如何培养采矿工程专业学生力学思维

滕腾 张洪伟 展鹏飞 刘昌林 杜玉冰

摘 要 力学作为一种解决采矿工程中问题的有效工具，逐步受到重视，同时也愈发显露出不足，那就是如何培养采矿工程专业学生的力学思维。通过将传统课堂面授、力学试验实践和工程体验有效融合，加强学生基础力学素养培育，引导学生发散思维，进行工程问题对比和学科交叉，锻炼力学建模能力，实现采矿工程专业学生力学思维培养。

关键词 采矿工程 力学思维 能力培养

采矿工程中的很多关键科学问题都是力学问题，因此，采矿工程专业学生的培育离不开力学思维的培养。目前，国内外高校针对采矿工程专业制定的培养方案普遍包含一些力学相关课程。如，工程力学、弹性力学基础、岩石力学、矿山岩土力学、地下结构力学、流体力学和矿山压力与岩层控制等。通过这些力学课程的学习，有效培养采矿工程专业学生的力学思维，为采矿工程学科与技术发展提供良好的人才和技能保障。

1加强学生基础力学素养培育

基础力学素养的培育首先要加强基本力学原理的理解和记忆。基于采矿工程专业人才培养目标和相关的力学课程性质，采矿工程专业中的力学课程，应该从课堂面授、试验实践和工程体验三个环节开展。将传统课堂教学、力学试验实践和工程体验有效融合，能够使得三者之间相得益彰、互为补充，较大程度上激发学生学习兴趣，从而达到夯实力学基础、全面丰富知识体系和提升力学素养的培养目标。

1.1课堂面授

经典力学理论具有典型的科学严谨性。学生的基本力学素养培育需要在力学理论的基础假设、数学推导、模型优化以及工程应用等各个环节开展。课堂面授是建立老师和学生直接联系的最简单和有效的方式，授课教师基于自身对力学专业知识的扎实把握，结合各种面授技巧， 循序渐进地引导学生展开思考和批判。根据以往对采矿工程专业开展的力学课程面授经验，授课教师在面授课中坚持利用板书，能够无形中提高学生学习兴趣，有助于实现教学目标。此外， 针对采矿工程专业的力学课程，面授课应加强力学理论推演过程的阐述，让学生在宏观上形成记忆，有助于实现从力学知识到采矿工程问题的应用转化。

1.2试验实践

力学课程教育一方面是教授力学基础理论的逻辑构建关系，另一方面是培养学生通过实践获得知识和认知的能力。开展力学试验是培养学生动手能力、巩固知识积累和获得创新发现的基本途径。从当前的采矿工程专业培养方案来看，《岩石力学》、《土力学》和《矿山压力与岩层控制》等力学课程大多会设置 2 或 4 课时的试验课，课程的主要内容是开展岩石力学基础参数测试。目前的结果显示，试验教学效果显著，主要表现为：（1）学生参与试验课积极性较高，有助于提升理论课的学习氛围;（2）试验前后，围绕试验方案与目的，学生思考与交流增多，促进自发学习;（3）理论与实践相互验证，知识掌握牢靠。以上三点足以说明采矿工程专业中力学课程试验教学的必要性，然而目前的试验课时太少，笔者认为有必要进一步增加。需要特别指出地是，教师在力学试验前对试验目标的把握和试验过程的演示对试验教学效果具有重要影响。

1.3工程体验

力学是承接基础科学与工程应用的桥梁。采矿工程专业力学课程的教学既要体现力学审视下的工程审美，又要剖析工程审美中的力学特性。《弹性力学基础》和《地下结构力学》等基础力学课程如果只阐述相关力学理论，学生很难把所学知识与采矿工程建立联系。面对非力学专业的受众学生，大多数教师会引入工程赏析或案例评述，让学生能够以不同的形式获得感官体验。具体的方式有教师阐述、视频动画演示和教学模型等。随着互联网 5G 和虚拟仿真技术的普及应用，目前国内一些高校将虚拟现实 VR 技术引入到采矿工程专业教学，极大地提高了学生的工程体验。

2提高学生力学建模能力

力学建模是培养学生力学思维的重要载体，是利用数学/力学工具解决工程问题的核心。根据建模的原创与否，力学建模可以分为工程简化建模和本源创新建模。

2.1工程简化建模

工程简化建模是将具体的工程问题进行简化，并利用已有的经典力学模型进行分析。此方法较为简单，能够解决采矿工程中的多数基础问题，也是本科生教學和力学建模能力培养的主要目标。如采矿工程中的巷道稳定性问题是最常见和基础的力学建模问题，利用《弹性力学》课程中“压力隧洞”和“小孔应力集中”相关章节的内容，能够给出最简要的分析。因此在采矿工程专业学生的力学课程教学中，教师应当有意识地将三者建立联系，阐明“压力隧洞”、“小孔应力集中”与圆形巷道之间的共通性，引导学生发散思维，完成工程简化与类比建模。针对工程问题的差异性，教师也需指出相应的处理方法或误差分析。

2.2本源创新建模

本源创新建模需要综合使用力学知识，对特定的工程问题从基本假设、模型推导、问题求解与工程分析等环节进行逐步推演。此方法难度系数较大，对力学素养和思维的要求也相对较高，主要针对采矿工程专业的相关研究生或科研工作者。早期的大多数力学理论就是在此基础之上建立起来的，如断裂力学之父 Griffith 从能量平衡的角度导出裂纹扩展和材料破裂的判据。本源创新建模是力学思维的直接体现，往往建立在坚实的力学基础和跨学科交叉环境之上。

3结语

采矿工程专业学生的培育离不开力学思维的培养。通过将课堂面授、试验实践和工程体验有效融合，全面夯实和丰富力学知识体系;引导学生发散思维，进行工程问题对比和学科交叉，锻炼力学建模能力，实现采矿工程专业学生力学思维培养，为采矿工程学科与技术发展提供良好的人才和技能保障。

参考文献

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