四位一体相似模拟试验技术教学方法研究

1、四位一体相似模拟试验技术教学方法研究矿山工程由于受断层、 褶皱、 节理等复杂的地质条件和各种 力学因素影响及采场上覆岩层运动的不可见性， 给采场矿压的研 究和理论教学都带来了极大的困难， 采用相似模拟实验， 可以直 观模拟采场推进过程中上覆岩层的运动及支撑压力的变化规律， 相似模拟与测试技术的发展弥补了理论分析与现场实测方面的 不足，它也是采矿工程研究生对矿山工程问题研究的主要研究手 段1 。而在本科阶段，学生大多没有接触过相关内容，因此， 相似模拟试验与测试技术成为了其研究生的基础教学课程。1 相似模拟试验技术教学现状受到煤?V企业形势的影响，采矿工程的研究生招生数量和 质量严重下滑， 多数

2、研究生本科阶段都是非采矿专业的学生， 基 本没有相似模拟与测试技术相关方面知识基础， 学生本身对该课 程学习也不感兴趣， 而课堂教学通常采用传统的相似定理、 相似 条件、相似材料选取及配比的理论教学， 以及相似模型制作的方 案设计教学，晦涩难懂，导致了很多学生在学完这门课程后，还 是无法进行这方面的试验研究， 需做试验写论文时开始着急的找 老师咨询，找同学帮助， 大大降低了采矿工程研究生的培养质量。 主要问题：（ 1）教学方法传统单一，教学效果不好。目前，课 堂教学主要围绕“相似三定理、 相似三条件、 配比方案设计”为 主题内容，过于偏重理论内容，对实践过程重视不够，导致学生的动手能力不足，停

3、留于理论阶段，学习积极性不高；（2）学生基础薄弱， 学习起来困难， 多数学生之前未曾有过相似学习经 历，导致基础知识比较薄弱，学习起来相当困难，然而研究生阶 段，老师不再像本科生教学那样细致讲解， 也给学生的学习带来 了很大的困扰。 因此创新相似模拟试验技术教学方法提高教学效 果极为必要。2 四位一体教学方法2.1 理论基础教学 理论基础学习是前提，考试是手段，实践是途径，掌握本领 是目的，所以，理论基础的学习是不可缺少的重要部分，相似理 论是相似模拟实验技术的基本原理， 是相似模拟实验可行的基础 和必要条件， 根据相似材料模拟的特点， 模拟试验需满足几何相 似、运动相似、动力相似和边界条件相

4、似等基本条件。所以课堂 教学需保留传统教学的主体内容， 同时要创新课堂教学方法， 常 用的多媒体教学，老师讲课速度快，学生基础差，效果不理想， 而多增加板书内容， 是很好的方法， 板书的过程减慢了课程教学 节奏， 学生多了思考和理解的过程。 考试是一种逼迫学生课堂认 真学习，课后认真复习的方法和手段，所以，课堂教学也包括考 试这一环节， 而试卷的内容也是需要精心设计的， 既要体现课程 的核心内容，又能让学生通过考试掌握原理和思想。2.2 试验方案设计相似模拟试验方案设计， 是学生对整个实验过程的总体方案 设计，是结合实际矿山工程实况进行的实验材料选取、 配比方案、 模型制作及测试试验研究方案的

5、总体设计方案， 也是对理论学习 的实践应用，主要内容：（ 1）材料选取，根据某矿的煤岩层的 实际地质资料， 选择相似模拟材料， 相似模拟材料主要采用石膏 和混凝土，改变胶结剂和骨料的组分， 可以模拟不同类型的岩层； （2）材料配比方案，根据该矿的相关钻孔柱状图，结合相似材 料配比试验的研究结果， 确定模型尺寸范围所需的模型材料的配 比；（ 3）模型设计及制作，首先根据理论基础相似基本原理来 确定开挖的煤层厚度，工作面长度，确定与模型中煤厚、面长之 间的比例关系， 结合试验需要自行组装需要的的试验架， 然后按 照配比方案， 依次放入各层的相似材料， 重复夯实直至完成整个 模型；（ 4）监测点布置

6、，监测内容主要包括应力监测和位移监 测，这要求在模型中埋设压力盒和布置位移测点， 压力盒的布置 和位移测站布置是学生需要通过思考来确定的， 可以锻炼学生学 以致用的本领，整个方案设计，涵盖了整个课程的主体内容，加 强了学生对课程内容的把握和理解， 是一种理论向实践的有效模 拟。2.3 试验过程录像教学 上述的理论基础教学和试验方案设计是目前学生课堂和课 后的主要学习内容，然而课程教学的核心目的是让学生学以致 用，而方案设计后的试验过程，学生并没有亲身参与过，缺乏经 验指导， 导致该项课程学完后， 仍然达不到为自己的研究所用的效果， 为了让学生对试验过程有进一步了解和体验，增加试验过程录像教学内

7、容， 可清晰地展示相似模拟试验的工艺过程， 主要 包括模型制作过程和测试过程， 将之前模糊的概念化向生动的可 视化转变，拉近了学生与该试验工艺过程之间的距离。2.4 分组实践教学在课堂上增设录像视频教学内容， 拉近了学生与该试验过程 的距离，然而无论何种学习都不能停留在“纸上谈兵”的过程， 因此，实践教学是必不可少的内容， 在学生通过录像视频学习后， 自己动手完成自己的方案设计是掌握该项本领的重要手段，因 此，设计和制作了一种组合结构的微型试验架， 作为实践教学的 平台，该微型试验架可组合成多种规格尺寸的试验架。（1）试验架设计，一种组合结构微型相似模拟实验架包括 底座架和侧护梁，底座架包括横

8、梁，竖梁，底梁和固定梁，将单 个横梁与单个竖梁连接， 再用固定梁将底梁与竖梁连接， 组合成 底座架， 从横梁水平开始安装侧护梁， 随着相似材料的铺设高度 增加依次安装侧护梁，待铺设到一米高时，停止铺设相似材料， 如此可以制作模型长x宽x高为1 mx 0.1 m x 1 m的微型相似模拟架，同样地，改变横梁与竖梁个数可以组合成能制作模型长x 宽x高为1 mx 0.2 m x 1 m和长x宽x高为 1 mx 0.3 m x 1 m的 微型相似模拟架，该组合结构微型相似模拟实验架具有操作简 单，工作量小，能组合成不同结构的相似模拟架，利于实践教学 分组，能很好地提高实践教学效率，同时组合结构式的设计，增 加了学生的动手能力， 也提高了学生对创新试验的兴趣， 有利于 提高其创新思维能力。（2）分组实践，待实践教学时，提供足够数量的横梁、竖 梁、底梁、固定梁和侧护梁，将班级学生分成多组，各自组合相 似试验架，分别进行长x宽x高为1 mx 0.1 m x 1 m、1 mx 0.2mx 1 m和1 mx 0.3 m x 1 m等多种的相似模拟架组合及材料模 型制作试验 2 ，增加了动手和思考环节，提高了学生的创新思 维意识，避免了多人制做一组模型而造成的抄袭和参与度不高的 问题。3 结语本着教学内容接触前沿， 实践教学体现科研的原则， 提出了 一种课堂基础理论教学、 相似模拟试验方案设计