談礦業(yè)特色塑性力學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方法

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［摘要］針對(duì)當(dāng)前塑性力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問題，從培養(yǎng)在工程領(lǐng)域尤其是能源開發(fā)領(lǐng)域從事與力學(xué)相關(guān)的科學(xué)技術(shù)研發(fā)、工程設(shè)計(jì)及技術(shù)管理工作的高素質(zhì)人才出發(fā)，制定具有礦業(yè)特色的塑性力學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)，編寫囊括基礎(chǔ)理論和礦業(yè)工程實(shí)踐的塑性力學(xué)教材，實(shí)施合理的教學(xué)路徑，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，豐富其工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，引領(lǐng)學(xué)生在更高層次上領(lǐng)略力學(xué)學(xué)科的魅力。

［關(guān)健詞］塑性力學(xué)；礦業(yè)特色；創(chuàng)新實(shí)踐；教學(xué)目標(biāo)

塑性力學(xué)是固體力學(xué)的一個(gè)重要分支，是研究材料屈服條件、本構(gòu)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(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課程的基礎(chǔ)[1-3]。由于塑性力學(xué)基本概念的抽象性和復(fù)雜性，學(xué)生極易陷入脫離實(shí)際且不得要領(lǐng)的困惑當(dāng)中，授課教師在教學(xué)過程中也會(huì)因缺乏成就感而喪失信心。但是，塑性力學(xué)理論不僅是研究金屬力學(xué)性能的基礎(chǔ)，也是解決采礦領(lǐng)域中的科學(xué)問題的重要手段，因此，塑性力學(xué)教學(xué)必須充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，從創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)角度入手，實(shí)施具有礦業(yè)特色的教學(xué)路徑，使學(xué)生從枯燥的概念和公式推導(dǎo)中解脫出來，才能實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長的目的。本文根據(jù)作者近幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及科研成果，以塑性力學(xué)教學(xué)大綱為基礎(chǔ)，結(jié)合礦業(yè)領(lǐng)域的一些關(guān)鍵科學(xué)問題，探索了具有礦業(yè)特色的塑性力學(xué)創(chuàng)新教學(xué)方法思路、實(shí)施方案、實(shí)施路徑、教學(xué)實(shí)踐和教學(xué)效果，為相關(guān)學(xué)科的教學(xué)改革與實(shí)踐提供參考。

一、創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方法思路

（一）教學(xué)現(xiàn)狀傳統(tǒng)塑性力學(xué)主要研究金屬材料的塑性特點(diǎn)[4-5]。由于塑性變形的復(fù)雜性，塑性求解不可避免地引入了大量的微分方程，對(duì)教師生動(dòng)形象地教和學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)提出一定的挑戰(zhàn)。當(dāng)前許多高校都在針對(duì)塑性力學(xué)進(jìn)行課程教學(xué)改革，取得了很好的教學(xué)效果[6-7]，但是仍然存在一些問題。1.塑性力學(xué)教材單一。當(dāng)前普遍使用的塑性力學(xué)教材，大部分內(nèi)容介紹的是金屬材料，但對(duì)煤或巖石等各向異性和非均質(zhì)性材料，并不能直接套用金屬材料的相關(guān)結(jié)論，造成了無法將所學(xué)內(nèi)容很好地應(yīng)用到煤巖塑性研究當(dāng)中。2.教學(xué)特色不鮮明。教材中的工程應(yīng)用對(duì)相關(guān)工程領(lǐng)域中的科學(xué)問題沒有詳細(xì)剖析，無法體現(xiàn)本領(lǐng)域的主要特色。3.學(xué)生對(duì)塑性力學(xué)的重視程度不夠。學(xué)生無法明確課程在本領(lǐng)域中的定位，學(xué)習(xí)只能流于形式。學(xué)生上課聽講不認(rèn)真，考核只能是對(duì)公式的死記硬背，考試結(jié)束后課程內(nèi)容迅速被遺忘。4.學(xué)生難以學(xué)以致用。如果上述問題無法得到很好的解決，學(xué)生在今后應(yīng)用塑性力學(xué)知識(shí)時(shí)就會(huì)有“書到用時(shí)方恨少”的感覺，更談不上靈活應(yīng)用。針對(duì)塑性力學(xué)教學(xué)中存在的問題，作者實(shí)踐了具有礦業(yè)特色的塑性力學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方法，評(píng)價(jià)了教學(xué)效果。

（二）教學(xué)目標(biāo)的定位及教學(xué)內(nèi)容的修訂1.教學(xué)目標(biāo)的定位。針對(duì)教學(xué)現(xiàn)狀，編寫具有礦業(yè)特色的塑性力學(xué)教材，制定教學(xué)大綱，確定創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式，使學(xué)生熟練掌握塑性力學(xué)基礎(chǔ)理論，熟悉解決礦業(yè)工程領(lǐng)域中科學(xué)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(chǔ)理論部分和應(yīng)用實(shí)踐部分。基礎(chǔ)理論部分主要介紹塑性基本理論；應(yīng)用實(shí)踐部分融入礦業(yè)領(lǐng)域最新的科研成果，增加應(yīng)用案例和實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生了解應(yīng)用塑性力學(xué)解決礦業(yè)工程問題的方法，以期達(dá)到礦業(yè)特色鮮明的目的。3.教學(xué)大綱的修訂。教學(xué)大綱的基礎(chǔ)理論部分要求學(xué)生熟練掌握應(yīng)力和應(yīng)變分析、屈服條件的性質(zhì)及應(yīng)用、本構(gòu)方程的建立等基本理論；應(yīng)用實(shí)踐部分中增加若干礦業(yè)領(lǐng)域中巷道支護(hù)、頂板治理、沖擊地壓等于塑性力學(xué)相關(guān)的案例。

（三）教學(xué)方法實(shí)施的路徑1.課堂教學(xué)。課堂教學(xué)應(yīng)積極采用引導(dǎo)式和互動(dòng)式的教學(xué)方法，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考，獨(dú)立尋求問題的解法，最后教師給出正確答案，真正做到調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性。2.礦業(yè)特色人文教育。依靠作者學(xué)校的地理優(yōu)勢和礦業(yè)學(xué)科特色，開設(shè)專業(yè)導(dǎo)論課，聘請(qǐng)國內(nèi)外礦業(yè)領(lǐng)域的專家學(xué)者來校講學(xué)，重點(diǎn)講授力學(xué)發(fā)展史、力學(xué)人文教育、礦業(yè)特色人文教育、前沿科研成果等。要求學(xué)生和專家積極交流探討，對(duì)課堂教學(xué)的促進(jìn)效果良好。3.結(jié)合全程本科生導(dǎo)師制和大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目。本科生導(dǎo)師制是作者學(xué)校深化本科人才培養(yǎng)模式改革，提高本科人才教育質(zhì)量，提升本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)能力，推動(dòng)本科教育內(nèi)涵式發(fā)展的重要舉措[8]。大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目可將學(xué)生引入實(shí)驗(yàn)室并參與科研，培養(yǎng)學(xué)生的研究思維和動(dòng)手能力[9]，潛移默化地引導(dǎo)學(xué)生形成完整的知識(shí)體系[10，11]。4.考核方式。合理的考核方式是引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的重要途徑[12]，是礦業(yè)特色塑性力學(xué)教學(xué)方法實(shí)施的最后一環(huán)。塑性力學(xué)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(xiàng)內(nèi)容相結(jié)合的考核方式。課程考試主要考核學(xué)生基礎(chǔ)部分的學(xué)習(xí)情況，占最終成績的60%，考題以塑性力學(xué)基本知識(shí)點(diǎn)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(xué)生應(yīng)用部分的學(xué)習(xí)情況，是本項(xiàng)教學(xué)方法的重要考核內(nèi)容，也是課堂教學(xué)和課后實(shí)踐的體現(xiàn)，占最終成績的20%。教師根據(jù)礦業(yè)工程案例給出若干題目，學(xué)生分組進(jìn)行案例分析、撰寫報(bào)告并進(jìn)行分組答辯。教師根據(jù)答辯情況給出該項(xiàng)考核的最終成績。綜上所述，具有礦業(yè)特色的塑性力學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方法的具體實(shí)施路徑可歸納為圖1。

二、創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方法實(shí)踐

（一）實(shí)踐案例傳統(tǒng)塑性力學(xué)教材中厚壁圓筒的彈塑性應(yīng)力和變形的求解，是采礦工程中巷道圍巖松動(dòng)圈的理論基礎(chǔ)。事實(shí)上，這一理論是巷道掘進(jìn)過程中松動(dòng)圈探測、支護(hù)設(shè)計(jì)和加固的重要依據(jù)。作者在講解該部分內(nèi)容時(shí)結(jié)合煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈研究成果[13]，詳細(xì)介紹了國內(nèi)外關(guān)于松動(dòng)圈探測的主要方法，并給出了巷道開掘后圍巖松動(dòng)圈、塑性區(qū)和彈性區(qū)的定義，使學(xué)生能直觀地掌握現(xiàn)場應(yīng)用和教材理論的區(qū)別和聯(lián)系（圖2）?？傊鲜鼋虒W(xué)實(shí)踐能夠直觀地告訴學(xué)生所學(xué)知識(shí)能找到用武之地，并且可以發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文。學(xué)生在開拓視野的同時(shí)，學(xué)會(huì)了主動(dòng)思考和獨(dú)立思考。教師在教學(xué)過程中也能發(fā)揮專業(yè)特長，獲得成就感，享受教學(xué)帶來的樂趣。

（二）教學(xué)效果調(diào)查作者共邀請(qǐng)了力學(xué)專業(yè)31名本科生進(jìn)行關(guān)于塑性力學(xué)教學(xué)的問卷調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示，93.5%的學(xué)生認(rèn)為塑性力學(xué)十分重要，90.3%的學(xué)生認(rèn)識(shí)到課程具有很強(qiáng)的實(shí)用性；96.3%的同學(xué)熟練掌握了塑性基本理論，這和課程的考核結(jié)果相吻合。在塑性力學(xué)應(yīng)用篇的學(xué)習(xí)中，77.4%的學(xué)生認(rèn)為結(jié)合礦業(yè)特色的授課方式能夠提高自己的學(xué)習(xí)興趣，并且可以促進(jìn)對(duì)基礎(chǔ)篇的掌握。但值得注意的是，仍有22.6%的學(xué)生暫時(shí)無法接受課堂上講解礦業(yè)工程案例，部分同學(xué)希望能夠結(jié)合巖土工程、結(jié)構(gòu)工程或者安全工程等領(lǐng)域的案例來講解。由此可見，多數(shù)同學(xué)對(duì)于結(jié)合礦業(yè)特色的教學(xué)方式較為認(rèn)同，課后80.6%的學(xué)生能夠解決簡單的塑性力學(xué)問題，71.0%的學(xué)生期望今后能主動(dòng)學(xué)習(xí)和應(yīng)用塑性力學(xué)知識(shí)。

三、結(jié)論

塑性力學(xué)教學(xué)忌諱照本宣科，更不能天馬行空。合理的教學(xué)方法是在熟練把握塑性基本理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合專業(yè)特色進(jìn)行拓展，從創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)角度入手，實(shí)施具有特色的教學(xué)路徑，使學(xué)生從枯燥的概念和公式推導(dǎo)中解脫出來，引領(lǐng)學(xué)生在更高層次上領(lǐng)略力學(xué)學(xué)科的魅力，使學(xué)生能夠更加專注于自己的專業(yè)。

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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(xué)