和兴趣的差异，他们对数值计算方法的偏好也不同，对于从事生产的学生偏向于数值模拟软件的学习，而对开展研究的学生而言希望掌握更多的数值计算基础理论。因此，如何根据学生的期望对课程内容和侧重点进行选择是保证课程质量的重要因素。

（3）教师自身知识的局限性。

数值计算课程是一门对任教教师的基础理论和软件操作要求很高的课程，但在采矿工程专业中专门从事数值计算方法研究的教师相对较少。由于数值计算理论的复杂性和多样性，同时掌握多种数值方法对任教教师无论是知识深度还是广度上都提出了较高要求。任教教师一般对自己研究领域的数值计算方法较为熟悉，因此，数值计算课程需要多名教师协作完成。

2.数值计算课程教学方法的探究

（1）相关基础理论课程体系的构建。

数值计算方法中涉及的专业基础理论较多，由于课程体系的设置问题，很多学校开设的基础理论课程学时较少，甚至没有开设，导致学生在该方面的专业知识缺乏，在进行数值计算课程教学中不可避免的需要对相关的基础课程进行讲解。对此，有两种主要的解决方式：一是在整体课程体系构建中考虑课程之间的联系与搭接关系，适当增加数值计算课程需要用到的基础理论课程；二是增加数值计算课程的学时，在该课程计划中纳入相关的基础理论。

（2）采矿工程专业数值计算实验平台的构建。

目前为止尚未见到专门针对采矿工程专业的数值计算教材，一般采用岩土中的数值分析方法和相应的数值模拟软件。然而，采矿工程专业开采方法和工艺具有其自身的特殊性，需要结合不同的采矿方法介绍相应的数值计算方法和软件，从采矿工程学生特点出发，急需编制采矿工程专业的数值计算教材。此外，在实际的课程讲授中，软件的讲解和应用也是重要的内容，然而目前拥有采矿工程学科的高校中拥有数值试验平台的并不多，导致学生无法在课程上动手操作数值计算软件，不利于学习效果。

（3）实用软件与计算理论的相互结合。

目前，采矿工程专业学生在学习数值计算方法过程中，往往利用成熟的数值软件通过模仿类似案例进行采矿工程的数值仿真，而缺乏数值计算理论的学习。如此培养的采矿工程学生，一般可熟练运用软件进行简单的工程模拟分析，但难以进行错误检查与处理，对计算结果无法评估，缺乏自主纠错和创新能力。因此，在课程计划中，应采用将基础理论与软件相结合的授课模式，在对基础理论进行适当深部讲解的基础上，进而对使用该计算方法的典型数值软件从基本原理到使用技巧进行阐述，增强学习效果。

（4）课程教师团队的组建与协作。

数值计算方法课程综合了包括有限单元法、离散元法等许多数值计算理论与相关软件。然而由于教师自身的研究方向和知识水平限制，显然难以同时精通所有的数值计算方法。因此，数值计算课程是一门综合性非常强的课程，需要熟悉不同数值计算方法的教师组建教学团队，进行紧密协作。由于该课程授课教师较多，在课程管理中应落实好责任与教学任务，尤其应做好课程的交接工作。

3.结语

采矿工程肩负着国家能源战略的重大责任。当前，随着采矿深度的不断增加，矿山灾害不断显现，数值计算为认识和解决矿山地质灾害，优化采矿方法提供了有力的理论与技术支撑，也是新时代下复合型采矿人才应具备的基本能力。结合采矿工程特点，从课程内容选取、学生需求以及教师自身出发对数值计算课程的影响因素及教学方法进行了全面探究，采矿工程数值计算课程应从构建基础理论体系、搭建数值计算实验平台、合理安排课程内容以及组建紧密协作的教师团队四个方面入手提高该课程的教学质量。

参考文献：

[1]徐剑坤，习丹阳，馬文顶，等.采矿工程专业虚拟仿真教学资源库建设[J].教育现代化，2017，13：67-68.

[2]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.

[3]赵延林，万文，唐劲舟.面向采矿工程专业的岩石力学试验教学改革[J].当代教育理论与实践，2016，8（3）：61-63.

[4]王志根.采矿工程数值模拟的发展与现状[J].科技信息， 2010，（14）：786-786.

[5]盛建龙，叶义成，刘晓云，陈勇，刘艳章.新形势下采矿工程专业人才培养模式改革研究[J].中国矿业，2016，（07）：157-160+165.

作者简介：

黄诗冰（1989-），男，汉族，湖北人，博士，讲师，主要从事采矿工程数值计算方法研究。