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[7,8,9]、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。

（三）构建了“课堂-实训-实验-工程”四维一体的数值仿真平台，形成了采矿创新能力培养的教研融合模式

基于采矿工程数值仿真程序的特性，购置了适用采矿工程教学版和科研版仿真程序，包括有限元（FLAC3d、RFPA3d、RFPA系列版本等）、离散元（3DEC、UDEC等）和颗粒元（PFC3D、PFC2D等）数值仿真软件9套[12]，购置了高性能数值仿真计算机60台套，建成了基于数值仿真的实训平台和科学研究实验室。构建了课堂学习、课内实训、课外实验和工程实践等全覆盖的数值仿真实验平台，为学生专业基础学习、数值仿真实操训练、创新能力培养提供了重要的平台支撑。

（四）设计了“三能一法”实践教学模块，形成了固本拓新的本-研贯通式实践能力培养机制

一直以来，课程团队把陕北侏罗系大煤田开发过程中涌现出的基于数值仿真分析的岩层控制新理论、新方法、新技术引入课堂；将西南、西北广泛赋存的多灾源复合的大倾角煤层岩层控制理论与技术案例引入课堂；将前沿的数值仿真研究技术和方法引入课堂。课程主讲教师始终关注西部煤炭开采过程中的数值仿真分析问题，并长期致力研究，实践经历丰富，完成的国家科技奖成果“大倾角煤层长壁综采理论与技术”和“浅埋煤层长壁开采岩层控制”，填补了岩层控制领域空白，奠定了学校两个鲜明的学科特色方向，形成了鲜明的课程特色。

图1 采矿工程多元数值仿真技术  

课程团队教师在对多元手段的数值仿真教学方法进行探索与实践期间，也开展了案例驱动的采矿工程“讲-演-做”多元数值仿真教学与实践，课程团队编制了采矿工程数值模拟讲义、入门案例程序库、实验指导书等，其中，共完成矿山岩层运移、冲击地压、边坡失稳、结构破坏、巷道破坏垮落、固液耦合、固气耦合及动力分析等十余个典型工程案例的编制工作，其与课程较强的实践属性适配性强，是实现知识内容由“实践-理论-实践”迁移应用的有效衔接，对学生的实操能力、逻辑思维、创新意识培养具有重要的支撑作用。上述各个模块应用于采矿工程数值仿真课程教学工作，现已完成了9届本科生、研究生的培养工作，并结合最新科研成果不断更新教学案例库，保障了学生学习和实践效果。

总之，基于采矿工程专业学生素质培养需求，课程团队融合多元数值仿真技术与专业知识体系，构建了贯通式、进阶性的基本仿真实操、典型案例实训、工程问题仿真的课内外实践模块，分层次、分批次培养本-研学生实践能力，本科生注重巩固专业知识、熟悉基础实操和逻辑思维能力的培养，研究生注重未知采矿规律探索和理论技术创新能力的培养，形成了强基础、促创新的进阶式实践能力培养机制。

三、采矿工程多元数值仿真教学实践效果

西安科技大学采矿工程多元数值仿真教学探索与实践历时17年，编著了采矿工程数值模拟课程教材、实验指导书、典型案例和教学程序，搭建了多元数值仿真课堂-采矿工程数值模拟实验室实践能力培养平台，打通了数值仿真教学课程学习与工程实践的“堵点”，取得了显著的教学实践效果。

（一）架构了教学与科研贯通的采矿工程多元数值教学体系

采矿工程多元数值仿真教学历时17年的探索与实践，编著了煤炭高等教育“十三五”规划教材《采矿工程数值模拟》1部，编制了采矿工程数值仿真课程教学与入门实训程序，编写了9个模拟仿真程序的实验指导书、编著了15个采矿工程数值模拟“复杂煤层采场岩层运动”典型案例库，形成了采矿工程数值模拟教学内容全覆盖，2014年以来，1 700余名本科生、研究生使用至今，本-研学生能熟练掌握专业知识和数值仿真方法开展复杂工程问题的认知和研究，课程考核优秀率和学生实操能力逐年提升。

（二）组建了一支高水平的数值仿真教研梯队

通过长期的教学科研实践，逐渐形成了采矿工程数值仿真教学科研梯队，团队现有教授3人、副教授5人、讲师1人、工程师1人，课程团队拥有陕西省高校青年创新团队1个，陕西省杰出青年科学基金1人、陕西青年科技新星4人，陕西高等学校青年教师教学竞赛一等奖1人，全国高等学校采矿工程专业青年教师讲课比赛一、二等奖3人，专业师资教学能力不断提升。具有国外访学交流经历3人、企业挂职锻炼6人，师资队伍的教研能力和国际视野不断提升。

（三）建成了创新实践能力培养的多元数值仿真实验平台

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，2007年以来，西安科技大学相继配置了适用采矿工程的教学版和科研版的有限元、离散元和颗粒元数值仿真软件9套，分别建成了数值仿真实训平台和采矿工程数值模拟实验室。通过长期的教学科研实践，课程团队教师主持参与相关省级、校级教改和实验室建设项目6项，在核心期刊等发表相关教改论文8篇。2008年以来，本科生、研究生在实验平台开展实训和科学研究等数值仿真项目1 000余项、2 000余人次，为解决近千余项复杂采矿工程理论与技术难题提供了重要支撑。

（四）开辟了采矿工程创新性人才培养新路径

多元数值仿真教研方法打通了课程学习与工程实践的“堵点”，本科生能够运用数值仿真方法认识采矿工程实际问题的内在原理，研究生能够熟练掌握数值仿真方法开展高水平科学研究，为采矿工程创新性人才培养开辟了有效路径。2014年以来，采矿工程本科生采用数值仿真方法取得的创新性成果获得了“互联网+”、“挑战杯”和全国采矿工程高等院校模型大赛奖励近100项。同时，多元数值仿真方法也成为研究生开展复杂采矿工程问题科学研究的重要手段，撰写了相关博硕士学位论文近200余篇，获省级优秀博士论文3篇、校级优秀博硕士论文20余篇，获省部级以上科技奖励10余项，培养了一批能从事科学研究和具备很强创新能力的矿业类人才。

四、结束语

西安科技大学采矿工程多元数值仿真教学探索与实践历时17年，组建了一支高水平的数值仿真教研团队，提出了基于复杂采矿工程问题的多元数值技术，编著了采矿工程数值模拟课程教材、实验指导书、典型案例和教学程序，建成了多元数值仿真课堂实训平台和多元数值仿真实验室等实践创新平台，打通了课程学习、研究创新与工程实践的“堵点”，本科生、研究生实践创新能力大幅提升，取得了显著的教学与科研成效，为学校特色学科发展提供了强力支撑。

参考文献:

[1]腾讯研究院,中国信息通信研究院互联网法律研究中心,腾讯AI,等.人工智能[M].北京:中国人民大学出版社,2017:499.

[3]钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[4]王红伟,伍永平,解盘石,等.新工科背景下煤矿智能开采“金课”设计与实践探索[J].高教学刊,2020(17):115-118.

[5]高喜才,伍永平,解盘石,等.西部采矿工程专业校企协同创新型人才培养模式的构建与实践[J].高教学刊,2021,7(32):159-162.

[6]李鹏博,解盘石,李瑞斌,等.多元数值仿真技术在开采研究中的应用[J].陕西煤炭,2011,30(2):53-55.

[11]解盘石,伍永平.多元数值仿真技术在采矿工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2013,30(3):89-91.

[12]解盘石.采矿工程“讲-演-做”多元数值模拟教学与实践[J].教育教学论坛,2018(37):149-150.

基金资助:2016年度西安科技大学教育教学改革与研究项目“采矿工程多元数值模拟教学方法研究与实践”(JG14013);2018年度教育部首批新工科研究与实践项目(地方高校组)“面向煤炭开采转型升级与未来发展的采矿工程专业改造路径探索”(教高厅函[2018]17号);2023年西安科技大学“本科生教学案例库”项目“科研成果转化《岩土工程数值分析》教学典型案例”(ALKYZH23021);

文章来源:解盘石,王红伟,高喜才,等.采矿工程本研贯通多元数值仿真教学体系探索[J].高教学刊,2024,10(21):5-8.