采矿工程基础力学课程教学改革与创新能力培养
摘 要：基于目前采矿工程专业基础力学课程和专业课程衔接不紧密的现状，结合多年来采矿力学课程的授课经验，提出采矿工程专业力学课程改革思路与实践措施，通过基础力学课程采矿特色案例库的构建，将采矿问题案例融入力学基础课程中，培养学生解决实际问题的能力。通过开展“第二课堂”、“科研导师制”等科研实践活动，积极引导大学生申请和专业相关的创新创业项目，培养采矿工程专业学生“双创”能力。
关键词：基础力学课程；采矿特色案例库；科研实践活动；创新能力
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）04-0037-03
Abstract： Based on the current situation that the basic mechanics course and the professional course of mining engineering are not closely connected， combined with the teaching experience of the course of mining mechanics for many years， the paper puts forward the ideas and practical measures for the reform of the mechanics course of mining engineering， and through the construction of the mining case library of the basic mechanics course. Integrate mining problem cases into the mechanics foundation course to develop students" ability to solve practical problems. Through the implementation of the "Second Classroom" and "Scientific Research Tutor System" and other scientific research activities， we will actively guide college students to apply for innovation and entrepreneurship projects， and cultivate the innovation ability of mining engineering students.
Keywords： basic mechanics course； mining feature case library； scientific research activities； innovative ability
在采礦工程技术的发展中，力学始终扮演着一个重要的角色，采矿工程中有着许多复杂的力学问题，这些问题将直接影响着采矿工程进度以及整个矿区的安全生产情况[1，2]。诸如采矿后覆岩的活动规律及顶板的控制[3]、支架的合理选型、巷道支护[4，5]、采动边坡稳定性[6，7]等问题，随着这些问题的解决，力学学科本身也得到了很大的发展。力学平台课程（理论力学、材料力学）是采矿工程专业的理论基础，熟悉和掌握力学的基本理论、材料常见的破坏准则及其它知识，对于学生对专业课程的学习及未来从事相关采矿工程工作奠定基础[8]。但是，传统的教材和教学方法存在基础力学课程和专业课程难以有效衔接的问题[9，10]，使得学生在学习后续专业课程中难以运用基础力学知识解决实际问题，不利于采矿工程创新性人才的培养。结合近年来我国在采矿方面取得的力学成果，在此基础上通过理论与教学新方法等方面进行有益的改革探索，使学生能全面地掌握力学课程的培养要求，提高学生运用力学理论基础知识解决实际问题的能力。
一、采矿工程基础力学课程在教学过程中存在的问题
（一）基础力学课程教材和后续采矿专业课程难以有效衔接
力学基础课程的教材大都基于土木、机械、建筑学科，教材中的习题也是围绕上述几个学科展开，很少涉及采矿工程领域的力学问题，且在参阅力学课程的参考书的基础上，并未发现有专门针对采矿工程专业编写的教材。笔者近年来教授的课程主要有《理论力学》、《材料力学》、《矿山岩体力学》、《矿山压力与岩层控制》等课程，教授对象为矿业工程学院的本科生，这些课程类别为专业平台课或专业必修课。在教授专业课过程中发现，学生很难将所学的基本力学知识运用到采矿实际问题中，即使是基础力学课程学习成绩相对较好的同学也表示采矿力学模型难以听懂。如何编制属于采矿工程专业的特色案例库以适应新时期对人才的需求，使理论与实践相结合，这个重要问题摆在采矿工程专业教育工作者的面前。
（二）创新性训练少，学生难以从力学角度来看待采矿问题
教育部在“十二五”期间实施国家级大学生创新创业训练计划，在“大众创新，万众创业”的背景下，大学生创新创业受到越来越多的学生青睐。贵州理工学院作为全国首批99所深化创新创业教育改革示范高校，高度重视大学生创新创业训练计划，并制定了“113”计划，即100%学生接受创新创业教育，100%学生进行创新创业项目训练并形成3%的优质创新创业成果。采矿工程现场实际中存在力学问题[11]，训练学生从力学角度解决矿山实际问题，培养学生创新能力，无疑是创新创业一个好的方向。但就目前贵州理工学院采矿工程专业课程体系而言，学生在第三学期学习《理论力学》、第四学期学习《材料力学》，第五、六学期开始学习《岩体力学》和《矿山压力与岩层控制》，学习完《矿山压力与岩层控制》课程后就已经大四了，很难进行创新型、研究型人才的培养，就更谈不上进行创新创业训练计划了。
二、采矿工程基础力学课程教学改革思路及创新性实践探索
（一）教学内容与教材更新
1. 力学课程采矿特色案例库创建
整合相关力学课程资源，结合《理论力学》、《材料力学》、《工程力学》、《矿山岩体力学》及《矿山压力与岩层控制》等课程，并通过现场实地调研采矿工程中所遇到的力学问题，收集采矿工程关于上述课程力学案例，并基于力学素材的整理收集，针对采矿覆岩的活动规律及顶板的控制问题、支架的合理选型、巷道支护等问题，建立矿山实际采矿过程中遇到的力学问题模型，分析力学模型所需的基础理论知识，构建基于采矿工程学科大类知识结构下的力学课程模块。比如，可以在《材料力学》课程中列举《矿山压力与岩层控制》课程中计算工作面来压步距实例，花1～2分钟给学生讲一下实例背景，将上覆岩层压力简化为均布载荷，基本顶（关键层）简化为岩梁，两端简化为简支梁模型（如图1所示），则问题变为求解简支梁受均布载荷下的破断问题。
2. 编著属于采矿工程专业的力学教材
以采矿工程专业中力学课程为基础，通过对已有基础力学教材的研究以及教材中习题进行重新编撰，在教材中加入采矿背景，制作基础力学课程的PPT，在课堂中讲授采矿力学案例以培养学生理论联系实际能力，形成适用于采矿工程专业学生的教学方式，增强学生对采矿中力学问题的认识，以解决目前教学中理论和实践联系不紧密的问题。
（二）理论教学方法改革
1. 课堂教学方法改革
传统的基础力学课程教学主要采取满堂灌的方式，无法培养学生的创新能力；为了提高学生学习积极性以及对以后专业知识的理解，课堂讲授除了基本力学知识点，另外部分章节采用知识点和采矿案例结合的方式进行，引导学生积极思考，培养学生解决实际问题的能力。作业采用两种类型：必做题和思考题，必做题要求学生必须做完，主要是学生掌握基本知识点的习题；思考题为学生选做题，主要是锻炼一部分优秀学生的创新能力，习题主要是给出工程背景，引导学生自己建立力学模型来解决工程实际问题。例如，在课堂上讲授了图1中的力学模型，在课后将题目背景中改为采矿工作面上覆的岩层是山体，那么上覆岩层的载荷就不是均布载荷，让学生按此计算工作面初次来压步距，则图1中的模型则改变为图2。
2. 课后教学方法改革
课后主要负责对学生的答疑以及培养学生利用基本力学知识解决采矿实际问题的能力，积极培养部分选择思考题的学生，与学生共同进行讨论、分析，并教会这部分学生查阅文献的能力，引导学生积极思考，针对于采矿实际问题自己建立相关模型并求解，让学生在解决工程实际问题中得到学习的乐趣，保证学生的创造力得到发挥。
（三）创新能力培养
开展“第二课堂”、“科研导师制”等课外科研实践活动，授课老师作为指导教师积极开展大学生创新创业项目，在课堂和课后教学中发现感兴趣的学生，鼓励其参加创新创业项目，利用相關基础力学理论知识，并使用采矿相关数值模拟软件进行数值模拟研究，解决矿山企业遇到的实际力学问题，授课老师也可以结合自己的科研课题带领学生做科研方面的实践工作，积极挖掘开发创新性实践教学的有效载体，培养采矿专业学生创新创业能力。
三、采矿工程基础力学课程教学改革的优势
（一）建立采矿特色案例库，使教学更具有针对性
以采矿工程专业中力学课程为基础，通过对教材的研究以及教材中习题进行重新编撰，在教材中加入采矿背景，建立采矿特色案例库，形成适用于采矿工程专业学生的教学方式，增强学生对采矿中力学问题的认识，培养学生理论联系实践能力，以解决目前教学中理论和实践联系不紧密的问题。在整个模板的构建过程中，紧紧围绕力学在采矿工程中的应用这一实质来创建，不仅要使学生在学习过程中能够获取力学的基本知识，同时可以使学生将所学知识应用到采矿工程实际中，一方面可以让学生了解以后专业课程的相关内容，另一方面能够让学生产生对专业课程的兴趣。对于贵州理工学院这样一所新建院校，培养学生的创新意识和理论联系实际能力、提高学生的综合素质是非常有必要的，具有广阔的应用前景。
（二）注重学科交叉，培养学生解决实际问题的能力
学科交叉和融合能够打破传统工科学科的固定范式，让学生具备多学科思维面对实际工程问题[12]。将基础力学知识和采矿专业知识交叉融合，培养学生成为复合创新型人才，教导学生具有较强的实践能力和与本学科相关的综合能力，既具备基础力学知识和职业所必需的技术能力，又有专业交叉复合性的知识储备，一方面能够满足就业企业和生产第一线的需求，另一方面又能够自我提升与创新能力。在平台课程中让学生对采矿工程专业有前期认识，激发学生的学习热情，引导学生由接受性学习向自主性学习转化，真正教导培养学生的自主能力、理论联系实践能力，并且凭借扎实的专业理论基础和宽厚的交叉专业知识面，能在以后各自的岗位上进行革新和创新，将所具备的知识进行合理运用并推广。
（三）培养学生科研创新能力，有利于学生发展
“双创型”人才培养是国家经济和战略发展的需要，全国各高校也在积极培养创新创业型人才。按照大学生成长过程分析，大一是大学生创新创业思维的萌芽期，大二和大三是学生创新创业思维的成熟和完善期，也是大学生创新创业的黄金时期，大四是学生创新创业成果物化期，而采矿工程专业力学课程恰好贯穿了大学生的大二和大三两年，可以有针对性地培养学生创新创业能力，达到事半功倍的效果。指导老师可以根据学生的兴趣爱好组建创新创业小组，以老师的科研项目或其它采矿力学问题为基础，引导学生思考、建立力学模型、申报创新创业项目。同时，组织学生参加各类创新创业竞赛，为培养双创型人才打下坚实基础。近三年来，笔者指导学生立项创新创业项目国家级1项，省级3项，校级5项，分别获全国高等学校采矿工程专业学生实践作品大赛二等奖、三等奖各1项，授权实用新型专利4项，发表论文2篇。
（四）有利于未来学生考研和从事采矿行业工作
就采矿工程而言，全国很多高校选择力学课程作为专业课考试课程，比如中国矿业大学和安徽理工大学硕士研究生招生专业课程为矿山岩体力学，山东科技大学为岩体力学，贵州大学为工程力学（静力学和材料力学），太原理工大学为材料力学。学生在大二、大三时系统性地学好力学课程知识，对考研专业课程起到事半功倍的效果，以及对以后进行研究生课程的学习具有重要的作用。另外，培养学生从力学角度认识和解决采矿问题，可以加深学生对力学基本理论以及采矿工程相关知识的认识，培养学生分析问题、解决问题能力，为学生今后从事采矿工程相关工作解决矿山压力与岩层控制、支架合理选型以及巷道支护等问题奠定必要的技术素养。
四、结束语
综上所述，构建基于基础力学课程的采矿特色案例库，在此基础上对课堂理论教学方法进行有益的改革探索，将基础力学知识和采矿专业知识交叉融合，使得采矿工程专业力学基础课程和专业课程有效衔接，以达到培养学生解决实际问题的能力的目标；另外通过开展“第二课堂”、“科研导师制”等科研实践活动，积极引导大学生申请创新创业项目，培养采矿专业学生创新能力。
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