以“錨桿支護(hù)”綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例探討“新工科”背景下綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法

杜學(xué)領(lǐng)

（1. 貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003；2. 山東科技大學(xué) 礦業(yè)工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山東 青島 266590）

“新工科”建設(shè)在一定程度上代表著中國高等工程教育的未來，是高等工程教育領(lǐng)域應(yīng)對科技變革、技術(shù)進(jìn)步、社會(huì)未來發(fā)展需求的主動(dòng)出擊[1-2]。近年來，國內(nèi)學(xué)者對“新工科”建設(shè)進(jìn)行了諸多研究，如楊小兵提出“新工科”背景下高校應(yīng)完善創(chuàng)新實(shí)踐教育[3]；孫康寧等認(rèn)為應(yīng)將知識、能力、實(shí)踐、創(chuàng)新進(jìn)行一體化培養(yǎng)[4]。劉湉祎基于知識生產(chǎn)模式視角認(rèn)為“新工科”建設(shè)應(yīng)重點(diǎn)考慮學(xué)科融合、突出實(shí)踐等[5]；劉吉臻等認(rèn)為行業(yè)特色型大學(xué)要想與綜合性大學(xué)、地方高校呈三足鼎立之勢，應(yīng)立足行業(yè)促進(jìn)學(xué)科交叉融合，從數(shù)量優(yōu)勢轉(zhuǎn)向質(zhì)量優(yōu)勢，認(rèn)清“新”是“新工科”建設(shè)的本質(zhì)和內(nèi)涵，推動(dòng)傳統(tǒng)工科升級，將高等工程教育改革落到實(shí)處[6]。高水平的本科工程教育不僅需要系統(tǒng)思維，還要處理好理論與實(shí)踐、課堂與現(xiàn)場、要素與系統(tǒng)的關(guān)系[7-8]。礦業(yè)類學(xué)科在我國屬于行業(yè)特色學(xué)科，按傳統(tǒng)視角還屬于艱苦行業(yè)。近年來，隨著機(jī)械化、智能化、數(shù)字化、綠色開采等技術(shù)的推廣應(yīng)用，采礦業(yè)已與傳統(tǒng)采礦表現(xiàn)出不同的特征，礦業(yè)類學(xué)科表現(xiàn)出對機(jī)械、力學(xué)、材料等學(xué)科交叉融合的現(xiàn)實(shí)需求。與以往注重課本理論知識學(xué)習(xí)相比，“新工科”背景下的采礦人才要具有解決復(fù)雜工程問題的能力，在人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)要以相應(yīng)的綜合性訓(xùn)練為支撐。本文以采礦工程綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例，探討“新工科”背景下綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法。

1 綜合性實(shí)驗(yàn)概述

1.1 何為綜合性實(shí)驗(yàn)？

國內(nèi)對于何為綜合性實(shí)驗(yàn)有諸多討論。有的認(rèn)為本科的教學(xué)實(shí)驗(yàn)可分為基礎(chǔ)型、設(shè)計(jì)型、探究型三種，而并未將綜合性實(shí)驗(yàn)列入其中[9]，還有的認(rèn)為綜合性實(shí)驗(yàn)應(yīng)是學(xué)生在具備一定學(xué)科專業(yè)知識基礎(chǔ)上，通過對理論知識、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)手段等的綜合來實(shí)現(xiàn)學(xué)生綜合素質(zhì)提升的一種復(fù)合型實(shí)驗(yàn)[10-12]。吳新開等提出，在進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮互補(bǔ)性、交融性、滲透性、承前啟后、遞進(jìn)、平行、系統(tǒng)、發(fā)展性等原則[13]。施鼎方等認(rèn)為，可通過精心設(shè)計(jì)、課程協(xié)作、企業(yè)參與等途徑提高綜合性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量[14]。在2018 年發(fā)布的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《國標(biāo)》）中，對于礦業(yè)類專業(yè)明確提出，“實(shí)驗(yàn)教學(xué)在 300 學(xué)時(shí)左右（250~500 學(xué)時(shí)）……，其中綜合性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)不低于總實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的 50%”，并明確給出綜合性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)的解釋[15]，但該解釋與前述研究存在相左之處。

筆者認(rèn)為，綜合性實(shí)驗(yàn)是由若干個(gè)實(shí)驗(yàn)組成的一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)的每一個(gè)分支都服務(wù)于該系統(tǒng)核心目的的達(dá)成。在該系統(tǒng)中，知識、手段、方法是相互影響的，不同的知識需要有不同的手段來支撐，需要有不同的方法來實(shí)現(xiàn)，對于不同的實(shí)驗(yàn)手段和方法也需要有不同的知識來解讀。從教學(xué)目的而言，綜合性實(shí)驗(yàn)希望通過系統(tǒng)呈現(xiàn)某一問題，而使學(xué)生更加深刻地認(rèn)識事物本質(zhì)規(guī)律，掌握科學(xué)研究方法。

與單一驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)相比，綜合性實(shí)驗(yàn)的規(guī)模、廣度、深度都有所提升；與研究性或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相比，綜合性實(shí)驗(yàn)的核心問題由教師提出，而非由學(xué)生提出。但在進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生有可能發(fā)現(xiàn)問題并提出解決問題的方案，即在確立綜合性實(shí)驗(yàn)核心問題的前提下，不排斥研究性實(shí)驗(yàn)，甚至綜合性實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)中可以包含部分研究性實(shí)驗(yàn)，但研究性的問題應(yīng)是圍繞綜合性實(shí)驗(yàn)的核心問題而展開的。研究性實(shí)驗(yàn)更加注重學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，而綜合性實(shí)驗(yàn)更加注重在教師引導(dǎo)下學(xué)生對某一核心問題形成更全面的認(rèn)識，二者側(cè)重點(diǎn)不同。

1.2 當(dāng)前教學(xué)改革中綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在的問題

目前，在綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面已有一定研究基礎(chǔ)，但也存在一些問題。

（1）將科研實(shí)驗(yàn)移植為教學(xué)型綜合實(shí)驗(yàn)。如將科技支撐計(jì)劃的部分內(nèi)容轉(zhuǎn)化為本科生的三大實(shí)驗(yàn)[16]，但因這些實(shí)驗(yàn)來源于新獲批的正在進(jìn)行的科研課題，部分內(nèi)容尚處于研究階段，從所需時(shí)間和精力而言，恐怕并不適合作為本科生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。重慶理工大學(xué)基于近20 年成熟的科研成果而設(shè)計(jì)的綜合性實(shí)驗(yàn)，顯然更適合作為本科生的教學(xué)型綜合實(shí)驗(yàn)[17]。

（2）將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)簡單拼接為綜合性實(shí)驗(yàn)。如在大學(xué)物理中共設(shè)置20 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可任選4 個(gè)完成[18]。由于所設(shè)置的 20 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間本身內(nèi)在的邏輯關(guān)系不清晰，僅由學(xué)生根據(jù)興趣選擇，可能使學(xué)生傾向于選擇容易通過的項(xiàng)目，甚至因?yàn)檫@種自由選擇有使實(shí)驗(yàn)課淪為水課的危險(xiǎn)。類似的公共課難免與專業(yè)課教學(xué)脫節(jié)，使之對以后的專業(yè)課學(xué)習(xí)幫助甚微。例如，有學(xué)者提出“一核雙翼三階”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，但其中的演示實(shí)驗(yàn)與專業(yè)結(jié)合不緊密，僅停留在就物理講物理的層面上[19]。

（3）體系、平臺(tái)建設(shè)對綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的反向作用。教學(xué)模式、范式、體系等的建設(shè)在教改領(lǐng)域?qū)映霾桓F，如果將這些建設(shè)落到實(shí)處對教學(xué)質(zhì)量提升是有益的，但仔細(xì)推敲后卻發(fā)現(xiàn)，一些體系、模式背后的細(xì)節(jié)嚴(yán)重缺失[19-21]。表面上的體系建設(shè)有模有樣，實(shí)際上教學(xué)內(nèi)容可能還是老一套，重形式、輕內(nèi)涵。一些一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也被應(yīng)用到本科教學(xué)中，如在一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中連貫地完成氣化實(shí)驗(yàn)、氣相色譜分析等復(fù)雜過程[22]，這不利于學(xué)生深入理解每一實(shí)驗(yàn)的過程。

造成這些問題的原因主要有兩方面。其一是部分教師對教學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)認(rèn)識不足，生搬硬套科學(xué)實(shí)驗(yàn)理論[23]，忽略了學(xué)生基礎(chǔ)、軟硬件條件等因素，造成所研究的內(nèi)容可復(fù)制性較差、不適宜在本科教學(xué)中推廣。其二是沒有把“新工科”建設(shè)的“新”作為核心，造成部分綜合性實(shí)驗(yàn)空有其形、不接地氣，既不能服務(wù)于學(xué)生未來的實(shí)際需要，也不能體現(xiàn)“新工科”背景下的行業(yè)需求和社會(huì)發(fā)展動(dòng)態(tài)，只不過是在實(shí)驗(yàn)室閉門造車地談實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

2 “新工科”背景下的綜合性實(shí)驗(yàn)改革

2.1 “新工科”背景下綜合性實(shí)驗(yàn)的改革方向

通過對國內(nèi)“新工科”建設(shè)的現(xiàn)有研究進(jìn)行梳理發(fā)現(xiàn)，從學(xué)生培養(yǎng)角度而言，“新工科”建設(shè)更加關(guān)注學(xué)生在新技術(shù)、學(xué)科交叉融合、人文價(jià)值、全局視角、可持續(xù)或終身學(xué)習(xí)能力等方面，與之相近的表述還包括復(fù)合型培養(yǎng)、價(jià)值感與使命感、空間感格局、宏思維、批判性思維、想象力、避免專業(yè)碎片化、高素質(zhì)、適應(yīng)力、引領(lǐng)作用、普適性與聯(lián)通性、專業(yè)能力、跨界整合、領(lǐng)導(dǎo)力、創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)、變革性、超越性、貫通性等[1-8,24-26]。這些研究較為全面地論述了“新工科”背景下人才培養(yǎng)的美好希望，但諸如學(xué)科融合、自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新能力等早在“新工科”出現(xiàn)之前就已被廣泛提及。是以往的教學(xué)改革疲軟無力，還是這些萬金油式的概念始終如一？隨著中國高等教育由精英教育走向大眾教育，我們真的能把每一位學(xué)生都培養(yǎng)成具備領(lǐng)導(dǎo)力的人才嗎？本科教育不能僅是高喊“以本為本”“四個(gè)回歸”，而是應(yīng)做到擲地有聲、腳踏實(shí)地。綜合性實(shí)驗(yàn)作為培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、理論聯(lián)系實(shí)際的手段，更應(yīng)該全面籌謀、落到實(shí)處。

筆者認(rèn)為，“新工科”背景下綜合性實(shí)驗(yàn)改革應(yīng)從下幾方面著手。

（1）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的升級改造。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證性、按部就班的程序性實(shí)驗(yàn)數(shù)量較多，應(yīng)將這部分實(shí)驗(yàn)按照“新工科”的“新”進(jìn)行重新構(gòu)思，推進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的升級改造。

（2）強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)之間的系統(tǒng)性邏輯。不管是知識的綜合，還是實(shí)驗(yàn)手段或方法的綜合，歸根到底都是為了使學(xué)生更加全面、系統(tǒng)地形成對某一問題的認(rèn)識，系統(tǒng)性是綜合性實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)屬性之一。課程群之間的綜合，可以借鑒OBE 設(shè)計(jì)中頂峰成果的設(shè)計(jì)理念，將對畢業(yè)終極目標(biāo)的支撐分散至各個(gè)課程，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)一步完善課程內(nèi)的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化整個(gè)人才培養(yǎng)體系的系統(tǒng)性[27-29]。

（3）在綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中適當(dāng)融入“新工科”的“新”。無論是新理念、新模式、新技術(shù)，還是新素養(yǎng)、新結(jié)構(gòu)、新方法[24-25]，必須放在教學(xué)視角下去考量。符合教學(xué)規(guī)律、教學(xué)要求的，就可以融入；反之，則要果斷舍棄或重新設(shè)計(jì)。要綜合考慮學(xué)生的學(xué)業(yè)基礎(chǔ)、對實(shí)驗(yàn)的接受程度、實(shí)驗(yàn)在不同群體間的可擴(kuò)展性和可復(fù)制性、學(xué)生的未來發(fā)展需求等，而不能不加思考、簡單粗暴地將科研實(shí)驗(yàn)直接用作本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)，僅僅反映科技前沿而無助于教學(xué)的“新”，則要謹(jǐn)慎引入。

（4）加強(qiáng)和完善實(shí)驗(yàn)實(shí)踐共同體協(xié)同共享平臺(tái)建設(shè)。對于某一高校、某一專業(yè)而言，建成全面且與時(shí)俱進(jìn)的平臺(tái)是存在諸多困難的，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)的協(xié)同共享有助于破解這一難題。學(xué)分互認(rèn)的教學(xué)共同體、基于學(xué)科專業(yè)建設(shè)的學(xué)術(shù)共同體、大學(xué)治理共同體等[30-32]，為實(shí)驗(yàn)實(shí)踐共同體協(xié)同共享平臺(tái)建設(shè)奠定了較好的基礎(chǔ)。此外，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐共同體建設(shè)還可從校際平臺(tái)擴(kuò)展到校企平臺(tái)、校研平臺(tái)等，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的合理利用、跨學(xué)科交叉融合、資源優(yōu)勢互補(bǔ)、區(qū)域協(xié)同發(fā)展等。

需要指出的是，“新工科”建設(shè)有諸多要求[1-8,24-26]，但對于某一節(jié)課、某一具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)而言，可能只涉及這些要求中的某一部分，在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有所選擇、有所側(cè)重，而不能求全責(zé)備。

2.2 “新工科”背景下本科教學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般過程

基于前述研究，并結(jié)合國內(nèi)外已有的教學(xué)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將“新工科”背景下本科教學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般過程歸納為“一核多源遞進(jìn)系統(tǒng)反饋設(shè)計(jì)方案”，其技術(shù)路線如圖1 所示。

其核心思想如下。

（1）“一核”指的是綜合性實(shí)驗(yàn)的核心問題。該問題的提出應(yīng)根據(jù)人才培養(yǎng)方案頂峰目標(biāo)下的課程體系確定，頂峰目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要有課程體系的支撐，實(shí)驗(yàn)又是課程體系中的重要部分。不論是課帶實(shí)驗(yàn)還是獨(dú)立設(shè)課實(shí)驗(yàn)，都應(yīng)該服務(wù)于人才培養(yǎng)的頂峰設(shè)計(jì)，而不能單純?yōu)榱俗鰧?shí)驗(yàn)而做實(shí)驗(yàn)。這就要求頂峰設(shè)計(jì)必須清晰、準(zhǔn)確、可行。

（2）“多源”指的是綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)靈感來源。這些來源主要包括：①基于課本知識的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)升級改造；②國家、教育部、省市及行業(yè)協(xié)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)啟發(fā)；③成熟技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室重構(gòu)；④行業(yè)發(fā)展新動(dòng)態(tài)的追蹤反映；⑤跨學(xué)科、跨平臺(tái)、交叉融合的新設(shè)計(jì)；⑥對社會(huì)進(jìn)步新需求或未來發(fā)展新趨勢的研判研發(fā)；⑦在研課題的合理滲透。“多源”為“新工科”背景下的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)注入新內(nèi)涵，但“多源”只是提供實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的靈感來源，并不是每個(gè)來源都要占有一席之地。應(yīng)將每一來源的設(shè)計(jì)置于教學(xué)視角下去檢驗(yàn)，只有符合教學(xué)要求的內(nèi)容才能確立為綜合性實(shí)驗(yàn)的組成部分。

（3）“遞進(jìn)”指的是綜合性實(shí)驗(yàn)中各獨(dú)立實(shí)驗(yàn)之間的邏輯關(guān)系為遞進(jìn)關(guān)系。在該遞進(jìn)關(guān)系中，前一實(shí)驗(yàn)為后一實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的先后順序明確。遞進(jìn)關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)是有利于學(xué)生逐步理解事物的本質(zhì)規(guī)律，進(jìn)而逐步形成對核心問題的全局認(rèn)識，缺點(diǎn)是對實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)的數(shù)量和實(shí)驗(yàn)的流暢度、成功率提出一定要求。當(dāng)子實(shí)驗(yàn)間不能全部采用遞進(jìn)式時(shí)，也可以局部采用平行并列式作為補(bǔ)充。

（4）“系統(tǒng)”指的是整個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)的子單元構(gòu)成一個(gè)圍繞核心問題而展開的綜合性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，按照遞進(jìn)關(guān)系順次完成每一個(gè)子單元，每一個(gè)子單元聚焦于某一個(gè)子問題，這些子問題集又形成整個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。當(dāng)所有實(shí)驗(yàn)完成后，能夠通過該組綜合性實(shí)驗(yàn)形成對核心問題較為全面、系統(tǒng)的認(rèn)識，達(dá)到以小見大的效果。在知識爆炸的當(dāng)下，學(xué)生能夠集中精力高質(zhì)量地完成一件事，對其能力的培養(yǎng)意義重大。

（5）“反饋”指的是綜合性實(shí)驗(yàn)的效果檢驗(yàn)。要對照綜合性實(shí)驗(yàn)中每一子單元的完成情況，檢驗(yàn)子單元對整個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的支撐情況，并對子單元作出不斷調(diào)整和改進(jìn)。還要檢驗(yàn)綜合性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對頂峰目標(biāo)的達(dá)成是否起到支撐作用、支撐強(qiáng)度如何、教學(xué)設(shè)計(jì)是否合理、是否達(dá)成教學(xué)目標(biāo)等，以便在下一輪教學(xué)時(shí)持續(xù)改進(jìn)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)?！胺答仭钡脑O(shè)計(jì)保證了綜合性實(shí)驗(yàn)處于動(dòng)態(tài)調(diào)整中，從而能夠不斷適應(yīng)“多源”的新變化。

3 “錨桿支護(hù)”綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例

“礦山壓力與巖層控制”（以下簡稱“礦壓課”）是采礦工程的專業(yè)核心課程，課程內(nèi)容以巖層運(yùn)移規(guī)律和控制技術(shù)為主，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在掌握理論的基礎(chǔ)上解決工程實(shí)際問題的能力。近年來，錨桿作為主要支護(hù)材料已被廣泛應(yīng)用于煤礦巷道、硐室、隧道、邊坡、基坑等場合，錨桿支護(hù)問題與當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展、工程應(yīng)用聯(lián)系緊密，兼具專業(yè)特色和工程通用性。以下以“礦壓課”中的支護(hù)部分為例，結(jié)合錨桿這種支護(hù)材料，探討綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)。

3.1 核心問題的確立

我校采礦工程專業(yè)畢業(yè)生以面向礦業(yè)領(lǐng)域、服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、具備高素質(zhì)工程應(yīng)用能力為主要特征。從頂峰設(shè)計(jì)而言，本專業(yè)培養(yǎng)的是礦業(yè)領(lǐng)域的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，相應(yīng)的成果產(chǎn)出體現(xiàn)為畢業(yè)設(shè)計(jì)。畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)集中呈現(xiàn)學(xué)生對本學(xué)科理論的理解和應(yīng)用能力，但近幾年學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中對“礦壓課”知識的應(yīng)用相對較少，說明該核心課程對頂峰目標(biāo)的支撐不夠。通過對國內(nèi)同行在2018 年出版的本專業(yè)實(shí)驗(yàn)類著作的調(diào)研發(fā)現(xiàn)[33-34]，兩部著作合計(jì)設(shè)置實(shí)驗(yàn)82 個(gè)，實(shí)驗(yàn)總量難以達(dá)到“國標(biāo)”要求，且存在系統(tǒng)綜合性不強(qiáng)、課程群之間的實(shí)驗(yàn)構(gòu)建不成體系等問題。此外，這82 個(gè)實(shí)驗(yàn)以演示、講解、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，與“國標(biāo)”中對綜合性和研究性實(shí)驗(yàn)的導(dǎo)向不符。

在“新工科”建設(shè)背景下，應(yīng)適應(yīng)新時(shí)期的發(fā)展要求。錨桿是近年來我國煤礦巷道中采用的最主要的一種支護(hù)材料，將錨桿作為主要著眼點(diǎn)，并提出“錨桿支護(hù)”這一核心問題，符合學(xué)生畢業(yè)頂峰設(shè)計(jì)需要及學(xué)生未來工作的職業(yè)需求。

3.2 “多源”視角下子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方向

在“多源”視角下，可開設(shè)的子實(shí)驗(yàn)主要有：

（1）基于課本知識的實(shí)驗(yàn)。本部分的核心是要求學(xué)生掌握錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)方法，因此錨桿支護(hù)實(shí)驗(yàn)必不可少。此外，還可考慮金屬材料拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，錨桿錨索無損檢測實(shí)驗(yàn)，相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，巖石物理力學(xué)測定實(shí)驗(yàn)等。

（2）根據(jù)科技進(jìn)步獎(jiǎng)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)。調(diào)研近年來國家、省、市及中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)的科技進(jìn)步獎(jiǎng)情況，與“錨桿支護(hù)”這一核心問題相關(guān)的內(nèi)容主要包括：新型支護(hù)材料研發(fā)，如錨固劑研發(fā)、柔模復(fù)合材料支護(hù)等；復(fù)雜地質(zhì)條件下的支護(hù)問題，如深部軟弱破碎圍巖穩(wěn)定性問題、礦井水害對圍巖穩(wěn)定性的影響等；高產(chǎn)高效的技術(shù)攻關(guān)，如大斷面全煤巷道高強(qiáng)度錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)、快速掘進(jìn)支護(hù)等。上述問題可在實(shí)驗(yàn)室條件下得到一定體現(xiàn)，如柔模復(fù)合材料支護(hù)可以轉(zhuǎn)化為相似模擬實(shí)驗(yàn)的材料配比，復(fù)雜地質(zhì)條件下的支護(hù)問題可以轉(zhuǎn)化為不同支護(hù)材料、支護(hù)條件的對比實(shí)驗(yàn)及不同錨桿的拉拔試驗(yàn)等。

（3）成熟技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室重構(gòu)。與核心問題“錨桿支護(hù)”密切相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)主要有《煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》[36]，其中涉及的主要問題有：不同的支護(hù)條件，如煤巷、半煤巖巷、巖巷；錨桿的種類，如注漿錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿、樹脂錨桿、玻璃纖維復(fù)合錨桿等；錨桿的性能參數(shù)，如錨固力、粘結(jié)強(qiáng)度、伸長率等；支護(hù)設(shè)計(jì)方法，包括工程類比、理論計(jì)算、數(shù)值模擬等；質(zhì)量檢測，包括鉆孔質(zhì)量檢測、拉拔試驗(yàn)、安裝幾何參數(shù)檢測、預(yù)緊力矩檢測、工作載荷監(jiān)測等。

（4）對行業(yè)發(fā)展新動(dòng)態(tài)的追蹤。近年來，行業(yè)研發(fā)推廣的錨桿包括橫阻大變形錨桿、可接長錨桿、高預(yù)緊力錨桿、吸能錨桿、高沖擊韌性錨桿等。

（5）對跨學(xué)科跨平臺(tái)交叉融合的思考。從錨桿支護(hù)本身而言，可能涉及材料、化學(xué)、模具、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、經(jīng)濟(jì)等方面。材料方面，可研發(fā)新型錨桿支護(hù)材料，研究材料的宏細(xì)觀特征；化學(xué)方面，可研發(fā)新型錨固劑、膠結(jié)材料；模具、結(jié)構(gòu)方面，可圍繞錨桿桿體肋型、肋型分布等展開；力學(xué)方面，包括桿體本身的力學(xué)測試和與圍巖相互作用的測試；經(jīng)濟(jì)方面，可對不同錨桿、支護(hù)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。

（6）對社會(huì)進(jìn)步新需求或未來發(fā)展新趨勢的研判研發(fā)。包括輕便高效低價(jià)的支護(hù)材料、環(huán)境友好型支護(hù)材料、高效支護(hù)技術(shù)、不同條件下支護(hù)材料的適用性及回收利用問題等。

（7）在研課題的合理滲透。近年來，國家自然科學(xué)基金立項(xiàng)課題中相關(guān)的研究主要有全長粘結(jié)型錨桿、復(fù)合錨固類結(jié)構(gòu)、錨桿應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、錨桿無損檢測等，由于這些內(nèi)容仍處于研發(fā)階段，實(shí)驗(yàn)室缺少相應(yīng)的設(shè)備、材料，一般不適合直接用作本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

3.3 教學(xué)視角下綜合性實(shí)驗(yàn)的選擇

鑒于“多源”視角下的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方向和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置較多，還需要進(jìn)一步結(jié)合教學(xué)要求來確定。主要應(yīng)考慮如下因素：①實(shí)驗(yàn)室的硬件條件，是否具備開展相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備、材料的條件；②師資條件，是否具備開展相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的師資力量；③教學(xué)管理，是否對實(shí)驗(yàn)改革給予積極支持；④學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，是否具備接受所開設(shè)實(shí)驗(yàn)的學(xué)業(yè)基礎(chǔ)；⑤學(xué)生的學(xué)習(xí)收獲，通過學(xué)習(xí)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)是否能較大程度上獲得預(yù)期的學(xué)習(xí)收獲。經(jīng)過教學(xué)條件的檢視，符合要求的實(shí)驗(yàn)可以保留，而現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件很難滿足要求的內(nèi)容一般應(yīng)予以舍去，這樣留下來的一般為具有較大實(shí)施可行性的實(shí)驗(yàn)。對于本例而言，反映社會(huì)進(jìn)步新需求或未來發(fā)展新趨勢及在研課題的內(nèi)容等因不符合教學(xué)條件要求，在本輪教學(xué)改革中不做重點(diǎn)考慮。

接下來按照遞進(jìn)、系統(tǒng)性邏輯，對檢視后的內(nèi)容進(jìn)行重新編排。首先確立與核心問題相對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)為“錨桿支護(hù)原理及支護(hù)設(shè)計(jì)”。該實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生理解課本的錨桿支護(hù)原理，并通過支護(hù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)及未來工作中的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)能力。向前推演，進(jìn)行錨桿支護(hù)需要有相應(yīng)的被支護(hù)體、錨固劑，因此，在其之前可設(shè)置“相似模擬材料配比及型模強(qiáng)度測定”“錨固劑的調(diào)制及性能”兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)；向后推演，進(jìn)行錨桿支護(hù)后，需要對錨桿支設(shè)的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)和評價(jià)，因此可設(shè)置“錨桿支設(shè)質(zhì)量檢測”“錨桿無損檢測”兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。以上選定實(shí)驗(yàn)的遞進(jìn)、系統(tǒng)性邏輯為：①根據(jù)相似材料配比確定工程條件；②熟悉錨固劑的性能，并根據(jù)工程條件選擇錨固劑；③在給定工程條件和錨固劑的前提下，進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)；④檢驗(yàn)錨桿支設(shè)的參數(shù)及性能；⑤通過無損檢測對錨桿支護(hù)進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)。上述實(shí)驗(yàn)中的③—⑤與學(xué)生未來的職業(yè)技能需求密切相關(guān)，有助于應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。

3.4 細(xì)化綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.3 節(jié)確定的五項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容如下：

（1）相似模擬材料配比及型模強(qiáng)度測定實(shí)驗(yàn)。根據(jù)給定資料及要求，進(jìn)行文獻(xiàn)查閱，采用河砂、水泥、碳酸鈣等材料按照相似模擬實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)材料配比，并在模具中完成標(biāo)準(zhǔn)試樣的制模。待型模穩(wěn)定后，在壓力機(jī)上測定其單軸抗壓強(qiáng)度，分析試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線特點(diǎn)及其與課本中典型曲線存在差異的原因，對破壞后的試樣編號并收集備用。

（2）錨固劑的調(diào)制及性能實(shí)驗(yàn)。根據(jù)給定資料及要求（富水、堿性、酸性、高溫等），進(jìn)行文獻(xiàn)查閱，任選視角設(shè)計(jì)錨固劑及添加劑的比例，并據(jù)此完成錨固劑的調(diào)制。采用 SEM 方法，分別對調(diào)配前的錨固劑骨料、破壞后的相似模擬型模和調(diào)配的錨固劑進(jìn)行微觀形貌觀察。

（3）錨桿支護(hù)原理及支護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)給定資料及要求，進(jìn)行文獻(xiàn)查閱，并采用相似模擬實(shí)驗(yàn)的型模、卵石、煤塊等材料，設(shè)計(jì)并完成模擬地層鋪設(shè)，記錄分層厚度和材料配比，并按照錨桿結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果，論述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與錨桿支護(hù)原理的關(guān)系。

（4）錨桿支設(shè)質(zhì)量檢測實(shí)驗(yàn)。對前述實(shí)驗(yàn)（3）模型中的錨桿施加預(yù)緊力，并結(jié)合預(yù)緊力、錨桿直徑等參數(shù)，進(jìn)一步辨析錨桿預(yù)緊力矩及錨桿預(yù)應(yīng)力的概念。同時(shí)，參照相似模擬材料級配等制作長方體模型，并打鉆孔、安裝錨固劑、裝設(shè)錨桿，分別對實(shí)驗(yàn)（3）及此長方體中的錨桿進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，觀察實(shí)驗(yàn)過程中錨固結(jié)構(gòu)破壞的位置，分析破壞原因。在進(jìn)一步閱讀文獻(xiàn)、進(jìn)行調(diào)研后，提出可能的解決方案。

（5）錨桿無損檢測實(shí)驗(yàn)。獲取實(shí)驗(yàn)（4）中的錨桿和同一批次未進(jìn)行試驗(yàn)的錨桿，在長方體模型中制模，并設(shè)計(jì)不同工況，將上述錨桿應(yīng)用于這些工況。采用錨桿質(zhì)量無損檢測儀（地面工況常用）、礦用本安型錨桿錨索無損檢測儀（地下工況常用）分別進(jìn)行無損檢測，記錄兩種檢測手段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將其與拉拔試驗(yàn)的破壞性檢測結(jié)果進(jìn)行對比。在進(jìn)一步閱讀文獻(xiàn)、進(jìn)行調(diào)研后，從檢測原理、數(shù)據(jù)處理、無損檢測準(zhǔn)確度、檢測結(jié)果與 SEM 實(shí)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)性、技術(shù)發(fā)展構(gòu)想等方面展開論述。如有必要，可自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究性驗(yàn)證。

4 結(jié)語

本文所列舉的“錨桿支護(hù)”綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)相似模擬實(shí)驗(yàn)、單軸實(shí)驗(yàn)的升級改造，并強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)子單元之間的系統(tǒng)性邏輯，在教學(xué)視角下整合文獻(xiàn)查閱、方案設(shè)計(jì)、團(tuán)隊(duì)合作、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果反思等內(nèi)容，并融入SEM 微觀形貌觀測、無損檢測等跨學(xué)科內(nèi)容，在一定程度上體現(xiàn)了“新工科”建設(shè)對現(xiàn)代工具使用、學(xué)科交叉融合、新技術(shù)、新思維、高素質(zhì)等方面的人才培養(yǎng)要求。該綜合性實(shí)驗(yàn)的核心實(shí)驗(yàn)“錨桿支護(hù)原理及支護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”在我校已進(jìn)行了多輪教學(xué)實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)早期以單獨(dú)的課帶實(shí)驗(yàn)開設(shè)，逐漸改革為獨(dú)立設(shè)置的實(shí)驗(yàn)課環(huán)節(jié)。學(xué)生參與此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的積極性較高，大部分學(xué)生可完成無膠結(jié)破碎煤巖塊體的錨桿支護(hù)，有助于學(xué)生更為直觀地理解錨桿支護(hù)理論，是理論教學(xué)的重要補(bǔ)充。但教學(xué)實(shí)踐中在教學(xué)管理、師資隊(duì)伍、工程適用性等方面出現(xiàn)了一些新問題，有待于在今后的教學(xué)實(shí)踐中不斷完善和持續(xù)改進(jìn)。