基于微型相似模擬架的礦壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

龐冬冬

摘 要：結(jié)合礦壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的現(xiàn)狀及不足，提出了用自制微型相似模擬架進(jìn)行礦壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)，減小了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞯墓こ塘?，降低了?shí)驗(yàn)耗材，豐富了礦壓實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，簡化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重疊部分，提高了學(xué)生的主動(dòng)參與性，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手及協(xié)作配合能力，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué) 相似模擬 礦壓

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07（c）-0173-02

實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)是課程教學(xué)體系中不可或缺的部分，是學(xué)生從“紙上談兵”到“現(xiàn)場實(shí)踐”的轉(zhuǎn)變過程。然而，由于學(xué)生的數(shù)量多而實(shí)驗(yàn)室設(shè)備及環(huán)境資源不足，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的簡化和刪減，大大抑制了學(xué)生的創(chuàng)新探索和動(dòng)手實(shí)踐能力。礦壓課程是采礦專業(yè)學(xué)生的必修課程，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)是必不可少的環(huán)節(jié)，但由于礦壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)安排不足、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不完善、教學(xué)方式不合理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源不足，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果不理想，因此，礦壓實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)必須另辟蹊徑[1，2]。

1 礦壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

礦壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)長期以來沒有很好地進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，導(dǎo)致過去很多年仍采用傳統(tǒng)的巖石物理力學(xué)性能測試、支護(hù)體設(shè)備力學(xué)性能測試、常用礦壓監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備使用方法及傳感器的標(biāo)定等內(nèi)容。隨著學(xué)生對新知識(shí)、新方法的探索需求，這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容已不能完全滿足學(xué)生的需求?，F(xiàn)階段礦壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要存在以下幾個(gè)方面的問題。

（1）實(shí)驗(yàn)條件資源不夠完善。隨著礦壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)的壓縮，而礦壓測試設(shè)備及技術(shù)方法不斷地更新進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容在不斷地增加，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課時(shí)已滿足不了要求，因此，對實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量有很大影響；學(xué)生人數(shù)多，實(shí)驗(yàn)成套設(shè)備少，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)操作分組不能過細(xì)，學(xué)生沒有充分動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，進(jìn)而將實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程演變成了學(xué)生在看實(shí)驗(yàn)演示過程，很難有好的教學(xué)效果。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不夠全面。之前，礦壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要包含巖石的物理力學(xué)性能測試、支護(hù)體的類型及力學(xué)性質(zhì)測試、常用礦壓觀測儀器設(shè)備使用方法及標(biāo)定等。這些內(nèi)容都是礦壓實(shí)驗(yàn)課程必不可少的，但是，部分內(nèi)容與其他課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有重疊，如巖石的物理力學(xué)性能測試實(shí)驗(yàn)與《礦山巖體力學(xué)》的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容重復(fù)，礦壓觀測儀器設(shè)備使用方法及標(biāo)定與《礦山壓力監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)》實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容有重疊；此外，原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容還欠缺采場礦壓巖層移動(dòng)規(guī)律、礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象以及演變特征觀測等內(nèi)容，故整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不夠全面完善。

（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不夠合理。由于礦山壓力與巖層控制實(shí)驗(yàn)課程需要配套的設(shè)備、種類及數(shù)量都很多，實(shí)驗(yàn)室目前尚不能提供足夠數(shù)量的成套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，帶來的問題是：在短短的兩堂課時(shí)間，在講解完實(shí)驗(yàn)課程后，在成套實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器不足的情況下，一次性完成實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)是不現(xiàn)實(shí)的，需分組輪流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在前一組學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，其他學(xué)生只能等著，大大地降低了學(xué)生的積極性，很多情況下教師采用統(tǒng)一操作演示的方式進(jìn)行教學(xué)，將學(xué)生實(shí)驗(yàn)變成了老師演示實(shí)驗(yàn)，或是只有少數(shù)人參與的實(shí)驗(yàn)過程，其他人在觀看過程中插不上手，覺得無聊和多余，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。

（4）學(xué)生重視及參與程度不夠。鑒于礦壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)少、人數(shù)多、教學(xué)環(huán)境復(fù)雜、不單獨(dú)計(jì)入考核成績，學(xué)生感覺來不來上課都行，最后交個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告就能完成任務(wù)，這種現(xiàn)象究其原因?yàn)榭己朔绞降牟粔蚝侠恚瑢?shí)驗(yàn)課程教學(xué)成績只占很小的一部分，導(dǎo)致了大多教學(xué)生重理論輕實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，學(xué)生的重視程度下降，而在實(shí)驗(yàn)課程考核中，考核結(jié)果不能反映出學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)成果，大大地降低了學(xué)生的積極性，也造成了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課程的重視程度與參與度不高。

2 微型相似模擬架在礦壓教學(xué)中的應(yīng)用

相似模擬實(shí)驗(yàn)是研究礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、上覆巖層移動(dòng)規(guī)律及現(xiàn)象的重要手段，主要用在研究生論文中，為了豐富本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生更多地掌握礦壓現(xiàn)象規(guī)律研究方法手段，實(shí)驗(yàn)室采用在保留原有核心實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容同時(shí)，將相似模擬實(shí)驗(yàn)填充到礦壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，簡化以往與其他專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程有重疊的實(shí)驗(yàn)部分項(xiàng)目，拓展學(xué)生的視野，讓學(xué)生更多地參與到試驗(yàn)中，但常用的科研用相似模擬實(shí)驗(yàn)架尺寸偏大，模型制作周期長，耗材大，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況不符，實(shí)驗(yàn)室通過自制微型相似模擬實(shí)驗(yàn)架的制作，減小了模型制作周期，實(shí)現(xiàn)了多組學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，各組獨(dú)立協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱?、開挖，觀測及數(shù)據(jù)處理分析，進(jìn)而加深對礦壓理論的認(rèn)識(shí)和理解。

（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。實(shí)驗(yàn)課程之前，由實(shí)驗(yàn)老師給定某礦某工作面煤層賦存特征柱狀圖，將班級(jí)分成5個(gè)小組，每個(gè)小組成員相互協(xié)作完成相似模擬實(shí)驗(yàn)方案的制定，包括相似材料的配比方案、模型結(jié)構(gòu)觀測內(nèi)容及方法、開采范圍、速度及觀測要求、試驗(yàn)中的注意事項(xiàng)等內(nèi)容；在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)前由指導(dǎo)老師審閱核對修改。

（2）材料準(zhǔn)備。根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱及教學(xué)內(nèi)容指導(dǎo)書及學(xué)生分組情況，由實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一采購沙子、石膏、云母，準(zhǔn)備電子秤和靜態(tài)電阻應(yīng)變儀各5臺(tái)及自制電阻應(yīng)變式傳感器制作材料，實(shí)驗(yàn)室為教學(xué)自制準(zhǔn)備了5組長×寬×高為1.0 m×0.1 m×1.0 m的微型相似模擬架，既保證了實(shí)驗(yàn)的完整性又大大地降低了工作量；電阻應(yīng)變式傳感器包括電阻應(yīng)變片、接線端盤和導(dǎo)線，每個(gè)電阻應(yīng)變片含有2根應(yīng)變片引出線；在接線端盤將應(yīng)變片引出線和導(dǎo)線連接，導(dǎo)線長4 m，用于引出與靜態(tài)電阻應(yīng)變儀連接。

（3）模型制作。老師講解相似模型的原理及制作步驟后，對一些需要注意的點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)調(diào)，每個(gè)組組員自己分工協(xié)作完成制作過程。①根據(jù)方案制定的配比號(hào)，稱量相應(yīng)質(zhì)量的沙子、石膏及水?dāng)嚢杈鶆?，需要各組學(xué)生共同參與，相互協(xié)作；②將攪拌均勻的物料上架，用護(hù)板固定；③裝架到開采煤層時(shí)，參入墨汁用于標(biāo)識(shí)；④將自制應(yīng)變片傳感器埋入模型中；⑤裝架完成后，根據(jù)荷載計(jì)算，增加相應(yīng)的配重載荷。模型制作完成，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師對模型進(jìn)行審核并指示下次實(shí)驗(yàn)課的任務(wù)。

（4）模型開挖及觀測。模型制作完成后，老師向?qū)W生講解模型的開挖及觀測內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生將應(yīng)變片連接導(dǎo)線連接到靜態(tài)電阻應(yīng)變上，進(jìn)行開挖工作，在課堂上實(shí)現(xiàn)模型的第一次開挖及數(shù)據(jù)采集。獲知方法后，學(xué)生在課下繼續(xù)開挖，進(jìn)而自主完成開挖及觀測實(shí)驗(yàn)；通過直觀模型表面變化及數(shù)據(jù)采集分析，強(qiáng)化對礦壓理論的認(rèn)識(shí)，并通過自己思考分析產(chǎn)生這些變化和現(xiàn)象的原因，探索試驗(yàn)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤及不足之處，將自己對實(shí)驗(yàn)的操作及認(rèn)識(shí)，匯編成自己的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，作為實(shí)驗(yàn)成績考核標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

利用微型相似模擬架進(jìn)行礦壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)，豐富了教學(xué)內(nèi)容，減小了模型制作的工程量，降低了耗材，確保了實(shí)驗(yàn)的可行性，讓更多的學(xué)生參與其中，多了團(tuán)隊(duì)協(xié)作、研究思考和咨詢討論，拓寬了學(xué)生的視野。結(jié)論如下：（1）微型相似模擬實(shí)驗(yàn)架結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，實(shí)驗(yàn)室可提供足夠數(shù)量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，解決了實(shí)驗(yàn)資源不足的問題；（2）增加了礦山巖體運(yùn)移規(guī)律及壓力顯現(xiàn)規(guī)律的觀測這一部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，簡化了重疊實(shí)驗(yàn)課程；（3）教學(xué)方式由老師的演示實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變成學(xué)生導(dǎo)演并主演整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)多，工作量飽滿，學(xué)生不再感覺得無聊和多余；（4）考核方式不再是以往的同一組或整個(gè)班級(jí)提交同一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容報(bào)告的形式，而是探索試驗(yàn)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤及不足之處，將自己對實(shí)驗(yàn)的操作及認(rèn)識(shí)，匯編成自己的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。避免了抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告的現(xiàn)象，較好地反映出實(shí)驗(yàn)完成質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 張嘉勇，郭立穩(wěn).《礦山壓力》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革[J].河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2012（4）：30-33.

[2] 高召寧.《礦山壓力及其控制》課程教學(xué)方法探討[J].中國科技信息，2010（13）：220-221.