礦業(yè)工程專業(yè)開放式實驗教學模式研究

張開永，馬尚權，石常省

(華北科技學院環(huán)境工程學院，北京東燕郊 101601)

0 引言

華北科技學院隸屬國家安全生產監(jiān)督管理總局，是一所為安全生產領域培養(yǎng)高級專門人才以及解決關鍵科技問題的一流教育培訓基地的高校。作為安全特色為主的高校，包括采礦工程、礦物加工工程、安全技術及工程的礦業(yè)工程類專業(yè)起著重要的作用。礦業(yè)工程學科的發(fā)展對國民經(jīng)濟建設和社會發(fā)展極為重要，并將不斷推動和促進國民經(jīng)濟的可持續(xù)協(xié)調發(fā)展。

礦業(yè)工程一級學科設置的采礦工程、礦物加工工程、安全技術及工程二級學科之間存在相互依賴、共同發(fā)展的內在聯(lián)系。采礦工程場所大多處在錯綜復雜的環(huán)境中，采礦工程依賴安全技術及工程提供安全保障。安全技術及工程學科的對象是工礦企業(yè)的安全技術問題，但其突出研究對象是礦業(yè)領域的重大災害事故和安全問題。采礦工程開采出的礦產資源，通常需要經(jīng)過礦物加工才能成為冶金、能源、化工、建材等行業(yè)的原料。

華北科技學院作為培養(yǎng)人才的基地，目標是培養(yǎng)德、智、體、美全面發(fā)展，知識、能力、素質相互協(xié)調，具有安全意識、實踐能力、創(chuàng)業(yè)精神，適應社會發(fā)展需求的應用型高級專門人才。在此情況下，學生的理論知識固然重要，而鍛煉實際操作技能和分析解決問題能力的實驗教學更加重要，實驗開放教學愈加必要。

1 實驗開放教學的目的及意義［1］

1)與學校培養(yǎng)學生的目標相符合。學校的目標是培養(yǎng)應用型高級人才，而開放性實驗能夠充分發(fā)揮實驗室在培養(yǎng)學生成長成才方面的作用與地位，充分挖掘開放性實驗室資源的獨特潛力，對于培養(yǎng)優(yōu)秀人才意義深遠。

2)學生的實踐技能、分析問題和解決問題的能力得以提高。學生利用課余時間，結合所學知識，處理實驗過程中遇到的各種問題，掌握實驗技能和方法，熟悉設備的使用，學會融會貫通。

3)學生的科研能力和社會實踐能力有極大的促進。通過開放式實驗與教師的科研相結合，一些能力較強的學生在教師指導的基礎上進行研究，不僅提高動手和實踐能力，而且培養(yǎng)大學生吃苦耐勞的品質，培養(yǎng)大學生的團隊精神，有助于大學生自主創(chuàng)業(yè)［2］。

4)可以最大限度地發(fā)揮學生在實驗教學中的積極性和創(chuàng)造性，能很好的培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、實踐能力和創(chuàng)業(yè)精神。

5)開放實驗還可以提高設備使用率，大型設備能夠進行共享。

2 實驗開放教學的來源及范圍

2.1 實驗開放教學來源

1)實驗課程中實驗項目進行開放

在設置課程實驗內容時，可把一些實驗項目設置為開放項目，讓學生根據(jù)課堂所學理論知識，自己進行自主設計，教師給予指導。如礦物加工專業(yè)課程《試驗研究方法》中實驗項目正交試驗10學時，學生根據(jù)所學的設計知識，提前設計實驗方案，教師在實驗前給予預先審查，實驗中給予指導，學生對實驗后得到的數(shù)據(jù)，自己根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計知識進行分析，得出結論。

2)每學期申報批準的項目進行開放

任課教師在每學期開學初填報項目開放申請，申請開放的項目屬于課程教學內容拓展性的實驗，原則上不能與本專業(yè)教學大綱實驗項目相重復，經(jīng)學校審批后可列入開放實驗范圍。對項目感興趣的學生可書面提出申請，由教師選擇人數(shù)，在正常課程教學安排的時間外預約開放實驗。礦業(yè)工程類專業(yè)申批的主要開放實驗項目有《巖石力學參數(shù)測定》、《厚煤層分層放頂煤開采覆巖運動規(guī)律相似模擬研究》、《高溫高濕及有風環(huán)境對人體乳酸含量、聽力及反應能力影響的研究》、《爆炸管道內沖擊波壓力及火焰速度參數(shù)測定》、《可燃性混合氣體爆炸極限參數(shù)的測定》、《硅藻土擦洗－離心分選研究》、《三產品干擾床粗煤泥分選實驗》等。

3)學生科技創(chuàng)新或教師科研開放

大學生科技創(chuàng)新活動是以學生為主設計實驗過程，教師輔導學生進行的一項創(chuàng)新性實驗環(huán)節(jié)，大學生創(chuàng)新活動從學生選題、設計實驗方案到進行實驗、結果處理和撰寫論文各個環(huán)節(jié)都為學生提供了創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機會。學生則利用課余時間來完成［3］。

大學生參與教師的科研項目是指大學生在有科研課題的教師指導下，從查閱資料，了解學科研究前沿，到設計實驗方案，進而得出實驗結果，直到學會撰寫學術論文的過程。整個過程對大學生實踐能力的鍛煉價值是很大的。

大學生科技創(chuàng)新項目和教師的科研項目都是激發(fā)學生興趣、開拓學生思維，加深理論知識，鍛煉學生動手能力，同時教師能夠有時間進行教學，達到教學和科研兩不誤，如礦物加工專業(yè)國家級科技創(chuàng)新項目《德興礦區(qū)石煤綜合利用分析及其提釩方法研究》、校級科技創(chuàng)新項目《中煤再選研究》、《三產品液固流化床粗煤泥分選機的研制》等。

4)畢業(yè)設計(論文)開放

每年畢業(yè)班級的學生很多，學生除去做畢業(yè)設計外，還有部分學生做畢業(yè)論文。在經(jīng)過開題和指導教師審核后，學生進入實驗室工作，在方案制定的情況下進行實驗，指導教師根據(jù)學生的實驗情況給予指導，如實驗數(shù)據(jù)的可靠性、影響因素的作用，產生的原因等，并對下一步工作提出意見或建議。

5)計算機上機開放

計算機上機開放主要包括畢業(yè)設計過程中學生預約繪圖畫圖和認識實習前2－3天到機房觀看廠房的動態(tài)演示，形成初步感性認識，然后再去現(xiàn)場實習。

6)虛擬實驗平臺的開放

虛擬實驗是一種基于Web技術、VR虛擬現(xiàn)實技術構建的開放式網(wǎng)絡化的虛擬實驗教學系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學實驗室的數(shù)字化和虛擬化。開設各種虛擬實驗為學生提供了全新的教學環(huán)境。

目前虛擬實驗項目主要有:礦井通風摩擦阻力與摩擦阻力系數(shù)測定、井巷爆破掘進過程及圍巖應力狀態(tài)虛擬實驗、材料拉伸和壓縮時的力學性能測試虛擬實驗、煤炭發(fā)熱量測定虛擬實驗研究、通風機性能鑒定虛擬實驗、采區(qū)巷道布置虛擬實驗、基于VRP平臺的煤樣碳氫元素測定虛擬實驗研究、人的反應能力測試虛擬實驗、巖石巷道炮掘參數(shù)確定虛擬實驗、巖石單軸抗壓實驗的虛擬實驗、礦井開拓方式虛擬實驗。

2.2 開放時間

上述六種開放方式的實驗對學生的開放時間各有不同，有的項目開放時間嚴格，有的項目開放時間靈活。大學生科技創(chuàng)新和教師的科研以及虛擬實驗一般跟隨項目計劃書中要求完成的進度進行，計算機機房開放一般在畢業(yè)學期末和認識實習前進行，畢業(yè)論文、實驗課程中實驗項目的開放和每學期申報的開放項目則是隨學期完成。

2.3 開放范圍

開放范圍也不相同，有面向全校學生的，也有針對本學院學生的。面向全校學生的，一般為每學期申報的開放項目，但絕大多數(shù)是面向本專業(yè)學生開放。

2.4 開放程序和要求

開放的程序為:教師申報或實驗室提供實驗項目——專家審批(建議資助經(jīng)費)—— 實驗室立項發(fā)布——學生提出申請——開放實驗室接受申請——學生進入開放實驗課題——在教師指導下完成——撰寫總結報告和發(fā)布成果——實驗室組織專家驗收——資料歸檔。

開放要求:1)教師和學生必須提前預約，一方面實驗室老師根據(jù)開放實驗的性質和內容，結合理論課程實驗課表，合理安排開放實驗時間和開放地點，另一方面實驗耗材的準備可有的放矢，減少重復購置。2)指導教師和學生必須遵守實驗室的管理制度，包括教師管理制度、學生管理制度、實驗室管理制度。各類開放實驗室的管理制度應有學生守則，應有學生參與的管理機制，既可優(yōu)化管理結構，促進學生科研和學習積極性，同時也提高了實驗室和設備的利用率，增加產出比。3)實驗過程必須登記，具體到實驗時間、實驗內容、實驗學生、指導教師等，除養(yǎng)成科學嚴謹?shù)淖黠L外，還可對實驗倒查，了解開放進展。4)開放實驗結束后必須檢查驗收。主要是儀器設備使用完好情況，安全衛(wèi)生情況，損失賠償情況等。

3 開放費用來源

開放實驗的費用主要采取下述方式來解決，一是開放課題與教師科研工作結合的方式，如教師科研、大學生科技創(chuàng)新、虛擬實驗項目;二是對于某些與科研項目無關的課題，試劑耗材從實驗室維持費中支出，分析測試則由指導教師負責籌集，如課程中實驗項目的開放、每學期申報的開放項目、計算機機房開放。其研究成果由老師和學生協(xié)商和共享。

4 實驗室開放效果

1)學生參與的積極性明顯提高，如每學期申報的開放項目，一般為16學時，學生不僅鍛煉了動手能力，而且可修得1個學分。

2)產生成果，如科技展覽、論文發(fā)表。

在第三屆全國高校采礦工程專業(yè)學生實踐作品大賽中我校兩項作品“新型基點快速安裝頂板離層儀”獲二等獎，作品“綜放工作面端頭液壓支架模型”獲三等獎。

每年堅持進行科技成果展覽、科技創(chuàng)新座談等活動環(huán)節(jié)?？萍汲晒褂[面向全校廣大師生，將科技創(chuàng)新作品直觀的展現(xiàn)人們面前，每次舉辦該活動都能吸引眾多的學生、教師、周圍居民的參觀，并給予大量的信息反饋，這些反饋意見可促使科技創(chuàng)新作品達到更高的水準。學生的畢業(yè)論文、學生參與教師科研等都有論文發(fā)表。

3)虛擬實驗共享

用切合實際，合理選擇開發(fā)技術實現(xiàn)教學型虛擬實驗的建設，不僅更新了實驗教學觀念，重新認識了虛擬實驗室的重要作用，解決了場地和實驗器材等硬件問題，而且完整的虛擬實驗的成功應用實現(xiàn)了資源的共享，全面體現(xiàn)出知識的再現(xiàn)性、在線性和更新性。學生的好奇心、主動性、互動性得到極大的提高。

4)得到相關單位的認可

作為應用型人才培養(yǎng)的高校，華北科技學院一直重視實踐教學、突出培養(yǎng)能力把能力培養(yǎng)放置首位，開放實驗教學正好與之契合，礦業(yè)工程類專業(yè)培養(yǎng)出的學生得到相關單位的認可。在研究生入學面試、企業(yè)現(xiàn)場實際考核方面，得到了高校和用人企業(yè)的肯定，研究生面試學生都被高校錄取、工廠認可度令人欣喜。

5 實驗室開放存在的問題及其措施

5.1 問題

1)管理難度加大

與傳統(tǒng)實驗室相比，開放實驗室在運行過程中，存在著實驗時間不確定、實驗項目更多、實驗內容日趨復雜、實驗對象的多層次和多專業(yè)等許多問題。開放實驗是學生自主進行實驗，相對較為分散，這樣給實驗室的安全、有效管理帶來了新問題。

2)經(jīng)費

實驗室的全面開放，必然會涉及到經(jīng)費問題，包括實驗室的運行管理、儀器設備的保養(yǎng)維護、實驗用品消耗等費用，以及開放性實驗中的不確定性因素導致增加的費用等。此外，還涉及到指導教師的酬金問題。但開放實驗形式靈活多變，并且往往和正常實驗共享實驗室資源，因此難以統(tǒng)計開放實驗的經(jīng)費投入量，加上學校很少為開放實驗設置專項經(jīng)費，而現(xiàn)有的實驗室運轉經(jīng)費已不能適應實驗室開放的需要，資金不足。資金的不到位直接影響到實驗教師和實驗人員參與開放實驗教學工作的積極性，影響了實驗質量和開放的效果。

3)實驗室安全問題。實驗室開放以后，使用實驗室的時間幾乎是全天候的，個別實驗需要晝夜持續(xù)進行，同時使用實驗室的人員在經(jīng)驗、技能、安全意識上參差不齊，帶來的安全隱患就更大，實驗室的安全管理工作量大大增加。

4)設備管理問題。設備管理是開放實驗室最突出的問題，如管理不當，不但容易發(fā)生設備故障，還能引發(fā)實驗人員之間的矛盾和摩擦。與此同時，由于不同學生的知識水平和操作技能存在較大差異，而開放實驗中指導教師直接參與指導或引導的力度減少，這在一定程度上更易造成儀器設備的損壞，使得對儀器設備的維護保養(yǎng)任務重、難度加大。

5.2 措施

針對實驗室開放以上存在的問題，采取以下措施加以解決:

1)師生要嚴格遵守實驗室開放管理辦法、儀器設備管理辦法、低值消耗品領用辦法、開放實驗室安全使用規(guī)定等一系列規(guī)章制度，對進入開放實驗室進行實驗的學生提出具體要求或條件限制，如提前提出申請，由實驗室老師帶領對各項管理制度進行學習，并通過巡查對開放實驗室進行監(jiān)控管理，以確保實驗室運行的安全性、有序性和高效性［7，8］。還要建立一系列鼓勵師生參與科技創(chuàng)新活動的獎勵政策和制度，促進實驗室開放搞活。

2)實驗用品的消耗可以從每年學校劃撥到院部的實驗教學經(jīng)費給予支出，大型設備測試費用出臺相應標準，因使用不當造成的設備損壞由學生按照儀器設備管理辦法給予一定賠償，因不可抗力引起的設備損壞由公用設備維修費支出。由于開放實驗指導教師的工作量大大增加，應根據(jù)實驗指導教師的職稱適當提高對應的報酬，以充分調動其積極性和主動性，為實驗室開放的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件［4－7］。

3)必須采取措施對實驗室安全加以保證，一是要進行崗前安全培訓，所有參與實驗的學生由實驗室專職人員先進行集中培訓，然后在專職教師的指導下，用一周的時間熟悉實驗室;二是實行值班制，正常上班時間由實驗室專職人員負責值班，業(yè)余時間按值班表由指導教師輪班巡查;三是實行至少2人在場操作，以便在有安全事故時互相救應。

4)必須加強管理，一是建立完整的設備檔案資料，嚴格操作程序;二是在設備上掛牌或標注警示標記或安全操作要點，杜絕錯誤操作;三是實行設備使用登記和交接制度。設備使用前由前一次使用設備的人員或專職實驗人員現(xiàn)場交接和開機操作，如設備有故障，使用方可拒絕接受，也可進行協(xié)商，明確責任并在使用記錄上書面記錄責任后，可以接受該設備，維修由造成損失的一方負責協(xié)調解決，通過這些辦法，大大減少了設備故障率，杜絕了使用人員之間的矛盾。

6 實驗室開放教學模式圖

開放性實驗教學模式，不能只停留在開放了幾個實驗室、是否采用了預約選課系統(tǒng)等簡單層面上。而是要求學生在開放實驗過程中，不僅要提高邏輯思維和動手操作的能力，還要提高文獻查閱、數(shù)據(jù)處理、技術總結、甚至社交等各方面的綜合素質和能力［9］。

根據(jù)以上并結合學校實際，制定了礦業(yè)工程類開放實驗教學模式圖，如圖1所示。

圖1 礦業(yè)工程類實驗開放教學模式圖

7 結語

礦業(yè)工程類學科實驗開放教學必將極大促進學生自主學習，勇于創(chuàng)新的積極性，并將興趣愛好與所學專業(yè)融為一體，理論與實踐緊密結合，更好地為社會提供技術積累，，更好地促進教學質量的提高，更有助于向社會輸送有工程實踐能力且有科技創(chuàng)新能力的合格人才。

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