洛鋒，侯瑋，崔景昆

（河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

新常態(tài)下采礦工程專業(yè)三位一體創(chuàng)新教學(xué)實踐探討

洛鋒，侯瑋，崔景昆

（河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

為解決煤炭形勢新常態(tài)下采礦工程專業(yè)學(xué)生實習(xí)難、就業(yè)難的問題，提高畢業(yè)生的培養(yǎng)質(zhì)量和實踐能力，河北工程大學(xué)礦業(yè)與測繪工程以采礦實訓(xùn)基地為平臺，以虛擬仿真實驗中心為支撐，以面向工程實踐的案例教學(xué)為紐帶，提出了“物理實訓(xùn)-虛擬仿真-工程實踐”三位一體創(chuàng)新教學(xué)模式。課程體系改革分別針對課堂教學(xué)、實訓(xùn)教學(xué)和實習(xí)教學(xué)進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)過程優(yōu)化，建立“課程-實訓(xùn)-案例”交叉課程安排標(biāo)準(zhǔn)，努力提高學(xué)生對礦井三維空間知識體系的理解，加強學(xué)生對“大工程”理念的認(rèn)識，增強學(xué)生解決現(xiàn)場工程實際問題的能力。通過不斷地實踐和摸索，將為采礦工程專業(yè)教學(xué)模式創(chuàng)新走出一條特色之路。

物理實訓(xùn)；虛擬仿真；案例教學(xué)；教學(xué)模式改革

近幾年，煤炭行業(yè)市場低迷［1］，煤炭企業(yè)出臺限招、分流等具體措施，這造成目前高等院校采礦工程類專業(yè)招生、就業(yè)人數(shù)出現(xiàn)下滑，學(xué)生實習(xí)也受到了嚴(yán)重制約。所以，如何在煤炭行業(yè)新常態(tài)下高效地培養(yǎng)“有知識、懂技術(shù)、接地氣、能創(chuàng)新”的煤炭開采技術(shù)人才，使之在此種就業(yè)形勢下能夠脫穎而出，并能夠快速適應(yīng)和勝任煤炭企業(yè)的實際工作，應(yīng)是廣大采礦工程教育工作者應(yīng)當(dāng)思考的問題。因此，加強采礦工程專業(yè)培養(yǎng)質(zhì)量建設(shè)，完善教育教學(xué)體系，創(chuàng)新教學(xué)模式，提高畢業(yè)生實踐能力，已成為一種時代的迫切需要。

采礦工程作為一門工程特色鮮明、實踐性很強的工科專業(yè)，其教育教學(xué)體系主要涉及到課堂教學(xué)、實驗教學(xué)、實習(xí)教學(xué)等三個方面。這三方面主要在基礎(chǔ)理論、動手能力、解決工程問題能力上對采礦工程專業(yè)畢業(yè)生提出了較高要求。其中，課堂教學(xué)是理論知識的直接傳輸，實驗教學(xué)和實習(xí)教學(xué)是課堂知識的立體呈現(xiàn)。在新常態(tài)下，如何將三者有機的結(jié)合起來，提高學(xué)生的理論知識水平、實踐動手能力和對現(xiàn)場的感知和解決實際問題能力，成為擺在采礦工程專業(yè)教師面前的一項重要研究課題。

基于此，河北工程大學(xué)提出了采礦工程專業(yè)“物理實訓(xùn)-虛擬仿真-工程實踐”三位一體創(chuàng)新教學(xué)模式，主要針對上述課堂教學(xué)、實驗教學(xué)和實習(xí)教學(xué)三個方面，有針對性地開展課程安排、實訓(xùn)安排和實習(xí)安排，相互交叉，相互滲透，旨在提高學(xué)生對課本中刻板知識的理解程度，加強學(xué)生對現(xiàn)場工程實踐的理解程度，培養(yǎng)學(xué)生對宏觀采礦“大工程”理念的認(rèn)識和實踐動手能力。這里主要介紹河北工程大學(xué)礦業(yè)與測繪工程學(xué)院的一些探索和嘗試，供廣大采礦工程教育工作者探討。

一、三位一體創(chuàng)新教學(xué)硬件配套

（一）采礦實訓(xùn)基地建設(shè)

為了提升河北工程大學(xué)的“大工程”教育理念，滿足采礦工程專業(yè)的教學(xué)需要，同時為緩解采礦工程專業(yè)學(xué)生下井實習(xí)困難的矛盾，在開灤集團(tuán)和峰峰集團(tuán)無償捐助煤礦采掘設(shè)備的背景下，學(xué)校又先后投資了100多萬元分多期建成了“河北工程大學(xué)采礦實訓(xùn)基地”。該基地內(nèi)，采用1：1的比例（工作面長度除外）真實呈現(xiàn)了一個采煤工作面和一條運輸巷。在采煤工作面內(nèi)配備有波蘭、西德和國內(nèi)生產(chǎn)的開采設(shè)備，主要包括：MXA-300型雙滾筒采煤機1臺、ZFQ2400-16/24液壓支架2架、FAZOS-17/37液壓支架3架、高檔普采支護(hù)設(shè)備14架、SGD-730/320雙中鏈刮板輸送機1部（如圖1所示），同時在采煤機前方砌筑了回采煤壁，支架上方構(gòu)筑頂板，共呈現(xiàn)了三種回采工藝：①綜合機械化回采工藝；②綜采放頂煤回采工藝；③高檔普采回采工藝［2］。運輸巷內(nèi)，呈現(xiàn)了梯形、矩形、拱形三種巷道斷面，分別架設(shè)工字鋼梯形棚子、鋼帶錨網(wǎng)及U型鋼可縮支架，模擬了三種支護(hù)方式：①工字鋼支護(hù)；②錨梁網(wǎng)支護(hù)；③U型鋼支護(hù)，如圖2所示。另外，在基地墻壁上還分別建有《初采覆巖破斷結(jié)構(gòu)模型》、《覆巖移動破壞分區(qū)分帶》、《沿空留巷覆巖結(jié)構(gòu)模型》、《放頂煤開采覆巖結(jié)構(gòu)模型》四組大尺寸浮雕模型。

目前，采礦實訓(xùn)基地完全能夠滿足《開采方法》、《礦山壓力及其控制》等主干課程的實訓(xùn)要求。

圖1 采礦實訓(xùn)基地模擬工作面

圖2 采礦實訓(xùn)基地模擬巷道

（二）礦山虛擬仿真實驗中心建設(shè)

2014年度，依托采礦工程專業(yè)綜合改革試點項目，河北工程大學(xué)礦業(yè)與測繪工程學(xué)院一期建成了“河北工程大學(xué)礦山虛擬仿真實驗中心”，其中配備了“采礦模型3D交互試驗系統(tǒng)”、“礦井三維虛擬仿真系統(tǒng)”，能夠分別演示動態(tài)開拓系統(tǒng)巷道布置、采（盤）區(qū)巷道布置、虛擬礦井漫游、礦井生產(chǎn)系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、瓦斯抽采系統(tǒng)等多項系統(tǒng)流程。另外，中心還配備了掘進(jìn)操作實驗機和采煤操作試驗機各1臺，能夠滿足學(xué)生的上機操作使用。2015年度，在省教學(xué)實驗平臺建設(shè)經(jīng)費的支持下，又進(jìn)行了“礦山虛擬仿真實驗中心”的二期建設(shè)。主要引進(jìn)了“礦井安全事故警示教育系統(tǒng)”、“采掘安全三維立體仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)”，分別能夠演示和講解44項安全事故案例和采煤方法、準(zhǔn)備方式、開拓方式、鉆眼、爆破、煤巖巷掘進(jìn)等布置方法和工藝流程。另外，上述兩個演示系統(tǒng)配有教學(xué)硬盤，以便于課堂教學(xué)的實際應(yīng)用。

目前，河北工程大學(xué)礦山虛擬仿真實驗中心及其附屬設(shè)備能夠在教學(xué)、實習(xí)等方面發(fā)揮重要作用，立體呈現(xiàn)采礦工程專業(yè)所涉及的各個工藝流程、災(zāi)害機理等教學(xué)內(nèi)容。

（三）工程案例教學(xué)體系建設(shè)

多年來，河北工程大學(xué)礦業(yè)與測繪工程學(xué)院礦業(yè)工程系教師主持及參與多項研究課題，其中包括國家自然科學(xué)基金項目、河北省自然科學(xué)基金項目等重要縱向課題和橫向課題。各專業(yè)課任課教師具有豐富的工程實踐經(jīng)歷，已積攢了許多現(xiàn)場工程案例。針對《煤礦開采學(xué)》、《礦山壓力及其控制》、《三下采煤》、《礦山安全》、《礦井通風(fēng)》等重要專業(yè)課，由專業(yè)課教師和非本專業(yè)課教師分別組建案例庫，并制作多媒體教學(xué)課件，在課堂教學(xué)、實訓(xùn)教學(xué)中進(jìn)行講授。目前，工程案例庫涉及課程總門數(shù)9門，總案例數(shù)80余例。

目前，以筆者已經(jīng)實際講授的《礦山壓力及其控制》等課程來看，學(xué)生反映良好，學(xué)生對現(xiàn)場工程的理解較傳統(tǒng)教學(xué)有所加深。

二、三位一體教學(xué)模式的內(nèi)容及銜接

采用現(xiàn)代教育技術(shù)優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容、過程設(shè)計及內(nèi)容傳達(dá)方法，鞏固和完善課堂教學(xué)成果；然后，建立“物理實訓(xùn)-虛擬仿真”體系及“課堂-實訓(xùn)”課程交叉安排標(biāo)準(zhǔn)，加強新常態(tài)下采礦工程專業(yè)學(xué)生校內(nèi)實踐環(huán)節(jié)；最終，通過面向工程實際的案例教學(xué)體系，將課堂教學(xué)、實訓(xùn)與工程實踐結(jié)合起來。通過上述教學(xué)安排和實訓(xùn)銜接，達(dá)到“物理實訓(xùn)-虛擬現(xiàn)實-工程實踐”三位一體的創(chuàng)新教學(xué)效果。

（一）采用先進(jìn)教育技術(shù)優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容、過程設(shè)計及內(nèi)容傳達(dá)方法，進(jìn)行教學(xué)方法改革

1.教學(xué)課件優(yōu)化

為彌補現(xiàn)有普通課件簡單將課本內(nèi)容搬上屏幕的不足，運用動畫技術(shù)（包括數(shù)值模擬方法、虛擬仿真技術(shù)）生動呈現(xiàn)“煤礦開采”、“礦山壓力及其控制”、“礦山安全”等課程的巷道布置方法、回采工藝過程、礦壓顯現(xiàn)過程及機理、礦井災(zāi)害發(fā)生過程等，使教學(xué)課件和教師講授思路能夠引領(lǐng)學(xué)生思考。針對不同學(xué)情，符合學(xué)生的思維過程，從簡易認(rèn)知逐漸過渡到工程復(fù)雜認(rèn)知，便于加強師生互動，提高學(xué)生的理解程度。

2.教學(xué)方法及過程優(yōu)化

在原有教材基礎(chǔ)上，重新設(shè)計教學(xué)過程、制作教學(xué)動畫，對于重點概念可采用簡易認(rèn)知（已有認(rèn)知）在學(xué)生心中留下“引子”，便于后期教學(xué)中使用，以直觀的方式揭示采礦工程專業(yè)課程思想本質(zhì)，改進(jìn)教學(xué)方法，做到課堂教學(xué)源于課本，高于課本。

（二）建立“物理實訓(xùn)-虛擬仿真”體系及“課程-實訓(xùn)”交叉安排標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行課程體系改革

1.建立“物理實訓(xùn)-虛擬仿真”教學(xué)子類和體系

針對“煤礦開采”、“礦山壓力及其控制”、“礦山安全”等多門課程中，可應(yīng)用“物理實訓(xùn)”和“虛擬仿真”的手段進(jìn)行實景和宏觀演示的具體場景進(jìn)行分類，建立針對不同方向的子類，形成“物理實訓(xùn)”課程體系及“虛擬仿真”課程體系；

2.制定“物理實訓(xùn)-虛擬仿真”課時安排標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合采礦工程專業(yè)課堂教學(xué)安排，制定“物理實訓(xùn)”課時安排標(biāo)準(zhǔn)及安排時間；制定“虛擬仿真”課時安排標(biāo)準(zhǔn)及安排時間；

3.課程體系改革

結(jié)合采礦工程專業(yè)不同年級授課進(jìn)度，合理安排并編制“物理實訓(xùn)-虛擬仿真”實踐課程交叉安排時間，進(jìn)行課程體系改革。

（三）建立面向工程實際的案例教學(xué)體系及實踐

1. 依托各專業(yè)課任課教師多年來主持及參與的科研項目及實踐經(jīng)驗，收集不同課程的工程實踐案例，建立工程案例教學(xué)庫；

2. 根據(jù)不同的授課內(nèi)容對案例教學(xué)庫進(jìn)行分類，建立“煤礦開采”、“礦山壓力及其控制”、“礦山安全”、“礦井通風(fēng)”等多個案例子庫；

3. 依據(jù)前期實踐教學(xué)中“物理實訓(xùn)-虛擬仿真”的課程安排內(nèi)容和時間，對子庫中案例進(jìn)行再分類，結(jié)合“物理實訓(xùn)-虛擬仿真”實踐課程安排，獲得案例教學(xué)合理安排時間并實踐。

（四）優(yōu)化和改進(jìn)“物理實訓(xùn)-虛擬仿真-工程實踐”三位一體創(chuàng)新教學(xué)模式

基于前期成果，建立相應(yīng)的考核標(biāo)準(zhǔn)，對學(xué)生進(jìn)行考核和檢驗，積累實踐經(jīng)驗，獲得“物理實訓(xùn)-虛擬仿真-工程實踐”三者相互作用及配合關(guān)系，分析總結(jié)實施過程中存在的不足，并進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，增添新的環(huán)節(jié)和內(nèi)容，不斷完善采礦工程專業(yè)培養(yǎng)體系，提高采礦工程專業(yè)高等教育教育教學(xué)質(zhì)量。

三、三位一體創(chuàng)新教學(xué)模式的作用

“物理實訓(xùn)-虛擬仿真-工程實踐”三位一體創(chuàng)新教學(xué)模式對促進(jìn)教學(xué)工作、提高教學(xué)質(zhì)量的作用和意義主要表現(xiàn)在以下3點：

（一）提高學(xué)生對課堂教學(xué)理論知識的理解程度

針對采礦工程專業(yè)來講，其課程大綱要求內(nèi)容主要包括礦山壓力及其控制、煤礦開采、井巷工程、礦井通風(fēng)與安全等，這些課程均與工程實際聯(lián)系緊密。課堂講授的理論知識對于本科生來講過于抽象，教師也難以形象描述和講解，往往會出現(xiàn)課堂教學(xué)和實際應(yīng)用脫節(jié)的現(xiàn)象。其中，尤其是巷道布置、采掘工藝、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、礦山壓力顯現(xiàn)過程等內(nèi)容是教學(xué)中的難點，同時又是教學(xué)重點。而課本內(nèi)容和傳統(tǒng)的“照本宣科”難以生動形象地給學(xué)生呈現(xiàn)三維采場、采掘工藝流程等內(nèi)容，學(xué)生理解難度較大，必須結(jié)合形象、立體化展示才能得以更好理解。采用“物理實訓(xùn)-虛擬仿真-工程實踐”三位一體教學(xué)模式，可將課本知識立體化、形象化，使學(xué)生將各科所學(xué)知識結(jié)合起來形成一個完整的系統(tǒng)，在腦海中再現(xiàn)真實的煤礦井下生產(chǎn)系統(tǒng)，更加便于學(xué)生將刻板知識和工程實踐相結(jié)合。

（二）解決新常態(tài)下采礦工程專業(yè)學(xué)生實習(xí)難的問題

目前，煤炭行業(yè)持續(xù)低迷，煤炭企業(yè)自身運轉(zhuǎn)出現(xiàn)困難。此時，高校采礦學(xué)生到煤炭企業(yè)實習(xí)無疑是雪上加霜。所以，在這種背景下，采用校內(nèi)“物理實訓(xùn)-虛擬仿真”相結(jié)合的方式，采用1：1的煤礦開采實景、實物展現(xiàn)模式，真實再現(xiàn)煤礦井下實際的開采環(huán)境，可以給予學(xué)生直觀和質(zhì)感上的感受，使學(xué)生掌握煤礦生產(chǎn)及支護(hù)設(shè)備，加深學(xué)生對實際煤礦開采工藝及井下支護(hù)方式的理解，再配合先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，將煤礦開采知識立體化、形象化，提高學(xué)生對整個煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、安全避災(zāi)等方面的宏觀理解［3］，在提高學(xué)生對課堂理論知識理解程度的基礎(chǔ)上，能夠有效降低新常態(tài)下學(xué)生實習(xí)難造成的負(fù)面影響。

（三）提高學(xué)生解決實際工程問題的能力和畢業(yè)生質(zhì)量

在采用“物理實訓(xùn)-虛擬仿真”相結(jié)合的基礎(chǔ)上，收集采礦工程專業(yè)比較典型的案例，提高課堂教學(xué)和實踐教學(xué)過程中工程案例分析的比例，將采礦學(xué)科多門專業(yè)（基礎(chǔ)）課結(jié)合起來，成為“課堂教學(xué)-工程實踐”聯(lián)系的紐帶，加深學(xué)生對采礦工程學(xué)科實際問題的理解［4］，提高學(xué)生解決實際工程問題的能力，保證畢業(yè)生質(zhì)量，適應(yīng)新常態(tài)要求。

結(jié)合上述幾點分析可知，“物理實訓(xùn)-虛擬仿真-工程實踐”三維一體創(chuàng)新教學(xué)模式對提高采礦專業(yè)學(xué)生面向工程實踐能力的培養(yǎng)和解決新常態(tài)下實習(xí)難、就業(yè)難等問題具有重要意義，并對提高高等教育教學(xué)質(zhì)量、加強采礦工程專業(yè)學(xué)生的“大工程”理念建設(shè)具有顯著的指導(dǎo)作用。

四、三位一體創(chuàng)新教學(xué)模式存在的問題及探討

通過積累與實踐，采用三位一體創(chuàng)新教學(xué)模式取得良好的教學(xué)效果，但是，其中仍存在一些難以解決的實際問題，筆者認(rèn)為主要表現(xiàn)在以下3個方面，供采礦工程教育工作者分析探討，提出建議。

1. 物理實訓(xùn)和虛擬仿真教學(xué)過程，需要學(xué)生到采礦實訓(xùn)基地和礦山虛擬仿真實驗中心，這與相應(yīng)課程課堂教學(xué)安排容易發(fā)生沖突，并且個別教學(xué)內(nèi)容在課堂教學(xué)完成后，需要及時進(jìn)行實訓(xùn)和虛擬仿真觀看加以鞏固，但當(dāng)知識點較多時，合理的課時安排是難點；

2. 與課堂教學(xué)知識點良好的承前啟后關(guān)系相比，物理實訓(xùn)和虛擬仿真的教學(xué)內(nèi)容過于繁雜，集中進(jìn)行實訓(xùn)教學(xué)往往造成學(xué)生難以和教師講解的跳躍性思維達(dá)到良好的配合。另外，物理模型參觀時，由于人數(shù)較多，難免造成學(xué)生操作和觀看流于形式，難以真正達(dá)到知識點的融會貫通；

3. “物理實訓(xùn)-虛擬仿真-工程實踐”和課堂教學(xué)的相關(guān)配合和銜接仍然是此種教學(xué)模式的難點，需要進(jìn)一步在實踐中積累經(jīng)驗，不斷摸索優(yōu)化。

五、結(jié)語

通過系統(tǒng)建設(shè)實用性、可操作強的物理實訓(xùn)平臺，可視化、形象化的虛擬仿真實驗平臺，通過工程案例教學(xué)體系將“課堂-實訓(xùn)”教學(xué)與工程實踐結(jié)合起來，進(jìn)行教學(xué)方法、教學(xué)體系、教學(xué)設(shè)計的改革創(chuàng)新，提出了“物理實訓(xùn)-虛擬仿真-工程實踐”三位一體創(chuàng)新教學(xué)模式。該模式有效地摒棄了采礦工程專業(yè)傳統(tǒng)培養(yǎng)方式中片面強調(diào)課本而難以立體、形象展現(xiàn)工程本質(zhì)的弊端，減小了新常態(tài)下實習(xí)難造成的負(fù)面影響，提高了畢業(yè)生實踐能力和解決現(xiàn)場工程實際問題的能力，對培養(yǎng)新常態(tài)下適應(yīng)時代要求的采礦工程技術(shù)人才具有較強的實踐價值。該模式仍存在一些難以解決的實際問題，需要在未來的實踐中不斷摸索、優(yōu)化，走出一條采礦工程專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)的特色之路。

［1］張熙霖.2015年煤炭行業(yè)形勢分析及未來發(fā)展研判［J］.煤炭經(jīng)濟研究，2015，35（5）：10-13.

［2］崔景昆，李新旺.建設(shè)采礦實訓(xùn)基地 緩解學(xué)生實習(xí)困難［J］.河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2012，12（4）：160-162.

［3］馬文頂，吳作武，萬志軍，等.采礦工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系建設(shè)與實踐［J］.實驗技術(shù)與管理，2014，31（9）：14-18.

［4］侯克鵬，李克鋼.案例式教學(xué)在高校采礦工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用必要性［J］.中國教育技術(shù)裝備，2012（36）：85-87.

［責(zé)任編輯 王云江］

Discussion on the three-in-one innovative teaching practice of mining engineering under the new normal

LUO Feng， HOU Wei， CUI Jing-kun
（College of Mining and Geomatics Engineering， Hebei University of Engineering， Handan 056038， China）

In order to solve the practice and employment difficulty of students major in mining engineering and improve the training quality and practice ability under the new normal， College of Mining and Geomatics Engineering at Hebei University of Engineering puts forward the three-in-one innovative teaching mode of“physical training-virtual simulation-engineering practice”， which takes the mining practice as base and virtual simulation experiment center as platform and the engineering case teaching as link. Aimed at the aspects of classroom teaching， training teaching and practice teaching， curriculum system reform optimizes the teaching content， teaching method and teaching process， establishing the arrangement standard of cross curriculum of“curriculum-training-case”and improves students' understanding of mine spatial knowledge system and the concept of “l(fā)arge-scale engineering”， enhancing the students’ ability to solve practical problems in engineering field. Through constant practice and exploration， a characteristic road will be exploited out for the innovative teaching mode of mining engineering.

physical training； virtual simulation； case teaching； teaching mode reform

10.3969/j.issn.1673-9477.2016.03.035

G642

A

1673-9477（2016）03-110-04

［投稿日期］2016-08-16

2015年度河北工程大學(xué)教育教學(xué)研究項目

洛鋒（1985-），男，河北唐山人，講師，博士，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：礦山壓力及其控制。