摘要:為了克服傳統(tǒng)采礦工程數(shù)值模擬教學(xué)的局限性,實踐并總結(jié)了多元數(shù)值教學(xué)方法,結(jié)合數(shù)值模擬教學(xué)基本內(nèi)容,采用“講-演-做”多元手段相結(jié)合的模式,使學(xué)生對課堂重點、難點更易掌握和理解,并與上機(jī)相互結(jié)合、穿插,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,提高了教學(xué)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞:多元數(shù)值模擬;教學(xué)方法;采礦工程
中圖分類號:G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1674-9324(2018)37-0149-02
采礦工程是一個綜合性和實踐性很強(qiáng)的學(xué)科。眾所周知,先進(jìn)的教學(xué)方法是提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段,計算機(jī)數(shù)值模擬教學(xué),不僅具有通用性強(qiáng)、方便靈活、可重復(fù)性等特點,而且可以通過數(shù)值試驗得到許多在常規(guī)實驗室試驗中難以觀測的重要信息,可培養(yǎng)學(xué)生基于采礦知識并采用科學(xué)方法對復(fù)雜礦山工程問題進(jìn)行模擬預(yù)測和分析的能力。探索采用“多媒體講授+數(shù)值模擬演示+學(xué)生實際操作”相結(jié)合的多元數(shù)值模擬教學(xué)方法,不僅可以培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)值模擬手段解決采礦工程問題的能力,也能豐富和拓展學(xué)生的知識面,增強(qiáng)學(xué)生參與教學(xué)活動的主動性、創(chuàng)造性,大幅度提高教學(xué)質(zhì)量。
一、采礦工程數(shù)值模擬教學(xué)的基本內(nèi)容
數(shù)值模擬作為采礦工程一門必修課程,設(shè)置于《煤礦開采學(xué)》、《巖石力學(xué)》、《和礦山壓力與巖層控制》、《井巷工程》等主干專業(yè)課學(xué)習(xí)之后,旨在培養(yǎng)學(xué)生利用計算機(jī)手段解決采礦工程問題的能力,主要課程內(nèi)容包括:巖石力學(xué)基本實驗與測試,巷道、采場、邊坡等穩(wěn)定性分析等方面的數(shù)值模擬教學(xué)內(nèi)容。
二、多元數(shù)值模擬教學(xué)在采礦工程教學(xué)中的應(yīng)用
目前,國內(nèi)采礦工程專業(yè)數(shù)值模擬課程教學(xué)中較少系統(tǒng)采用“講—演—做”的多元數(shù)值模擬教學(xué)方法,自2010年至今,我們對多元手段的數(shù)值模擬教學(xué)方法進(jìn)行了一些嘗試和探索,認(rèn)為在采礦工程專業(yè)數(shù)值模擬教學(xué)中需要解決以下主要問題。
(一)專任授課教師培養(yǎng)
授課教師須具備熟練的數(shù)值模擬操作技能和扎實的采礦工程專業(yè)知識,這是保證課堂講授、演練和上機(jī)操作高質(zhì)量完成的關(guān)鍵。同時,目前大多采礦工程專業(yè)高校擁有依泰斯卡、RFPA等系列數(shù)值計算軟件,可以滿足采礦工程不同類型工程問題的數(shù)值模擬,部分專業(yè)課教師也具備了有關(guān)程序的應(yīng)用和開發(fā)能力,有些老師已經(jīng)具備十多年的現(xiàn)場工程和數(shù)值模擬經(jīng)驗,這一問題可得到很好的解決。
(二)數(shù)值模擬課程的多媒體課件制作
如上所述,采礦工程多元數(shù)值模擬教學(xué)是基于數(shù)值模擬技術(shù)和現(xiàn)代多媒體教學(xué)技術(shù)構(gòu)建的。因此,數(shù)值模擬多媒體課件的制作是關(guān)鍵。數(shù)值模擬多媒體課件制作是一個工作量大、涉及面廣、專業(yè)性強(qiáng)的工作,需要人力、物力和時間的投入,因此往往需要一定的前期投入??梢岳媒萄薪M力量,進(jìn)行合理地分工和統(tǒng)籌安排,才能取得較好效果。從實踐情況來看,需要完成以下工作。
1.需結(jié)合采礦工程專業(yè)特點和需求,收集和整理學(xué)生數(shù)值模擬學(xué)習(xí)中需要掌握的專業(yè)知識點,將知識點與數(shù)值模擬技術(shù)的每個環(huán)節(jié)融合,形成具有針對性、相對獨(dú)立的多媒體課件,保證學(xué)生在每個教學(xué)環(huán)節(jié)都能學(xué)習(xí)一個完整的采礦工程數(shù)值算例。同時,在章節(jié)安排上應(yīng)該注意從淺到深,從開始的基本程序界面和菜單掌握,到后續(xù)獨(dú)立完成工程編程與計算,層層深入,逐個掌握,達(dá)到目的。
2.收集標(biāo)準(zhǔn)巖石力學(xué)教學(xué)試驗和現(xiàn)場工程案例原型的照片、視頻資料,添加到每個多媒體教學(xué)環(huán)節(jié)中,利用多媒體教學(xué)手段進(jìn)行演示,并結(jié)合數(shù)值模擬再現(xiàn)工程原型,不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,也能達(dá)到較好的教學(xué)效果。
3.應(yīng)選擇有針對性且較易掌握的數(shù)值模擬操作,作為每個章節(jié)數(shù)值模擬的多媒體演示內(nèi)容,程序應(yīng)簡短、易懂、好操作,讓學(xué)生能很快理解和掌握。同時,將數(shù)值計算的結(jié)果進(jìn)行后處理,制作成圖片、動畫,插入到多媒體內(nèi)容中,并輔以結(jié)果分析講解,不僅可以避免程序計算占用課堂時間,也可以潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)值模擬結(jié)果的后處理與分析能力。
(三)課堂數(shù)值模擬操作與演示
課堂操作與演示是學(xué)生認(rèn)識和掌握數(shù)值模擬技術(shù)的關(guān)鍵,因而,選取了采礦工程中幾個典型問題進(jìn)行課堂數(shù)值模擬操作與演示。
1.對于常規(guī)巖石力學(xué)試驗,主要對前期建模、邊界選擇、參數(shù)選擇等進(jìn)行詳細(xì)講解與軟件操作,讓學(xué)生掌握基本的計算機(jī)數(shù)值模擬技能,然后對軟件模擬分析過程中,巖石試件模型的受力和變形進(jìn)行實時、動態(tài)演示,并對模型試件內(nèi)部的力學(xué)演化過程進(jìn)行分析,使學(xué)生對常規(guī)巖石力學(xué)試驗有更加全面的理解。
2.采場與巷道是采礦工程問題的主要研究對象,首先用現(xiàn)場巷道底臌和冒頂、支架損壞、煤壁片幫等現(xiàn)場實拍照片或視頻演示來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,再通過現(xiàn)場典型工程問題提煉出的數(shù)值計算簡化模型,然后進(jìn)行前期建模、邊界選擇、參數(shù)選擇等進(jìn)行詳細(xì)講解與軟件操作,可將備課時模擬完成的動畫進(jìn)行播放,展示采場或巷道圍巖內(nèi)、外部力學(xué)演化過程,通過數(shù)值模擬后處理中的圖形演示功能,讓學(xué)生易于理解和掌握,不易忘記。也可將計算結(jié)果與物理相似材料模擬實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析,展示計算機(jī)模擬的優(yōu)越性和可重復(fù)性,讓學(xué)生在學(xué)習(xí)計算機(jī)模擬技能的同時也進(jìn)一步加深了對專業(yè)知識的理解。
(四)學(xué)生實際操作
1.上機(jī)課時優(yōu)化。教學(xué)實踐表明,衡量數(shù)值模擬課程學(xué)習(xí)好壞的關(guān)鍵是學(xué)生是否可以自己獨(dú)立進(jìn)行編程與操作。所以,適當(dāng)增加學(xué)生上機(jī)課時是十分必要的。我們從最初的8個上機(jī)課時+24個課堂課時,調(diào)整為16個上機(jī)課時+16個課堂課時,課堂課時與上機(jī)課時“1∶1”,課堂講授與演示后,接著進(jìn)行上機(jī)操作,設(shè)置專門的上機(jī)老師指導(dǎo)單班上機(jī),讓老師有足夠的時間對學(xué)生進(jìn)行“一對一”指導(dǎo)。這樣增加了上機(jī)課時,并能及時進(jìn)行上機(jī)指導(dǎo),加深和鞏固新知識的同時也加強(qiáng)了數(shù)值模擬操作技能的培訓(xùn)。但是,由于大幅度壓縮了課堂課時,所以課堂講授內(nèi)容要精益求精、重點突出,多媒體課件與數(shù)值模擬演示需要課題組老師認(rèn)真討論和精心準(zhǔn)備,進(jìn)而才能達(dá)到教與學(xué)共營。
2.上機(jī)指導(dǎo)與考查。學(xué)生上機(jī)實際操作是整個數(shù)值模擬教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是學(xué)生對課堂所學(xué)知識的應(yīng)用與加深階段,做好上機(jī)指導(dǎo)與考核尤為重要,為了保證在一個課時的上機(jī)時間中,實現(xiàn)指導(dǎo)老師對每個學(xué)生“一對一”指導(dǎo),我們將原來的每個上機(jī)班中的兩個學(xué)生班減少為一個學(xué)生班,這樣老師可以有充足的時間來指導(dǎo)每一個學(xué)生,也易于考核管理和上機(jī)課堂控制。
我們將上機(jī)考核在總成績中的占比從20%提高到40%(課堂占50%,平時作業(yè)占10%),一來可以提高學(xué)生對上機(jī)的重視,二來可以增加學(xué)生上機(jī)練習(xí)的次數(shù)。在平時上機(jī)過程中,指導(dǎo)老師可采用“一對一”方式對學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行考核,并將考核結(jié)果作為上機(jī)成績的一部分,占到上機(jī)考核的25%(總成績的10%),在期末上機(jī)時,則同樣采用“一對一”考核方式,作為期末上機(jī)成績,占上機(jī)考核的75%(總成績的30%)。
三、結(jié)語
多元數(shù)值模擬教學(xué)方法使學(xué)生對課堂重點、難點更加容易理解和掌握,而且能與上機(jī)操作相互結(jié)合、穿插,激發(fā)了學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的興趣,培養(yǎng)了學(xué)生計算機(jī)操作與解決實際問題的能力,取得了較明顯的教學(xué)效果,在采礦工程工程相關(guān)專業(yè)教學(xué)中具有較好的發(fā)展?jié)摿?,同時也為研究生數(shù)值模擬教學(xué)提供了思路。但在課時安排、學(xué)生上機(jī)操作指導(dǎo)等細(xì)節(jié)上仍需進(jìn)一步探索和改進(jìn)。
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