基于微型相似模拟架的矿压实验教学研究

庞冬冬

摘 要：结合矿压实验教学中的现状及不足，提出了用自制微型相似模拟架进行矿压实验教学，减小了实验模型制作的工程量，降低了实验耗材，丰富了矿压实验的教学内容，简化了实验教学的重叠部分，提高了学生的主动参与性，增强了学生的动手及协作配合能力，提高了实验教学效率。

关键词：实验教学 相似模拟 矿压

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）07（c）-0173-02

实验课程教学是课程教学体系中不可或缺的部分，是学生从“纸上谈兵”到“现场实践”的转变过程。然而，由于学生的数量多而实验室设备及环境资源不足，导致了实验教学内容的简化和删减，大大抑制了学生的创新探索和动手实践能力。矿压课程是采矿专业学生的必修课程，其实验教学是必不可少的环节，但由于矿压实验教学课时安排不足、实验内容不完善、教学方式不合理、实验设备资源不足，导致了实验教学的效果不理想，因此，矿压实验课程教学必须另辟蹊径[1，2]。

1 矿压实验教学现状及存在的问题

矿压实验教学长期以来没有很好地进行改进与创新，导致过去很多年仍采用传统的岩石物理力学性能测试、支护体设备力学性能测试、常用矿压监测监控设备使用方法及传感器的标定等内容。随着学生对新知识、新方法的探索需求，这些实验内容已不能完全满足学生的需求。现阶段矿压实验教学主要存在以下几个方面的问题。

（1）实验条件资源不够完善。随着矿压实验教学课时的压缩，而矿压测试设备及技术方法不断地更新进步，实验教学内容在不断地增加，现有的实验课时已满足不了要求，因此，对实验课程的教学质量有很大影响；学生人数多，实验成套设备少，导致了实验操作分组不能过细，学生没有充分动手实践的机会，进而将实验实践课程演变成了学生在看实验演示过程，很难有好的教学效果。

（2）实验教学内容不够全面。之前，矿压实验教学内容主要包含岩石的物理力学性能测试、支护体的类型及力学性质测试、常用矿压观测仪器设备使用方法及标定等。这些内容都是矿压实验课程必不可少的，但是，部分内容与其他课程实验内容有重叠，如岩石的物理力学性能测试实验与《矿山岩体力学》的实验课程内容重复，矿压观测仪器设备使用方法及标定与《矿山压力监测监控技术》实验课程内容有重叠；此外，原有实验教学内容还欠缺采场矿压岩层移动规律、矿压显现现象以及演变特征观测等内容，故整个实验教学内容不够全面完善。

（3）实验教学方式不够合理。由于矿山压力与岩层控制实验课程需要配套的设备、种类及数量都很多，实验室目前尚不能提供足够数量的成套实验设备，带来的问题是：在短短的两堂课时间，在讲解完实验课程后，在成套实验设备仪器不足的情况下，一次性完成实验操作练习是不现实的，需分组轮流进行实验，在前一组学生做实验的时候，其他学生只能等着，大大地降低了学生的积极性，很多情况下教师采用统一操作演示的方式进行教学，将学生实验变成了老师演示实验，或是只有少数人参与的实验过程，其他人在观看过程中插不上手，觉得无聊和多余，达不到实验教学目的。

（4）学生重视及参与程度不够。鉴于矿压实验教学学时少、人数多、教学环境复杂、不单独计入考核成绩，学生感觉来不来上课都行，最后交个实验报告就能完成任务，这种现象究其原因为考核方式的不够合理，实验课程教学成绩只占很小的一部分，导致了大多教学生重理论轻实验的现象，学生的重视程度下降，而在实验课程考核中，考核结果不能反映出学生的真实学习成果，大大地降低了学生的积极性，也造成了学生对实验课程的重视程度与参与度不高。

2 微型相似模拟架在矿压教学中的应用

相似模拟实验是研究矿压显现规律、上覆岩层移动规律及现象的重要手段，主要用在研究生论文中，为了丰富本科生的实验教学内容，让学生更多地掌握矿压现象规律研究方法手段，实验室采用在保留原有核心实验教学内容同时，将相似模拟实验填充到矿压实验教学中，简化以往与其他专业实验课程有重叠的实验部分项目，拓展学生的视野，让学生更多地参与到试验中，但常用的科研用相似模拟实验架尺寸偏大，模型制作周期长，耗材大，与实际实验教学情况不符，实验室通过自制微型相似模拟实验架的制作，减小了模型制作周期，实现了多组学生同时进行实验，各组独立协作完成实验模型的制作、开挖，观测及数据处理分析，进而加深对矿压理论的认识和理解。

（1）实验教学方案。实验课程之前，由实验老师给定某矿某工作面煤层赋存特征柱状图，将班级分成5个小组，每个小组成员相互协作完成相似模拟实验方案的制定，包括相似材料的配比方案、模型结构观测内容及方法、开采范围、速度及观测要求、试验中的注意事项等内容；在实验课程教学前由指导老师审阅核对修改。

（2）材料准备。根据实验教学大纲及教学内容指导书及学生分组情况，由实验室统一采购沙子、石膏、云母，准备电子秤和静态电阻应变仪各5台及自制电阻应变式传感器制作材料，实验室为教学自制准备了5组长×宽×高为1.0 m×0.1 m×1.0 m的微型相似模拟架，既保证了实验的完整性又大大地降低了工作量；电阻应变式传感器包括电阻应变片、接线端盘和导线，每个电阻应变片含有2根应变片引出线；在接线端盘将应变片引出线和导线连接，导线长4 m，用于引出与静态电阻应变仪连接。

（3）模型制作。老师讲解相似模型的原理及制作步骤后，对一些需要注意的点进行强调，每个组组员自己分工协作完成制作过程。①根据方案制定的配比号，称量相应质量的沙子、石膏及水搅拌均匀，需要各组学生共同参与，相互协作；②将搅拌均匀的物料上架，用护板固定；③装架到开采煤层时，参入墨汁用于标识；④将自制应变片传感器埋入模型中；⑤装架完成后，根据荷载计算，增加相应的配重载荷。模型制作完成，实验指导老师对模型进行审核并指示下次实验课的任务。

（4）模型开挖及观测。模型制作完成后，老师向学生讲解模型的开挖及观测内容，指导学生将应变片连接导线连接到静态电阻应变上，进行开挖工作，在课堂上实现模型的第一次开挖及数据采集。获知方法后，学生在课下继续开挖，进而自主完成开挖及观测实验；通过直观模型表面变化及数据采集分析，强化对矿压理论的认识，并通过自己思考分析产生这些变化和现象的原因，探索试验中出现的错误及不足之处，将自己对实验的操作及认识，汇编成自己的实验报告，作为实验成绩考核标准。

3 结论

利用微型相似模拟架进行矿压实验教学，丰富了教学内容，减小了模型制作的工程量，降低了耗材，确保了实验的可行性，让更多的学生参与其中，多了团队协作、研究思考和咨询讨论，拓宽了学生的视野。结论如下：（1）微型相似模拟实验架结构简单，价格便宜，实验室可提供足够数量的实验设备，解决了实验资源不足的问题；（2）增加了矿山岩体运移规律及压力显现规律的观测这一部分实验内容，简化了重叠实验课程；（3）教学方式由老师的演示实验转变成学生导演并主演整个实验过程，实验环节多，工作量饱满，学生不再感觉得无聊和多余；（4）考核方式不再是以往的同一组或整个班级提交同一个实验内容报告的形式，而是探索试验中出现的错误及不足之处，将自己对实验的操作及认识，汇编成自己的实验报告。避免了抄袭实验报告的现象，较好地反映出实验完成质量。

参考文献

[1] 张嘉勇，郭立稳.《矿山压力》课程实验教学方法改革[J].河北联合大学学报：社会科学版，2012（4）：30-33.

[2] 高召宁.《矿山压力及其控制》课程教学方法探讨[J].中国科技信息，2010（13）：220-221.