洛鋒，侯瑋，崔景昆

（河北工程大學 礦業(yè)與測繪工程學院，河北 邯鄲 056038）

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

洛鋒，侯瑋，崔景昆

（河北工程大學 礦業(yè)與測繪工程學院，河北 邯鄲 056038）

為解決煤炭形勢新常態(tài)下采礦工程專業(yè)學生實習難、就業(yè)難的問題，提高畢業(yè)生的培養(yǎng)質量和實踐能力，河北工程大學礦業(yè)與測繪工程以采礦實訓基地為平臺，以虛擬仿真實驗中心為支撐，以面向工程實踐的案例教學為紐帶，提出了“物理實訓-虛擬仿真-工程實踐”三位一體創(chuàng)新教學模式。課程體系改革分別針對課堂教學、實訓教學和實習教學進行教學內(nèi)容、教學方法和教學過程優(yōu)化，建立“課程-實訓-案例”交叉課程安排標準，努力提高學生對礦井三維空間知識體系的理解，加強學生對“大工程”理念的認識，增強學生解決現(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)教學模式創(chuàng)新走出一條特色之路。

物理實訓；虛擬仿真；案例教學；教學模式改革

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，學生實習也受到了嚴重制約。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、接地氣、能創(chuàng)新”的煤炭開采技術人才，使之在此種就業(yè)形勢下能夠脫穎而出，并能夠快速適應和勝任煤炭企業(yè)的實際工作，應是廣大采礦工程教育工作者應當思考的問題。因此，加強采礦工程專業(yè)培養(yǎng)質量建設，完善教育教學體系，創(chuàng)新教學模式，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)，其教育教學體系主要涉及到課堂教學、實驗教學、實習教學等三個方面。這三方面主要在基礎理論、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，課堂教學是理論知識的直接傳輸，實驗教學和實習教學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合起來，提高學生的理論知識水平、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，河北工程大學提出了采礦工程專業(yè)“物理實訓-虛擬仿真-工程實踐”三位一體創(chuàng)新教學模式，主要針對上述課堂教學、實驗教學和實習教學三個方面，有針對性地開展課程安排、實訓安排和實習安排，相互交叉，相互滲透，旨在提高學生對課本中刻板知識的理解程度，加強學生對現(xiàn)場工程實踐的理解程度，培養(yǎng)學生對宏觀采礦“大工程”理念的認識和實踐動手能力。這里主要介紹河北工程大學礦業(yè)與測繪工程學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)新教學硬件配套

（一）采礦實訓基地建設

為了提升河北工程大學的“大工程”教育理念，滿足采礦工程專業(yè)的教學需要，同時為緩解采礦工程專業(yè)學生下井實習困難的矛盾，在開灤集團和峰峰集團無償捐助煤礦采掘設備的背景下，學校又先后投資了100多萬元分多期建成了“河北工程大學采礦實訓基地”。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、高檔普采支護設備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，模擬了三種支護方式：①工字鋼支護；②錨梁網(wǎng)支護；③U型鋼支護，如圖2所示。另外，在基地墻壁上還分別建有《初采覆巖破斷結構模型》、《覆巖移動破壞分區(qū)分帶》、《沿空留巷覆巖結構模型》、《放頂煤開采覆巖結構模型》四組大尺寸浮雕模型。

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

圖1 采礦實訓基地模擬工作面

圖2 采礦實訓基地模擬巷道

（二）礦山虛擬仿真實驗中心建設

2014年度，依托采礦工程專業(yè)綜合改革試點項目，河北工程大學礦業(yè)與測繪工程學院一期建成了“河北工程大學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，中心還配備了掘進操作實驗機和采煤操作試驗機各1臺，能夠滿足學生的上機操作使用。2015年度，在省教學實驗平臺建設經(jīng)費的支持下，又進行了“礦山虛擬仿真實驗中心”的二期建設。主要引進了“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、準備方式、開拓方式、鉆眼、爆破、煤巖巷掘進等布置方法和工藝流程。另外，上述兩個演示系統(tǒng)配有教學硬盤，以便于課堂教學的實際應用。

目前，河北工程大學礦山虛擬仿真實驗中心及其附屬設備能夠在教學、實習等方面發(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、災害機理等教學內(nèi)容。

（三）工程案例教學體系建設

多年來，河北工程大學礦業(yè)與測繪工程學院礦業(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基金項目、河北省自然科學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》、《礦山壓力及其控制》、《三下采煤》、《礦山安全》、《礦井通風》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，并制作多媒體教學課件，在課堂教學、實訓教學中進行講授。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，學生反映良好，學生對現(xiàn)場工程的理解較傳統(tǒng)教學有所加深。

二、三位一體教學模式的內(nèi)容及銜接

采用現(xiàn)代教育技術優(yōu)化課堂教學內(nèi)容、過程設計及內(nèi)容傳達方法，鞏固和完善課堂教學成果；然后，建立“物理實訓-虛擬仿真”體系及“課堂-實訓”課程交叉安排標準，加強新常態(tài)下采礦工程專業(yè)學生校內(nèi)實踐環(huán)節(jié)；最終，通過面向工程實際的案例教學體系，將課堂教學、實訓與工程實踐結合起來。通過上述教學安排和實訓銜接，達到“物理實訓-虛擬現(xiàn)實-工程實踐”三位一體的創(chuàng)新教學效果。

（一）采用先進教育技術優(yōu)化課堂教學內(nèi)容、過程設計及內(nèi)容傳達方法，進行教學方法改革

1.教學課件優(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（包括數(shù)值模擬方法、虛擬仿真技術）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、礦井災害發(fā)生過程等，使教學課件和教師講授思路能夠引領學生思考。針對不同學情，符合學生的思維過程，從簡易認知逐漸過渡到工程復雜認知，便于加強師生互動，提高學生的理解程度。

2.教學方法及過程優(yōu)化

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

（二）建立“物理實訓-虛擬仿真”體系及“課程-實訓”交叉安排標準，進行課程體系改革

1.建立“物理實訓-虛擬仿真”教學子類和體系

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

2.制定“物理實訓-虛擬仿真”課時安排標準

結合采礦工程專業(yè)課堂教學安排，制定“物理實訓”課時安排標準及安排時間；制定“虛擬仿真”課時安排標準及安排時間；

3.課程體系改革

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

（三）建立面向工程實際的案例教學體系及實踐

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，建立工程案例教學庫；

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

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

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

基于前期成果，建立相應的考核標準，對學生進行考核和檢驗，積累實踐經(jīng)驗，獲得“物理實訓-虛擬仿真-工程實踐”三者相互作用及配合關系，分析總結實施過程中存在的不足，并進行優(yōu)化和改進，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)高等教育教育教學質量。

三、三位一體創(chuàng)新教學模式的作用

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

（一）提高學生對課堂教學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)課堂教學和實際應用脫節(jié)的現(xiàn)象。其中，尤其是巷道布置、采掘工藝、通風網(wǎng)絡、礦山壓力顯現(xiàn)過程等內(nèi)容是教學中的難點，同時又是教學重點。而課本內(nèi)容和傳統(tǒng)的“照本宣科”難以生動形象地給學生呈現(xiàn)三維采場、采掘工藝流程等內(nèi)容，學生理解難度較大，必須結合形象、立體化展示才能得以更好理解。采用“物理實訓-虛擬仿真-工程實踐”三位一體教學模式，可將課本知識立體化、形象化，使學生將各科所學知識結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)，更加便于學生將刻板知識和工程實踐相結合。

（二）解決新常態(tài)下采礦工程專業(yè)學生實習難的問題

目前，煤炭行業(yè)持續(xù)低迷，煤炭企業(yè)自身運轉出現(xiàn)困難。此時，高校采礦學生到煤炭企業(yè)實習無疑是雪上加霜。所以，在這種背景下，采用校內(nèi)“物理實訓-虛擬仿真”相結合的方式，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，可以給予學生直觀和質感上的感受，使學生掌握煤礦生產(chǎn)及支護設備，加深學生對實際煤礦開采工藝及井下支護方式的理解，再配合先進的虛擬仿真技術，將煤礦開采知識立體化、形象化，提高學生對整個煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)、通風網(wǎng)絡、安全避災等方面的宏觀理解［3］，在提高學生對課堂理論知識理解程度的基礎上，能夠有效降低新常態(tài)下學生實習難造成的負面影響。

（三）提高學生解決實際工程問題的能力和畢業(yè)生質量

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

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

四、三位一體創(chuàng)新教學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)新教學模式取得良好的教學效果，但是，其中仍存在一些難以解決的實際問題，筆者認為主要表現(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. 物理實訓和虛擬仿真教學過程，需要學生到采礦實訓基地和礦山虛擬仿真實驗中心，這與相應課程課堂教學安排容易發(fā)生沖突，并且個別教學內(nèi)容在課堂教學完成后，需要及時進行實訓和虛擬仿真觀看加以鞏固，但當知識點較多時，合理的課時安排是難點；

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

3. “物理實訓-虛擬仿真-工程實踐”和課堂教學的相關配合和銜接仍然是此種教學模式的難點，需要進一步在實踐中積累經(jīng)驗，不斷摸索優(yōu)化。

五、結語

通過系統(tǒng)建設實用性、可操作強的物理實訓平臺，可視化、形象化的虛擬仿真實驗平臺，通過工程案例教學體系將“課堂-實訓”教學與工程實踐結合起來，進行教學方法、教學體系、教學設計的改革創(chuàng)新，提出了“物理實訓-虛擬仿真-工程實踐”三位一體創(chuàng)新教學模式。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)工程本質的弊端，減小了新常態(tài)下實習難造成的負面影響，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)下適應時代要求的采礦工程技術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.建設采礦實訓基地 緩解學生實習困難［J］.河北聯(lián)合大學學報：社會科學版，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體系建設與實踐［J］.實驗技術與管理，2014，31（9）：14-18.

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

［責任編輯 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年度河北工程大學教育教學研究項目

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