談礦業(yè)特色塑性力學創(chuàng)新實踐教學方法

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［摘要］針對當前塑性力學教學現狀和存在的問題，從培養(yǎng)在工程領域尤其是能源開發(fā)領域從事與力學相關的科學技術研發(fā)、工程設計及技術管理工作的高素質人才出發(fā)，制定具有礦業(yè)特色的塑性力學創(chuàng)新實踐教學目標，編寫囊括基礎理論和礦業(yè)工程實踐的塑性力學教材，實施合理的教學路徑，提高學生分析問題和解決問題的能力，豐富其工程實踐經驗，引領學生在更高層次上領略力學學科的魅力。

［關健詞］塑性力學；礦業(yè)特色；創(chuàng)新實踐；教學目標

塑性力學是固體力學的一個重要分支，是研究材料屈服條件、本構方程和各種塑性問題基本解法的一門專業(yè)核心課程，也是學習相關專業(yè)課程的基礎[1-3]。由于塑性力學基本概念的抽象性和復雜性，學生極易陷入脫離實際且不得要領的困惑當中，授課教師在教學過程中也會因缺乏成就感而喪失信心。但是，塑性力學理論不僅是研究金屬力學性能的基礎，也是解決采礦領域中的科學問題的重要手段，因此，塑性力學教學必須充分調動學生的主動性和積極性，從創(chuàng)新實踐教學角度入手，實施具有礦業(yè)特色的教學路徑，使學生從枯燥的概念和公式推導中解脫出來，才能實現教學相長的目的。本文根據作者近幾年的教學經驗以及科研成果，以塑性力學教學大綱為基礎，結合礦業(yè)領域的一些關鍵科學問題，探索了具有礦業(yè)特色的塑性力學創(chuàng)新教學方法思路、實施方案、實施路徑、教學實踐和教學效果，為相關學科的教學改革與實踐提供參考。

一、創(chuàng)新實踐教學方法思路

（一）教學現狀傳統(tǒng)塑性力學主要研究金屬材料的塑性特點[4-5]。由于塑性變形的復雜性，塑性求解不可避免地引入了大量的微分方程，對教師生動形象地教和學生積極主動地學提出一定的挑戰(zhàn)。當前許多高校都在針對塑性力學進行課程教學改革，取得了很好的教學效果[6-7]，但是仍然存在一些問題。1.塑性力學教材單一。當前普遍使用的塑性力學教材，大部分內容介紹的是金屬材料，但對煤或巖石等各向異性和非均質性材料，并不能直接套用金屬材料的相關結論，造成了無法將所學內容很好地應用到煤巖塑性研究當中。2.教學特色不鮮明。教材中的工程應用對相關工程領域中的科學問題沒有詳細剖析，無法體現本領域的主要特色。3.學生對塑性力學的重視程度不夠。學生無法明確課程在本領域中的定位，學習只能流于形式。學生上課聽講不認真，考核只能是對公式的死記硬背，考試結束后課程內容迅速被遺忘。4.學生難以學以致用。如果上述問題無法得到很好的解決，學生在今后應用塑性力學知識時就會有“書到用時方恨少”的感覺，更談不上靈活應用。針對塑性力學教學中存在的問題，作者實踐了具有礦業(yè)特色的塑性力學創(chuàng)新實踐教學方法，評價了教學效果。

（二）教學目標的定位及教學內容的修訂1.教學目標的定位。針對教學現狀，編寫具有礦業(yè)特色的塑性力學教材，制定教學大綱，確定創(chuàng)新實踐教學模式，使學生熟練掌握塑性力學基礎理論，熟悉解決礦業(yè)工程領域中科學問題的方法。2.教材編寫。工欲善其事必先利其器，教材的編寫分為基礎理論部分和應用實踐部分?；A理論部分主要介紹塑性基本理論；應用實踐部分融入礦業(yè)領域最新的科研成果，增加應用案例和實踐環(huán)節(jié)，使學生了解應用塑性力學解決礦業(yè)工程問題的方法，以期達到礦業(yè)特色鮮明的目的。3.教學大綱的修訂。教學大綱的基礎理論部分要求學生熟練掌握應力和應變分析、屈服條件的性質及應用、本構方程的建立等基本理論；應用實踐部分中增加若干礦業(yè)領域中巷道支護、頂板治理、沖擊地壓等于塑性力學相關的案例。

（三）教學方法實施的路徑1.課堂教學。課堂教學應積極采用引導式和互動式的教學方法，鼓勵學生獨立思考，獨立尋求問題的解法，最后教師給出正確答案，真正做到調動學生的主動性和積極性。2.礦業(yè)特色人文教育。依靠作者學校的地理優(yōu)勢和礦業(yè)學科特色，開設專業(yè)導論課，聘請國內外礦業(yè)領域的專家學者來校講學，重點講授力學發(fā)展史、力學人文教育、礦業(yè)特色人文教育、前沿科研成果等。要求學生和專家積極交流探討，對課堂教學的促進效果良好。3.結合全程本科生導師制和大學生創(chuàng)新項目。本科生導師制是作者學校深化本科人才培養(yǎng)模式改革，提高本科人才教育質量，提升本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)能力，推動本科教育內涵式發(fā)展的重要舉措[8]。大學生創(chuàng)新訓練項目可將學生引入實驗室并參與科研，培養(yǎng)學生的研究思維和動手能力[9]，潛移默化地引導學生形成完整的知識體系[10，11]。4.考核方式。合理的考核方式是引導學生主動學習的重要途徑[12]，是礦業(yè)特色塑性力學教學方法實施的最后一環(huán)。塑性力學采用課程考試、課堂考勤、課后作業(yè)和工程案例分析及答辯四項內容相結合的考核方式。課程考試主要考核學生基礎部分的學習情況，占最終成績的60%，考題以塑性力學基本知識點和基本問題求解為主。課堂考勤和課后作業(yè)各占最終成績的10%。工程案例分析及答辯主要考核學生應用部分的學習情況，是本項教學方法的重要考核內容，也是課堂教學和課后實踐的體現，占最終成績的20%。教師根據礦業(yè)工程案例給出若干題目，學生分組進行案例分析、撰寫報告并進行分組答辯。教師根據答辯情況給出該項考核的最終成績。綜上所述，具有礦業(yè)特色的塑性力學創(chuàng)新實踐教學方法的具體實施路徑可歸納為圖1。

二、創(chuàng)新實踐教學方法實踐

（一）實踐案例傳統(tǒng)塑性力學教材中厚壁圓筒的彈塑性應力和變形的求解，是采礦工程中巷道圍巖松動圈的理論基礎。事實上，這一理論是巷道掘進過程中松動圈探測、支護設計和加固的重要依據。作者在講解該部分內容時結合煤礦巷道圍巖松動圈研究成果[13]，詳細介紹了國內外關于松動圈探測的主要方法，并給出了巷道開掘后圍巖松動圈、塑性區(qū)和彈性區(qū)的定義，使學生能直觀地掌握現場應用和教材理論的區(qū)別和聯(lián)系（圖2）?？傊鲜鼋虒W實踐能夠直觀地告訴學生所學知識能找到用武之地，并且可以發(fā)表高水平學術論文。學生在開拓視野的同時，學會了主動思考和獨立思考。教師在教學過程中也能發(fā)揮專業(yè)特長，獲得成就感，享受教學帶來的樂趣。

（二）教學效果調查作者共邀請了力學專業(yè)31名本科生進行關于塑性力學教學的問卷調查。調查結果顯示，93.5%的學生認為塑性力學十分重要，90.3%的學生認識到課程具有很強的實用性；96.3%的同學熟練掌握了塑性基本理論，這和課程的考核結果相吻合。在塑性力學應用篇的學習中，77.4%的學生認為結合礦業(yè)特色的授課方式能夠提高自己的學習興趣，并且可以促進對基礎篇的掌握。但值得注意的是，仍有22.6%的學生暫時無法接受課堂上講解礦業(yè)工程案例，部分同學希望能夠結合巖土工程、結構工程或者安全工程等領域的案例來講解。由此可見，多數同學對于結合礦業(yè)特色的教學方式較為認同，課后80.6%的學生能夠解決簡單的塑性力學問題，71.0%的學生期望今后能主動學習和應用塑性力學知識。

三、結論

塑性力學教學忌諱照本宣科，更不能天馬行空。合理的教學方法是在熟練把握塑性基本理論的基礎上，結合專業(yè)特色進行拓展，從創(chuàng)新實踐教學角度入手，實施具有特色的教學路徑，使學生從枯燥的概念和公式推導中解脫出來，引領學生在更高層次上領略力學學科的魅力，使學生能夠更加專注于自己的專業(yè)。

參考文獻

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作者：王宏偉 徐碩 付佳卉 祝捷 鄧代新 單位：中國礦業(yè)大學