地方应用型高校采矿工程专业实践教学探索

摘"要：通过分析地方应用型高校采矿工程专业实践教学中存在的问题，初步探索知行耦合、融通育人的采矿工程专业实践教学新范式：以应用能力为主线，提出面向一线采矿工程师人才培养的实践教学体系架构；以工程问题为导向，构建模块化实践教学体系；以知难行易为基础，设计多维度过程性考核评价方法；以学生发展为中心，探索专业课程课内实践、实习实训仿真实践、毕业设计创新实践。该实践教学新范式对于激发学生学习兴趣、提升学生实践应用能力、助推教师实践教学改革起到良好的作用。关键词：采矿工程；地方应用型高校；实践教学；一线采矿工程师；虚拟仿真；实习实训；毕业设计0"引言加强应用型高校建设是中共中央、国务院引导部分地方普通本科高校向应用型高校转变的重大决策部署。通过地方高校应用型转型，深化产教融合、校企合作，推进人才培养模式改革，融入区域经济社会发展[1]。与研究型高校不同，地方应用型高校旨在培养具有较强社会适应能力和竞争能力的高素质应用型人才，紧密结合地方特色，注重学生的实践能力[2]。地方应用型高校采矿工程专业人才培养的主要目标是培养面向现代化矿山企业工程技术需求的一线采矿工程师。目前，地方院校采矿工程专业实践教学普遍以模型讲解为主，少有让学生动手操作的环节；虚拟仿真课程固化严重，考核知识点有限；专业核心课程设置独立，知识交叉度不够[3]；课内实践较少，课后作业未能反映现代采矿工程技术现状[4]；现有实习由于经费、安全、管理等限制，在煤矿井下走马观花式地参观，互动性弱，导致学生缺乏工程意识，综合实践能力欠缺。同时，本科课程排得较满，学生自由学习、主动思考、动手实践的时间较少，这与国外高校存在较大差异[5]。随着煤矿智能化升级加速，智能+采矿多学科交叉明显，现代化矿山企业对毕业生的工程实践能力要求更高，对地方应用型高校采矿工程专业人才培养提出更大的挑战。为切实提高采矿工程专业实践教学质量，培养煤炭行业需要的高素质应用型人才[6]，本文以山西大同大学为例，探讨地方应用型高校采矿工程专业实践教学体系构建，探索专业课程课内实践、实习实训仿真实践和毕业设计创新实践，以期为类似条件下的工科专业实践教学提供借鉴和参考。1"采矿工程专业简介山西大同大学采矿工程专业的前身是始建于1951年的大同煤炭工业学校采煤班，旨在为煤炭企业基层培养技术人员和管理人员，历经70多年的时代变迁，为我国煤炭行业培养了大批杰出人才，具备较为雄厚的学科基础和较为完善的课程体系。山西大同大学2018年获批资源与环境（矿业工程）工程硕士学位授权点并于2019年开始招生，2019年获批采矿工程省级一流专业，2021年成为山西省首批高水平应用型本科高校，2021年获批山西省“1331工程”智能采矿装备产业技术创新研究院（产业学院），2022年获批智能采矿工程新专业并于同年招生。山西大同大学煤炭工程学院薪火相传，扎根山西，服务转型发展，结合地方应用型高校办学特色，全面深化应用型专业内涵建设。采矿工程是一门系统性、专业性、实践性极强的专业，具有学科交叉、行业交融的特点，涉及地质、力学、采矿、安全、机械、电气、计算机、经济、管理等，知识结构庞杂、系统体系耦合，实践教学环节对于采矿工程人才培养至关重要[7]。一直以来，该专业具有深厚的产教融合办学传统。早在20世纪90年代，围绕以能力培养为中心的教学体系构建，学校积极开展能力本位教育（CBE，Compe-tencyBasedEducation）教学改革试点，参加“职业技术教育模式与课程开发”国际研讨会，提交《大同煤炭工业学校CBE教改专集》和两篇学术论文并受到高度评价。近年来，采矿工程专业以成果导向教育（OBE，OutcomeBasedEducation）理念为指导，开展大量的积极探索，努力构建基于应用能力培养的实践教学新范式。2"实践教学体系构想2.1"实践教学体系架构采矿工程专业的学生不仅要学习科学的采矿技能，经济、安全、高效地采出煤炭资源的方法，而且要学会与矿产资源文明相处，加大对矿产生态系统的保护力度，大力推进生态文明建设。因此，采矿工程实践应帮助学生树立大工程观和大系统观，以现场工程问题为导向，系统性地将各学科理论知识交叉融合，在实践、认识、再实践、再认识的循环往复中获取知识[8]。围绕应用型工科专业实践性强的特点，建立面向一线采矿工程师人才培养的实践教学体系架构，如图1所示。坚持立德树人、德育为先的教育宗旨，重构工程育人价值体系，挖掘中华优秀传统文化，在实践中贯彻自觉自信、团结协作、精益求精、人文情怀等理念和精神。秉承孙中山先生提出的“知难行易”学说，重视“以行求知，因知以进行”的理念，理论与实践相互促进，实现知与行交互耦合作用。对学生循循善诱、因材施教、应机施教，不愤不启、不悱不发，充分激发学生动手实践的兴趣。以学生工程能力、应用能力、创新能力、适变能力培养为主线，形成知行耦合、融通育人的理念，融入智能采矿工程特质，以产业需求为依归，探索思政元素与实践教学、课程知识与动手操作、学校教育与企业环境的融通方式，实现模块化课程群资源重构和融通式实践教学体系构建[9]。强化多主体参与、多学科融合，促进全流程实习实践，加强全息过程考核评价，以能力培养为主线，架起知识点与能力点的桥梁，实现从知识传授向能力培养和素质提升转变，构建面向地方应用型人才需求的全方位育人新体系。将采矿工程人才培养方案中的课程按照大类进行划分，可分为通识模块、数学模块、机电模块、力学模块、地质模块、采矿模块六大模块化课程群。每个模块化课程群均设置一定的主题讨论、课程测试、课程设计等实践环节，实践内容贴合工程实际，实践时机恰到好处，达到学生学用结合、知行耦合的目的。2.2"模块化实践教学构建为满足地方应用型一线采矿工程师人才培养的需要，按照课程群的实践属性，以工程问题为导向，构建采矿工程专业模块化实践教学体系，如图2所示，包括四个大模块、八个子模块、35个课程（实践项目）模块。四个大模块指基础实践模块、专业实践模块、综合实践模块和创新实践模块。八个子模块指数理实验、机电设计、地测实习、采矿通风设计、采矿集中实习、综合设计、创新竞赛和学术活动。其中，数理实验主要包括物理实验、岩石力学试验、编程实验、电工电子实验、金工实习等；机电设计主要包括工程制图、机械设计、矿山供电设计、采矿CAD等；地测实习主要包括井下导线测量实习、煤矿地质实习、煤矿地质设计、井巷工程设计等；采矿通风设计主要包括矿井通风设计、采煤工艺设计、巷道布置设计、采掘设备操作、矿压设备操作等；采矿集中实习主要包括采矿认识实习、采矿生产实习、采矿毕业实习等；综合设计主要包括锚喷支护施工工艺虚拟仿真实验、采矿模型制作、煤矿安全开采虚拟仿真实验、采矿虚拟仿真资源开发、采矿工程数值模拟案例等；创新竞赛主要包括采矿实践作品大赛、AI模型大赛、采矿技能大赛、“大创”项目、“互联网+”大赛等；学术活动主要包括参与科研小分队、参与导师课题组、发表学术论文、申请专利等。在知行耦合、融通育人理念指导下，以工程能力、应用能力、创新能力、适变能力培养为核心，厘清各课程模块实践教学目标，开发典型项目或专题，丰富实践教学案例库，录制现场场景教学视频，制作虚拟仿真专题模块，实施采矿实践作品大赛、环保创意大赛、安全知识竞赛、特色假期实践、全员“大创”项目、职业技能大赛等，构建“实验—实训—实战”渐进式全过程实践教学体系[10]。同时，为保障实践教学改革顺利开展，创新实践教学资源开发管理模式，运用体制机制的力量，鼓励师生积极参与实践教学。实施全员、全程本科生导师制，为学生提供专业性、前瞻性的学术指导。建设竞合关系的协作式基层课程组，充分研讨论证实践教学项目的可行性和科学性。利用课内与课外、线上与线下、校内与校外多源资源，加大产教融合力度，挖掘校企合作潜力，将现场课题带到课堂教学，激发学生的探究式学习兴趣。从制度上鼓励校内教师到实训基地、企业和基层开展技术创新、科技攻关、产品开发、成果转化、技能培训等，其服务成效纳入年度绩效考核体系，作为职称评审和职务晋升的重要支撑；完善科技领军人才、高素质技能人才年薪制等；设立实验人员技能津贴、班组长津贴、带徒津贴等；引导实训基地企业开展工程系列职称评聘改革，将教师在实训基地承担的相关工作纳入考核体系，以此最大化地满足采矿工程实践教学需求。2.3"多维度过程考核评价以“知难行易”为基础，在实践中认识原理，强化全过程控制的课程考核，积极探索多维度过程性考核评价方法。从考核评价内容上讲，实现从期末考试客观题为主到全过程评价、开放式答题的转变，从标准答案、知识记忆为重点的价值取向上升到强调学生能力的发展上；从考核评价方式上讲，实现从考试为主到课堂讨论、作业、实践、考试等多样化评价方式的转变，过程性考核占比扩大至40%～70%，包括作业、讨论、专题测试、期中考试、课程设计等，将面向知识和结果的评价转变为交会式、及时性、过程性评价；从考核评价主体上讲，实现从教师评价为主到学生自评、学生互评和教师评价的转变，自评、互评、师评结合，自主设计命题测试，实施课前、课中、课后评价，促进不同时空下的师生互动，突出过程性评价和多角色评价[11]。通过多维度过程性考核探索，强调过程性考核和能力考核，提高对学生实践过程考核的比重，突出对学生应用能力和综合素质的考核，全方位考查学生综合应用知识的能力和解决实际问题的能力以及合作能力、表达能力、交流能力等综合素养，培养人格健全、基础扎实、工程实践能力强的高素质应用型人才。3"实践教学初步探索3.1"专业课程课内实践采用大系统观将采矿工程专业课程进行划分，可以分为采煤系统、掘进系统、机电系统、运输系统、通风系统、排水系统六大系统。围绕采矿学、矿山压力与岩层控制两门专业核心课程，以情境式工程问题为核心，创新实践内容设计，编制采矿学实验指导书、矿山压力与岩层控制实验指导书。针对煤矿各工种需求，围绕岗位工人操作、专业技能训练等，开发省级精品实践课程采矿学（采矿工程技术）。加大产教融合力度，挖掘校企合作潜力，将现场课题带到课堂教学，激发学生探究式学习兴趣，校企合作编制《智能采矿工作面安全操作规程》，能够使学生对智能化工作面各工种设备、工艺和操作有全面的了解。围绕专业课程课内实践，积极采用新手段和新方法，更新实验教学项目，强化结构逻辑性，加大实践课时比重，突出工程应用能力的培养[12]。以矿山压力与岩层控制为例，将授课内容调整优化为矿山岩体力学、采场矿压显现与控制、巷道矿压显现与控制、煤矿冲击地压防治四大教学模块，下设若干专题。采用国内外优秀虚拟仿真软件模拟获得采场和巷道围岩应力场、位移场、塑性区和偏应力场分布，让学生可以直观判断导水裂隙带和底板破坏深度的位置以及围岩应力集中分布规律。结合现场工程背景，设置采场支架选型、巷道支护设计、矿压观测设计、煤岩冲击危险性评价等四项专题实践，共计八个学时。从基本条件给定、方案选择、结论给出到小组汇报、交互打分等，让学生全过程主动参与，培养学生解决实际矿山压力与岩层控制工程问题的能力。又如现代采矿工程案例课程实践教学中，有关开拓方式、准备方式和回采方法的内容均以真实的矿井工程图纸进行案例教学，穿插进行情境式工程设计，设计内容、测试知识能力点和主要支撑的课程目标详如表1所示。该课程共计40课时，其中实践教学有20课时，占总课时的一半，旨在给学生更多自由学习和独立思考的时间。课程考核注重过程控制，考核方式多元化，过程性考核以专题测试（25%，五次）和小组实践（10%，两次）为主，以作业（10%）和课堂讨论（5%）为辅，期末考试（50%）以真实采矿工程图纸的识图、绘图为主，从而大大激发学生的学习兴趣，增强学生学以致用的能力。3.2"实习实训仿真实践3.2.1"模型仿真山西大同大学采矿工程专业模型仿真实验室主要包括矿山开采模型、采煤方法模型、综采工艺模拟、综掘工艺模拟、矿井通风模拟、煤层气抽采模拟等实验室，为学生实习实训提供重要支撑。1）矿山开采模型采用声、光、电等现代化技术，形象展现现代化矿井地面工业广场、生产系统、井田开拓、采准巷道布置和空间关系，能够演示综采工作面、掘进工作面、主副井提升、轨道运输、皮带运输等工作过程，形象展示运煤系统、通风系统、瓦斯抽放系统、排水系统、运料系统的运转情况等。2）采煤方法模型主要包括单一煤层走向长壁采煤法、单一煤层倾斜长壁采煤法、煤层群倾斜长壁采煤法、厚煤层倾斜长壁采煤法、厚煤层分层同采采煤法、急倾斜单一煤层采煤法、伪倾斜柔性掩护支架采煤法等。3）综采工艺模拟全面展示综采工作面各设备的布置形式、连接关系和运转过程，包括采煤机割煤、刮板输送机和胶带输送机运煤与支架移架过程等。4）综掘工艺模拟全面展示梯形巷道锚网支护综掘面设备的布置形式、设备之间的连接关系、风电瓦斯电闭锁的工作原理和各设备的运转过程。5）矿井通风模拟直观显示矿井通风系统、通风设备设施、综合防尘等，能够模拟监测巷道瓦斯、氧气、一氧化碳浓度，风速、负压等参数变化，矿井反风系统运作等。6）煤层气抽采模拟形象展示矿井本煤层抽采、临近层抽采、采空区抽采和围岩抽采等方法。3.2.2"虚拟仿真煤矿开采与安全虚拟仿真创新实训中心采用LED高清立体沉浸式展示，多人协作VR虚拟仿真，实现井下生产过程、灾害事故的3D逼真展示和人机交互，丰富教学内容和方法，形成实践教学和体验学习的新范式[13]。煤矿生产虚拟仿真系统旨在通过沉浸式虚拟仿真技术模拟矿井真实作业环境，实现对煤矿采煤、掘进工艺等内容的实习实训，构建教、学、做三位一体的实践教学平台。目前，该系统由八个子系统组成，包括六个实习子系统和两个实训子系统，分别为综合机械化采煤工艺、综合机械化掘进工艺、主要运输系统、辅助运输系统、排水系统、提升系统，以及采煤机操作、掘进机操作煤矿特种作业实训系统[14]。煤矿生产虚拟仿真系统以真实的某现代化矿井为蓝本，构建一套综合性的井下煤矿巷道体系，将八个子系统有机地融入其中，还原真实完整的煤矿三维虚拟仿真工程场景。部分场景如图3所示。3.2.3"数值仿真如今，数值模拟技术在采矿工程理论研究中的应用愈加广泛。煤矿采动响应现象是有形的，背后的矿山压力是无形的[15]。采用数值模拟软件能够有效模拟采掘工作面围岩应力场、位移场和塑性区分布规律，研究采场“支架—围岩”相互作用关系，优化巷道围岩支护设计，展示采动岩体裂隙场与渗流场特征等。笔者在2022年主持了山西省高等学校教学改革创新项目“基于数值模拟和VR的采矿工程核心课程虚拟仿真教学改革研究”，围绕岩石力学、地应力分布、巷道开挖、采场回采四类专题，开发近20项采矿工程数值模拟案例集，如圆形巷道两侧支承压力分布、上行开采围岩应力和位移特征、不同宽度煤柱下巷道围岩特征、软岩巷道锚杆支护技术、近距离煤层群开采等。利用采矿工程数值模拟案例，可以实现采动应力和能量变化的可视化，促进多学科知识交叉融合，增强学生的专业学习效果，强化学生的实践应用能力。3.3"毕业设计创新实践以学生发展为中心，针对传统采矿工程专业毕业设计内容固化的问题，积极开发毕业设计创新课题。2023年，在大四学生中尝试开展综放工作面采煤工艺虚拟仿真设计，效果较好。首先，针对特定煤层地质和开采技术条件，进行工作面“三机”配套选型设计，确定采煤机、刮板输送机、液压支架、转载机等设备实物参数；其次，运用虚拟仿真开发平台，按照选定实物设备尺寸大小和结构组成进行1∶1数字化建模；再次，设计设备的运行动作，实现仿真界面与设备动作的交互；最后，制作虚拟仿真产品的学习测试系统。虚拟仿真资源开发部分成果如图4所示。以采煤机为例，实现左牵、右牵，左右截割摇臂升降，滚筒旋转、启停，截齿破煤等功能操作，以