采矿工程本研贯通多元数值仿真教学体系探索

摘  要：针对采矿工程数值仿真教材、模拟程序和实践平台等本-研贯通性、进阶性不足问题，开展采矿工程本-研贯通的数值仿真教学探索与实践，编著采矿工程数值模拟教材、实验指导书、典型案例库和教学程序，组建一支高水平的数值仿真教研梯队，建成实践创新能力培养的多元数值仿真实验平台，构建符合采矿工程科技人才培养规律的本-研贯通式多元数值仿真教学体系，为培养采矿基础扎实、创新能力突出的工程和科技人才提供重要的支撑。

关键词：采矿工程；本-研贯通；创新能力；多元数值仿真教学；教学体系；实践平台

中图分类号：G640      文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2024）21-0005-04

Abstract： In response to the lack of undergraduate-postgraduate connectivity and advanced training in numerical simulation textbooks， simulation programs， and practice platforms for mining engineering， we have carried out exploratory and practical teaching of numerical simulation for undergraduate and graduate students in mining engineering.  We have compiled textbooks， experimental guides， typical case libraries， and teaching programs for numerical simulation in mining engineering， and established a high-level research and teaching team for numerical simulation， built a multi-dimensional numerical simulation experimental platform for practical innovation ability training， and constructed a multi-dimensional numerical simulation teaching system for undergraduate-postgraduate connectivity that conforms to the laws of cultivating mining engineering talents. This provides important support for cultivating engineering and technological talents with solid foundation in mining and outstanding innovation ability.

Keywords： mining engineering; undergraduate and graduate students; innovation capabilities; multi-dimensional numerical simulation teaching system; teaching system; practice platforms

随着人工智能[1]、数字孪生[2]等现代技术的飞速发展，人类学习和认识事物方式方法发生了巨大变化，近年来，计算机数值仿真技术已成为人类认识和解决科学难题的重要手段。采矿工程具有复杂程度大、涉及领域广的特点，其主要涉及到了采煤方法、设备选型、矿井地质、井巷工程、地表沉陷与岩层移动、矿井通风与瓦斯防治及矿井防灭火等众多难题，数值仿真与模拟方法应用面广，是解决复杂采矿工程问题不可或缺的手段。同时，采矿工程是一个综合性和实践性很强的学科，面向煤炭行业发展主战场，作为西部地区唯一一所煤炭高等院校，西安科技大学采矿工程系始终致力于培养专业基础扎实、创新能力突出矿业工程科技人才，为煤炭工业和区域经济社会发展做出了重要贡献。

21世纪以来，计算机仿真技术发展突飞猛进，已成为煤炭行业智能化、绿色化发展的重要支撑，以及先进技术研发和专业知识学习不可或缺的手段。此外，采用先进的教学手段和教学方法是提高人才培养质量的重要手段，采用仿真模拟手段，利用计算机对采矿过程进行数值仿真再现和试验，不仅具有通用性强、方便灵活、可重复性等特点，而且可以通过数值试验得到许多在常规实验室试验中难以观测的重要信息，因此，培养能熟练运用仿真技术解决复杂采矿工程问题的创新性人才是推动煤炭行业智能绿色发展的唯一途径，也是采矿工程专业创新人才培养的重要手段之一[3]。

以数值仿真为载体，构建采矿工程数值仿真教学体系、建立数值仿真教研平台、形成高水平人才培养模式，将对学科其他相关专业课程教学大有裨益，其应用前景十分广阔。然而，要实现采矿工程创新性人才培养目标，一是要解决采矿工程领域的数值仿真教材少、内容散、系统性差的问题[4]；二是要丰富教学与实践过程中数值计算软件种类；三是要打通采矿工程本科与研究生课程学习与实践的“堵点”。因而，亟需开展采矿工程本-研贯通的多元数值仿真教学探索与实践工作，特别是培养本-研学生利用数值仿真实验方法解决复杂采矿工程问题的实践与探索能力，使学生具备较强的实践能力和创新能力，加深了对采矿工程专业知识的认识，以达到以培养采矿基础扎实、创新能力突出的工程科技人才为目标[5]。最后，形成符合采矿工程科技人才培养规律的本-研贯通式多元数值仿真教学体系，为采矿工程创新性人才培养提供重要的支撑。

一  采矿工程数值仿真教学存在的问题

众所周知，采矿工程不仅是一个极为复杂的系统工程问题，也是一个十分复杂的地下岩土工程问题，岩土工程数值仿真方法具有高效率、低成本和可重复的优势，是采矿工程领域研究人员和工程技术人员认识采矿工程问题、解决岩层控制难题和技术创新的有力手段[6]。此外，培养具备扎实的采矿工程数值仿真知识和技能的创新人才是一个长期的系统性工程，其中，建设高素质师资队伍、高水平实验平台、高质量课程体系是必备条件。经过长期的实践探索，发现当前采矿工程数值仿真教学存在以下几个方面的问题。

一是针对采矿工程领域的数值仿真教材少、内容散、系统性差。大部分为数值分析软件介绍与说明书，大多内容为土木、隧道、边坡和水坝等永久性工程的仿真方法与技术，与临时性、周期性和复杂多样的采矿工程问题相差较远，因此，教材内容中专业知识与数值仿真方法结合不紧密，数值仿真案例与采矿工程问题结合不紧密，不能很好地将采矿工程专业知识与数值仿真方法融合起来。

二是教学与实践过程中数值仿真软件种类少、匹配性和互补性差。面临复杂多样的采矿工程理论与技术问题，学生运用单一的数值仿真方法难以了解工程问题本质。主要表现如下：①不能很好地利用各个数值计算方法去解决可发挥其优势的工程问题；②在解决复杂工程问题过程中，不能发挥各个数值计算方法特点对工程问题进行全面研究；③不能实现各个数值仿真结果之间或与现场工程实际相互验证、相互校正、相互补充，达到对工程实际的模拟追踪，实现精细化数值仿真；④难以实现对工程问题的各种现象的可视化仿真再现或是对未知问题的可视化仿真探索研究。

三是采矿工程数值仿真教学体系本-研贯通性不足、进阶性不强。本科生和研究生对数值仿真课程学习的需求和目标存在差异，本科生主要聚焦对采矿规律的认知理解及如何有效解决采矿工程问题，研究生则更专注于未知采矿规律的探索和采矿理论技术创新方面。因此，长期以来，采矿工程数值仿真教学体系中存在设置的教学内容和重点存在明显差异、采用的教学方法有所不同、实践平台功能需求不一样等问题，特别是针对不同的培养对象，教学要素间的衔接性和进阶性不足，难以达成本-研贯通的创新人才培养目标。

二  采矿工程多元数值仿真教学体系探索

针对上述问题，自2007年以来，采矿工程专业教师开展了数值仿真教学科研、人才培养的实践与探索，聚焦高水平数值仿真师资队伍培育、高水平数值仿真实验平台架构、高质量数值仿真课程体系建设，主要形成了以下创新性内容。

（一）  提出了“讲-演-作”相结合的采矿工程多元数值仿真教学方法，形成了面向创新能力培养的本-研贯通数值仿真课程及实验教学体系

基于采矿工程专业知识学习特点，首先，授课教师须具备熟练的数值仿真操作技能和扎实的采矿工程专业知识，这是保证课堂讲授、演练和上机操作高质量完成的关键。同时，目前大多采矿工程专业高校拥有依泰斯卡[7-9]、RFPA[10]等系列数值计算软件，可以满足采矿工程不同类型工程问题的数值仿真，部分专业课教师也具备了有关程序的应用和开发能力，有些老师已经具备十多年的现场工程和数值仿真经验。其次，构建了课堂讲授（40%课时）+课堂与实验室演示（20%课时）+实验室学生实操（40%课时）的多元教学模式[11]，形成学习与实践穿插、互补、贯通的学习方式，课程从最初的8个上机课时+24个课堂课时，调整为16个上机课时+16个课堂课时，课堂课时与上机课时“1∶1”，课堂讲授与演示后，接着进行上机操作，专门上机老师指导单班上机，让老师有足够的时间对学生进行“一对一”指导。这样增加上机课时，并能及时进行上机指导，加深和巩固新知识的同时也加强了对数值仿真操作技能的培训。但是，由于大幅度压缩了课堂课时，所以课堂讲授内容要精益求精、重点突出，多媒体课件与数值仿真演示需要课题组老师认真讨论和精心准备，才能达到教与学共赢。

在学生实操方面，为保证在一个课时的上机时间中，实现指导老师对每个学生“一对一”指导，我们将原来的每个上机班中的两个学生班减少为一个学生班，这样老师可以有充足的时间来指导每一个学生，也易于考核管理和上机课堂控制。将上机考核在总成绩中的占比从20%提高到40%（课堂占50%，平时作业占10%），一是可以提高学生对上机的重视程度，二是可以增加学生上机练习的次数。在平时上机过程中，指导老师可采用“一对一”方式对学生学习效果进行考核，作为上机成绩的一部分，占到上机考核的25%（总成绩的10%），在期末上机时，则同样采用“一对一”考核方式，作为期末上机成绩，占上机考核的75%（总成绩的30%）。

可以看出，多元数值仿真教学方法使学生对课堂重点、难点更加容易理解和掌握，而且能与上机操作相互结合、穿插，激发了学生课堂学习的兴趣，培养了学生计算机操作与解决实际问题的能力，取得了较明显的教学效果，在采矿工程专业教学体系中具有十分重要的支撑作用。

（二）  提出了一种基于离散元、有限元和颗粒元等的采矿多元数值仿真技术

为了克服传统采矿工程数值仿真教学存在的局限性，提出了多元数值仿真技术（图1），即针对所研究问题，充分发挥不同数值计算方法（有限差分法、有限元法、离散单元方法等）的特性，运用两种或两种以上数值计算方法对问题进行全面研究，主要如下：①注重利用各个数值计算方法去解决可发挥其优势的工程问题；②在解决复杂工程问题过程中，注重发挥各个数值计算方法特点，解决该工程中的一部分问题，最终综合各个仿真研究结果，实现对工程问题的全面研究；③注重计算过程中各个数值仿真结果之间或与现场工程实际相互验证相互校正相互补充，达到对工程实际的仿真追踪，实现数值仿真精细化；④注重对工程问题的各种现象的可视化仿真再现或是对未知问题的可视化仿真探索研究。长期的实践表明，多元数值仿真技术不仅具有通用性强、方便灵活、可重复等特点，而且可以得到许多在常规实验中难以观测的重要信息，可从多种仿真角度加深学生对物理现象的理解，实现实物实验无法完成的内容，提高学生实践与创新能力。