鄭美楠 劉 超 趙興旺 郭慶彪 趙若南

（1.安徽理工大學(xué)空間信息與測繪工程學(xué)院,安徽 淮南 232001；2.烏拉爾國立礦業(yè)大學(xué)采礦工程學(xué)院,俄羅斯 葉卡捷琳堡 620000）

在煤炭行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革背景下，煤炭經(jīng)濟(jì)下行，“十四五”末期全國煤礦數(shù)量將控制在4 000處左右[1]。當(dāng)前，我國煤炭工業(yè)正處在全面深化改革的重要時期，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展需要大量相關(guān)領(lǐng)域人才[2]。

為推動煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，智能礦山建設(shè)逐漸被重視。煤礦智能化建設(shè)對實現(xiàn)煤炭資源的低碳綠色開發(fā)，推動產(chǎn)業(yè)優(yōu)質(zhì)發(fā)展，構(gòu)建“智能＋綠色煤炭工業(yè)”新體系意義重大[3]。智能礦山的建設(shè)與應(yīng)用迫切需求新型高素質(zhì)的專業(yè)技能型人才，為此，教育部于2021年將智能采礦工程專業(yè)特設(shè)為目錄外專業(yè)，通過眾多高新技術(shù)，如人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等，改造升級傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)，以培養(yǎng)掌握智能化知識和應(yīng)用的高級礦業(yè)領(lǐng)域人才[4-5]。然而，高校未能及時構(gòu)建與之相應(yīng)的人才培養(yǎng)模式，智能采礦工程專業(yè)人才培養(yǎng)仍處于探索階段。

在智能采礦工程專業(yè)培養(yǎng)方案設(shè)定中，將礦山測量學(xué)課程作為該專業(yè)基礎(chǔ)課程，其重要性不言而喻。礦山測量學(xué)課程任務(wù)是使學(xué)生具備從事礦山測量工作所必需的基礎(chǔ)理論知識、技能和基本素質(zhì)等，為從事地下礦山測量和科學(xué)研究打下堅實基礎(chǔ)[6]。在傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)教學(xué)中，該課程由課程教學(xué)、礦山測量課程設(shè)計和礦山測量生產(chǎn)實習(xí)構(gòu)成一個完整的課程體系。面對智能采礦工程專業(yè)的培養(yǎng)方案，如何將“智能測繪”引入礦山測量學(xué)課程以豐富課程教學(xué)內(nèi)容、改善教學(xué)效果，需要教師深入思考[7]。為此，本文以礦山測量學(xué)課程為例，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式等方面，探討智能采礦工程專業(yè)礦山測量學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容中存在的問題與相應(yīng)的解決對策。

1 智能采礦專業(yè)礦山測量學(xué)課程教學(xué)存在的問題

礦山測量在礦山發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，從礦山勘探建設(shè)到生產(chǎn)再到廢棄關(guān)閉，貫穿礦山全生命周期。礦山測量被譽為礦山的“眼睛”，在保障礦山全生命周期安全綠色開發(fā)中具有重要的實際作用。礦山測量學(xué)屬于測繪、采礦、地質(zhì)的交叉邊緣學(xué)科。該課程的傳統(tǒng)實驗教學(xué)通常在地下礦井開展，因井下環(huán)境復(fù)雜，教學(xué)過程中存在安全風(fēng)險大、影響生產(chǎn)等問題，且由于采礦與巖層移動過程不可逆，地層內(nèi)部礦體幾何特征不可見，精密陀螺全站儀等貴重儀器實驗成本高、壽命短，使得課程在實際過程中難以開展學(xué)習(xí)實踐活動，嚴(yán)重制約了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。礦山測量學(xué)課程教學(xué)過程中主要存在以下問題。

1.1 課程教材陳舊

教材是教學(xué)之本，是學(xué)生學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)的重要參考資料，是教師進(jìn)行教學(xué)工作的重要載體?，F(xiàn)階段面向智能采礦專業(yè)學(xué)生教學(xué)采用傳統(tǒng)礦山測量學(xué)教材，學(xué)生經(jīng)常疑惑“智能”在礦山測量中如何體現(xiàn)，礦山測量學(xué)教材多集中于對傳統(tǒng)測量技術(shù)的介紹，針對先進(jìn)的測量技術(shù)體現(xiàn)較少，因此，急需結(jié)合測繪學(xué)科發(fā)展，豐富礦山測量學(xué)教材內(nèi)容。

1.2 教學(xué)內(nèi)容更新慢

教師教學(xué)過程中通常結(jié)合教材進(jìn)行課程講解，很少涉及學(xué)科前沿知識?，F(xiàn)今礦山測量學(xué)課程主講井下平面控制測量、井下高程測量、礦井聯(lián)系測量、貫通測量等主要章節(jié)，而對于非測繪類專業(yè)的智能采礦工程專業(yè)而言，學(xué)生對測繪專業(yè)了解不深，難以把智能測繪與智能采礦工程專業(yè)的部分專業(yè)課程（如智能掘進(jìn)工程設(shè)計與施工、智能采礦學(xué)、智能礦山設(shè)計與優(yōu)化等課程）融會貫通。例如無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)干涉測量（interferometric synthetic aperture radar,InSAR）技 術(shù) 等比較成熟且已在礦山開采沉陷中廣泛應(yīng)用的測繪前沿技術(shù)手段未能及時在教學(xué)內(nèi)容中得到體現(xiàn)或體現(xiàn)得不夠充分，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展不協(xié)調(diào)。

1.3 實驗與實習(xí)場地缺乏

礦山測量與其他測量工作的工作環(huán)境和工作方式區(qū)別較大，其工作環(huán)境空間有限、光線昏暗，使其難以創(chuàng)造出合適的模擬場景進(jìn)行實驗和實習(xí)，有條件的高校通常在地下停車場建立礦山測量實習(xí)場地，但這與井下測量環(huán)境仍有較大差異。同時，隨著礦山安全問題日益受到社會各界的關(guān)注，許多煤炭企業(yè)出于安全因素的考慮，通常避免學(xué)生進(jìn)入井下實習(xí)，學(xué)生到礦上多為參觀式學(xué)習(xí)，導(dǎo)致理論和實踐嚴(yán)重脫節(jié)。再加上學(xué)校測量設(shè)備短缺、測繪新儀器設(shè)備價格昂貴等因素，導(dǎo)致學(xué)生很難得到足夠的訓(xùn)練。由于缺乏實驗和實習(xí)的條件，學(xué)生學(xué)習(xí)以教師授課模式為主，導(dǎo)致教學(xué)模式單一，降低了學(xué)生的參與感，不能發(fā)揮學(xué)生的主體作用。

1.4 學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足

為了推動煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，教育部開設(shè)了智能采礦工程專業(yè)，因受新能源行業(yè)沖擊，煤炭行業(yè)經(jīng)濟(jì)下行，智能采礦工程專業(yè)雖然比傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)多了“智能”二字，但學(xué)生仍普遍認(rèn)為其與傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)差異不大，畢業(yè)之后想去煤礦企業(yè)工作的不多。同時礦山測量學(xué)課程作為測繪類課程之一，與采礦工程類似，學(xué)生普遍的認(rèn)知是畢業(yè)后需要到野外進(jìn)行測量，因此，對礦山測量學(xué)感興趣的學(xué)生少之又少。由于行業(yè)經(jīng)濟(jì)下滑及從業(yè)特點，學(xué)生缺少學(xué)習(xí)動力。

2 智能采礦專業(yè)礦山測量學(xué)課程教學(xué)改革探討

針對智能采礦專業(yè)礦山測量學(xué)課程教學(xué)中存在的不足，結(jié)合礦山測量學(xué)科的內(nèi)涵（①礦山地面和井下測量儀器與技術(shù)方法；②巖層與地表移動的觀測和預(yù)計；③礦體幾何、礦圖繪制與儲量管理；④礦山測量法規(guī)和專業(yè)教育）和智能測繪的發(fā)展，在教學(xué)實踐中可從以下幾個方面改進(jìn)。

2.1 更新教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化教學(xué)效果

更新教學(xué)內(nèi)容是提升教學(xué)效果的基礎(chǔ)，結(jié)合礦山測量學(xué)科的內(nèi)涵和智能測繪的發(fā)展，反復(fù)論證智能采礦專業(yè)礦山測量學(xué)課程的教學(xué)大綱，在保證課程應(yīng)有的基本理論、知識和技能的基礎(chǔ)上，要將測繪新儀器、新技術(shù)、新方法教授給學(xué)生，礦山測量學(xué)課程傳統(tǒng)與智能采礦工程專業(yè)教學(xué)內(nèi)容對比如表1所示。同時，還應(yīng)對已有的教學(xué)方式方法進(jìn)行改進(jìn)和提升。此外，除礦山測量學(xué)課程教材以外，結(jié)合測繪學(xué)科的發(fā)展，還應(yīng)給學(xué)生配套與課程相關(guān)的輔導(dǎo)書籍，如《礦山開采沉陷監(jiān)測及預(yù)測新技術(shù)》《InSAR對地觀測數(shù)據(jù)處理方法與綜合測量》等。在課程教材和輔助教材的幫助下，保證教師講課的內(nèi)容覆蓋學(xué)科前沿知識，使得學(xué)生掌握基本理論知識和技能。同時由于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，教師在授課過程中要注重培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，這樣才能不斷提升學(xué)生所掌握的知識，進(jìn)一步鞏固學(xué)習(xí)效果。

表1 智能采礦工程專業(yè)礦山測量學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容

2.2 融合理論、科研與實踐

教師在授課時要做到課程內(nèi)容與科學(xué)研究相結(jié)合、理論知識與工程實踐相融合。結(jié)合教師的科研項目和團(tuán)隊科研成果，將測繪領(lǐng)域的新理論、新方法、新技術(shù)及時融入課堂教學(xué)中，體現(xiàn)學(xué)科的發(fā)展動態(tài)，吸引學(xué)生的注意力。

如在講授礦山測量中的開采沉陷監(jiān)測時，首先講解開采沉陷機(jī)理和監(jiān)測必要性，使學(xué)生理解開采沉陷是由于地下煤炭采出后，周圍巖體原有應(yīng)力狀態(tài)被破壞，應(yīng)力重新分布后上覆巖層和地表產(chǎn)生的連續(xù)和非連續(xù)移動變形，地表沉陷后將導(dǎo)致房屋損毀、農(nóng)田積水鹽漬化、水土流失等諸多環(huán)境地質(zhì)問題，同時，地表沉陷在時間和空間上是一個動態(tài)發(fā)展的過程，因此，精準(zhǔn)獲取地表沉陷對評價地表建構(gòu)筑物損害程度、預(yù)防次生沉陷災(zāi)害意義重大。圖1為課堂講授的礦區(qū)開采沉陷案例，其中圖1（a）為安徽淮南某礦開采引起的地表沉陷積水，圖1（b）為陜西某礦開采后地表移動變形引起的地裂縫。通過該案例學(xué)生可直觀地了解煤炭資源開采后引起的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。

圖1 礦區(qū)開采沉陷案例

在此基礎(chǔ)上，引入現(xiàn)階段開采沉陷監(jiān)測方法，主要包括傳統(tǒng)地面測量（如水準(zhǔn)測量、GNSS）和新型地表形變測量技術(shù)（如InSAR技術(shù)、三維激光掃描等）。并對比講解兩種方法的優(yōu)缺點，常規(guī)地面測量方法精度高，但只能進(jìn)行點線測量，難以獲得面域信息，且費時、費力、成本高，而InSAR技術(shù)具備全天時、全天候、大范圍、高頻次、高精度地表形變監(jiān)測的能力。在課堂講授時，結(jié)合筆者的科研經(jīng)歷從InSAR算法改進(jìn)、多源數(shù)據(jù)融合和三維形變監(jiān)測三個方面進(jìn)行深入講解，拓寬學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和創(chuàng)新性思維的能力。詳述如下：

（1）針對開采沉陷速度快、梯度大以及非線性明顯等特點，導(dǎo)致部分SAR影像干涉對失相干嚴(yán)重，使得部分時間段信息缺失，同時時序InSAR利用線性模型反演開采沉陷偏小的問題，利用多項式模型對InSAR反演形變算法進(jìn)行改進(jìn)，并利用概率積分模型反演結(jié)果替換失相干時段數(shù)據(jù)，聯(lián)合InSAR監(jiān)測結(jié)果與概率積分法預(yù)測結(jié)果，可有效提升InSAR監(jiān)測形變的能力。

（2）由于InSAR監(jiān)測結(jié)果無法獲取大梯度形變，且監(jiān)測結(jié)果受DEM精度影響，因此利用高精度DEM數(shù)據(jù)可有效提升InSAR監(jiān)測精度。融合SAR數(shù)據(jù)和無人機(jī)DEM數(shù)據(jù)、三維激光掃描數(shù)據(jù)等，或融合InSAR監(jiān)測結(jié)果和偏移量跟蹤結(jié)果、子帶干涉結(jié)果等，可有效提高InSAR形變監(jiān)測精度。

（3）礦區(qū)開采沉陷復(fù)雜，地表沉陷的同時常伴隨水平移動，直接利用InSAR技術(shù)獲取垂直向形變可能對地表下沉/上升出現(xiàn)誤判，無法正確解譯關(guān)閉礦井地表沉陷規(guī)律?；谏?、降軌SAR數(shù)據(jù)獲取礦區(qū)地表三維移動變形，可分析關(guān)閉礦井地表下沉與水平移動之間關(guān)系，同時結(jié)合采空區(qū)空間分布、工作面開采等信息，明確礦區(qū)地表三維形變時空演化規(guī)律。

最后，結(jié)合實際工程案例解釋說明InSAR技術(shù)在礦山開采沉陷監(jiān)測中的應(yīng)用效果。圖2為課堂講授的InSAR監(jiān)測淮北某礦區(qū)開采沉陷案例，其中圖2（a）為淮北礦區(qū)大范圍地表沉陷InSAR監(jiān)測結(jié)果，圖2（b）為淮北某煤礦InSAR精細(xì)化監(jiān)測結(jié)果與工作面、鐵路等疊加分析結(jié)果。在工程案例講解過程中，引導(dǎo)學(xué)生思考InSAR技術(shù)除了形變監(jiān)測外還可以在礦山測量中得到哪些應(yīng)用，同時讓學(xué)生舉一反三思考三維激光掃描、無人機(jī)攝影測量等技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用，并利用課下時間尋找相應(yīng)的工程案例，通過理論結(jié)合實踐，提高學(xué)生知識應(yīng)用的能力，讓學(xué)生參與到課堂中來，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣還能提高教學(xué)效果，還可以通過“理論+科研+實踐”，讓學(xué)生深入體會技術(shù)的發(fā)展帶來的行業(yè)的變革。

圖2 InSAR技術(shù)監(jiān)測開采沉陷案例

2.3 引入虛擬仿真實訓(xùn)平臺

傳統(tǒng)礦山測量實驗教學(xué)中，由于場地、儀器限制，導(dǎo)致教師重課堂教學(xué)、輕實驗教學(xué)，學(xué)生參與度低，同時，井下高危環(huán)境下開展該類實驗教學(xué)，存在安全風(fēng)險大、影響生產(chǎn)等問題。隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，2017年7月，《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》中明確指出虛擬仿真技術(shù)可作為實驗、實習(xí)教學(xué)的新途徑，鼓勵教師積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化實驗教學(xué)新模式。

虛擬仿真教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互與網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建虛擬化的現(xiàn)實實驗環(huán)境和對象，可使學(xué)生切身體會實驗與實習(xí)過程，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗教學(xué)手段的不足。現(xiàn)今虛擬仿真實驗教學(xué)平臺較多（如江蘇省高等學(xué)校虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺、南方測繪虛擬仿真實訓(xùn)室、中國礦業(yè)大學(xué)礦山測量虛擬仿真實驗中心），為教師開展實驗教學(xué)提供了良好平臺[8]。其中中國礦業(yè)大學(xué)研發(fā)的礦山測量學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)涵蓋礦山測量儀器認(rèn)識、井上下聯(lián)系測量、井下高程測量、貫通測量、陀螺定向等實驗教學(xué)內(nèi)容，圖3為礦山測量學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)操作界面。教師應(yīng)勇于嘗試虛實混合式的線上、線下聯(lián)合教學(xué)模式，將學(xué)生引入礦山測量虛擬環(huán)境中，進(jìn)而提升學(xué)生的礦山測量實驗實習(xí)興趣，并且通過虛擬仿真教學(xué)平臺反復(fù)練習(xí)可提高學(xué)生的實踐技能，使其掌握礦山測量的相關(guān)知識，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗教學(xué)手段的不足。教師有效地利用現(xiàn)有虛擬仿真教學(xué)平臺資源，可使課程教學(xué)達(dá)到事半功倍的效果。

圖3 礦山測量學(xué)課程虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)

2.4 融入課程思政

為全面踐行黨的“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，拓展礦山測量的應(yīng)用領(lǐng)域，筆者教學(xué)過程中深入挖掘了礦山測量的應(yīng)用領(lǐng)域，如露天采礦邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測、尾礦庫監(jiān)測等，并從2023年2月22日內(nèi)蒙古自治區(qū)新井煤業(yè)有限公司礦區(qū)坍塌事故中讓學(xué)生了解礦山測量工作的重要性。同時培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)與職業(yè)道德，并結(jié)合國家重大工程案例（如功勛礦“新疆可可托海三號礦坑”、淮南大通國家礦山公園、江蘇徐州潘安湖國家濕地公園等）挖掘課程思政內(nèi)容，讓學(xué)生以先輩為楷模，發(fā)揚愛國情懷、增強(qiáng)職業(yè)精神、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力。

3 結(jié)語

礦山測量學(xué)課程作為智能采礦工程專業(yè)重要的基礎(chǔ)專業(yè)課，面對專業(yè)發(fā)展的需要，將“智能測繪”有效融入課堂，提升教學(xué)效果至關(guān)重要。本文針對傳統(tǒng)礦山測量學(xué)課程教材陳舊、教學(xué)內(nèi)容更新慢、實驗與實習(xí)場地缺乏和學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足等問題，結(jié)合礦山測量學(xué)內(nèi)涵和智能測繪發(fā)展，從教學(xué)內(nèi)容、理論+科研+實踐、實習(xí)實訓(xùn)、課程思政等方面對智能采礦工程專業(yè)礦山測量學(xué)課程教學(xué)改革進(jìn)行了探討，以期提升課堂教學(xué)效果，積極調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，為智能采礦工程專業(yè)礦山測量學(xué)課程教學(xué)提供參考。