新工科背景下采礦工程專業(yè)智能開采人才培養(yǎng)探索

丁自偉，柴 敬，解盤石，孫偉博，郭衛(wèi)彬，王紅偉

一、智能開采人才培養(yǎng)的背景

自“新工科”概念提出以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”等指導性文件，就如何建設新工科提出指示：改造傳統(tǒng)學科專業(yè)，服務地礦、鋼鐵、石化、機械、輕工、紡織等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、向價值鏈中高端發(fā)展［1-2］。隨著社會科技逐漸進步，礦產(chǎn)資源開采向深地、深海與深空發(fā)展，采礦工程作為傳統(tǒng)的工科行業(yè)之一，也必然隨之向少人化、無人化方向發(fā)展。因此，建設智慧化礦山、實現(xiàn)智能化開采，培養(yǎng)智能開采人才，是煤炭工業(yè)技術革命和升級發(fā)展的必然要求［3］?！赌茉醇夹g革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》重點任務之一就是要提升煤炭開發(fā)效率和智能化水平，研發(fā)智能化工作面并在重點煤礦區(qū)基本實現(xiàn)工作面無人化。產(chǎn)業(yè)發(fā)展與工程教育人才聯(lián)系緊密、互相支撐，能源技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢必需要大量的工程教育人才來支撐，做好工程教育主動布局和深化改革，必將對經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級起到推進作用［4］。

對于傳統(tǒng)采礦工程而言，目前工程教育人才培養(yǎng)模式存在許多問題，培養(yǎng)理念、培養(yǎng)目標及培養(yǎng)模式均與能源技術發(fā)展存在一定程度脫節(jié)，已不能完全適應現(xiàn)代煤炭開采轉(zhuǎn)型升級需求。因此，積極探索工程教育改革，面向未來培養(yǎng)工程人才，服務國家能源智慧礦山建設戰(zhàn)略發(fā)展新需求，培育新時代新工科背景下智能開采人才，必將成為采礦工程人才培養(yǎng)的新趨勢。例如，在新工科理念的指導下，武漢科技大學針對本校采礦工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式與創(chuàng)新人才培養(yǎng)不協(xié)調(diào)問題，提出了采礦工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)改革應該遵循交叉與融合相結合、繼承與創(chuàng)新相結合、協(xié)調(diào)與共享相結合的三結合原則［5］；新疆大學提出了以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標、優(yōu)化課程體系為基礎、強化實踐教學為途徑、培養(yǎng)寬采礦專業(yè)人才為特色的課改思路［6］。在智能化開采方面，傳統(tǒng)的礦業(yè)類高校積極尋求采礦工程教育培養(yǎng)模式改革［7］，如中國礦業(yè)大學、北京科技大學、東北大學、山東科技大學等均在傳統(tǒng)采礦工程基礎上，開設智能開采人才培養(yǎng)特色班，進行了煤礦智能開采人才培養(yǎng)模式探索。其中，西安科技大學基于新工科背景下煤礦智能開采“金課”設計和實踐進行了探索，建設了具有前沿性和時代性的模塊化學習內(nèi)容及網(wǎng)絡平臺資源［8-9］；中國礦業(yè)大學采礦工程專業(yè)通過融入理論型實踐、虛實結合的實驗和實踐教學、多元化的現(xiàn)場實踐等形式，形成了以實踐提升理論教學效果、以實驗和現(xiàn)場實踐提升實踐能力、以科研活動提升創(chuàng)新能力的采礦工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)“三提升”創(chuàng)新實踐教學體系［10-13］。以上基于新時代智能化開采人才模式的探索，對于進一步研究如何培養(yǎng)學科基礎扎實、創(chuàng)新能力強、綜合素質(zhì)高的智能開采專業(yè)人才，促進煤炭開采工業(yè)發(fā)展意義重大。

本文以西安科技大學采礦工程專業(yè)為研究對象，以國家改造升級傳統(tǒng)行業(yè)及新工科建設為背景，以滿足采礦工程基本能力培養(yǎng)、強化智能開采方向素質(zhì)為基本思路，以解決傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)人才培養(yǎng)面臨問題為切入點，探索了建立適應新時代智能開采需要的人才培養(yǎng)體系。

二、新工科理念下傳統(tǒng)采礦工程人才培養(yǎng)存在的問題及升級路徑

1.采礦工程的新工科建設內(nèi)涵

采礦工程的新工科建設，即對傳統(tǒng)的采礦工程教育進行轉(zhuǎn)型升級，使之逐漸符合甚至引領世界采礦工業(yè)發(fā)展的趨勢，培養(yǎng)能在礦山開采領域從事智能化開采設計與施工、生產(chǎn)與管理、科學研究等工作的應用型高級技術人才。采礦工程新工科建設內(nèi)涵可從以下幾方面闡釋：

（1）樹立新理念。充分認識到學科交叉、邊緣學科等的融合創(chuàng)新，摸清行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，面向2030智能開采能源戰(zhàn)略提前布局，樹立培育符合行業(yè)發(fā)展需求、具有現(xiàn)代創(chuàng)新意識及綜合能力的新工科智能開采人才培養(yǎng)理念。

（2）培育新人才。圍繞新時代、新技術、新產(chǎn)業(yè)對工程技術人才培育需求，結合采礦工程基本能力要求，建立一批跨學科、多領域的新工科專業(yè)，以新工科的理念升級改造傳統(tǒng)的采礦工程，力求培育能在礦山開采領域從事智能化開采設計與施工、生產(chǎn)與管理、科學研究等工作的應用型高級專門人才。

（3）融合新知識。以人工智能基礎理論、自動化和智能采礦基本原理和技術為基礎，圍繞煤炭綠色智能采掘裝備、煤炭無人智能開采技術等新興產(chǎn)業(yè)，著眼新技術、新知識，大力發(fā)展交叉學科，逐步推進新技術發(fā)展與工程教育專業(yè)知識的融合，從而建立科學的新工科采礦工程教育人才培養(yǎng)知識體系。

2.傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)人才培養(yǎng)存在的問題及升級路徑

依據(jù)國家政策導向、行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、高質(zhì)量工程技術人才培養(yǎng)的新需求，傳統(tǒng)礦業(yè)工程高等教育要在審視自身存在問題的基礎上重新定位并打造升級路徑，具體如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)采礦工程人才培養(yǎng)存在的問題及升級改造路徑

（1）培養(yǎng)理念不適應。目前煤炭工業(yè)逐漸由勞動密集型升級為技術密集型，開始走智能、無人、安全開采之路，培養(yǎng)智能開采專業(yè)技術人才、滿足煤礦安全高效智能開采需求迫在眉睫。當前，采礦工程培養(yǎng)模式多沿用數(shù)十年前的工程教育培養(yǎng)體系，培養(yǎng)理念與新時代智慧礦山建設背景不適應。因此，采礦工程教育應響應國家新工科改革理念，緊追采礦行業(yè)發(fā)展趨勢，圍繞智能開采進行人才培養(yǎng)，將互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術融入教學內(nèi)容，培養(yǎng)符合時代發(fā)展與產(chǎn)業(yè)行業(yè)要求的采礦工程高級專門人才。

（2）人才結構不適應。目前，傳統(tǒng)型的采礦工程人才相對過剩，但基礎、新興、高端領域工程的科技人才相對短缺，不足以支撐煤炭行業(yè)智能開采轉(zhuǎn)型升級的工程教育需求。因此，采礦工程教育要加速推進智能開采人才教育體系改革，做好工程教育的主動布局和深化改革，培育面向采礦行業(yè)發(fā)展前沿工程技術人才，否則將會延緩產(chǎn)業(yè)升級的進程。

（3）知識體系不適應。傳統(tǒng)采礦工程教育知識陳舊，與行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在一定脫節(jié)現(xiàn)象，學科專業(yè)仍按原有知識體系培養(yǎng)，靈活性不強，培養(yǎng)工程技術人才不具備適應新型市場環(huán)境及產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展需求的創(chuàng)新應用技能。新工科建設背景下，應以新工科、新理念、新模式展開專項培養(yǎng)，通過一系列課程體系改革構建適應新時代知識框架體系，使學生成為具備可持續(xù)競爭力、豐富知識、過硬本領以及國際領先技術的創(chuàng)新人才。

三、西安科技大學智能開采人才培養(yǎng)模式探索

我國西部礦區(qū)煤炭資源豐富，煤炭產(chǎn)量占全國煤炭產(chǎn)量的50%以上。西安科技大學依托于近年西部煤炭資源大開發(fā)地理優(yōu)勢，學科建設取得了巨大成績，逐漸形成了立足西部、層次完備、專業(yè)齊全的工程教育體系［14］。西安科技大學采礦工程專業(yè)是國家一流專業(yè)、國家特色專業(yè)、教育部卓越工程師計劃實施專業(yè)和陜西省“一流專業(yè)”建設專業(yè)，采礦工程專業(yè)培養(yǎng)本科畢業(yè)生有60%以上服務于西部煤炭行業(yè)，且大多成為企業(yè)的技術與管理骨干。隨著近年來企業(yè)轉(zhuǎn)型升級和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展對采礦工程智能人才培養(yǎng)的需求不斷加大，西安科技大學進行了人才培養(yǎng)模式探索。

1.“五育并舉”設計課程體系

新工科理念指導下的智能開采人才培養(yǎng)課程體系既要能滿足采礦工程基本能力要求，又要能強化智能開采方向的綜合素質(zhì)培養(yǎng)。西安科技大學智能開采人才培養(yǎng)從突出人格塑造和能力培養(yǎng)出發(fā)，構建了通識教育、學科基礎教育、專業(yè)教育、實踐教育、第二課堂教育“五大模塊”，綜合“大類人才培養(yǎng)”“本—碩—博貫通式人才培養(yǎng)”“卓越人才培養(yǎng)”等構建復合型人才培養(yǎng)模式，突出了針對煤炭智能開采工業(yè)發(fā)展的人才培養(yǎng)支撐，形成了既體現(xiàn)傳統(tǒng)煤炭行業(yè)特色優(yōu)勢又緊扣“新工科”教育主題的人才培養(yǎng)課程體系（見圖2）。

圖2 智能開采課程體系

（1）在通識教育模塊，注重了學生基本素質(zhì)的培養(yǎng)，即滿足采礦工程所需要的基本能力要求。因此，在這一模塊普通采礦工程和智能開采培養(yǎng)方案中的課程設置是一致的。

（2）在學科基礎教育模塊，智能開采班在學科基礎課部分刪除了“巖石力學”（3 學分），將其調(diào)整到了后續(xù)課程中，增加了“機器學習導論”（2 學分）和“信號檢測與自動控制原理”（2 學分）兩門課，突出了智能開采相關知識的學習。

（3）在專業(yè)教育模塊，將“礦山壓力與巖層控制”課程（3 學分）變更為“巖石力學與巖層控制”（3.5 學分），增加了“巖石力學”方面的相關知識；將原來的專業(yè)必修課“采礦學”（4 學分）、“礦井通風與安全”（3 學分）、“井巷工程”（2 學分）以及“礦山機械”（3 學分）分別變更為“采礦學D”（4 學分）、“礦井通風與安全D”（2.5 學分）、“井巷工程D”（2學分）以及“礦山機械裝備及其智能化”（3 學分），側重對智能開采、智能通風、智能井巷建設以及智能機械等相關知識的講解；增加了必修課“礦山開采智能感知與決策”（2 學分），選修課“礦業(yè)大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)”（2 學分）以及智能機器人導論“（2 學分），注重學習對智能開采核心技術及智能礦山建設相關知識的學習，突出對智能感知及決策、智能礦山建設、智能采掘及通風技術等相關能力的培養(yǎng)，使學生從理論到整體再到局部系統(tǒng)掌握智能開采知識脈絡，培養(yǎng)學生從事智能開采方面的專業(yè)能力。

（4）在實踐教育模塊，重點突出學生智能開采理論知識在礦山應用方面的能力培養(yǎng)。首先，在“采礦學”及“礦井通風與安全”課程設計中加入“智能開采及通風”的設計環(huán)節(jié)，提升學生對智能礦山應用的理解；其次，在認識、生產(chǎn)和畢業(yè)三個實習階段全部安排學生在具有智能開采工作面的礦山開展學習；最后，在畢業(yè)設計環(huán)節(jié)要求學生除完成設計外至少完成1 項關于智能開采方面的專題，培養(yǎng)學生礦山智能開采知識的應用能力。

（5）在第二課堂教育模塊，學生需完成思想道德教育、專業(yè)能力拓展、體美教育、勞動教育等二級模塊規(guī)定的內(nèi)容和學分要求，同時必須參加學院及以上組織的礦業(yè)工程學科類競賽至少1 次，進一步增強對學生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)。

2.構建智能開采人才培養(yǎng)體系

基于對傳統(tǒng)采礦工程人才培養(yǎng)模式存在的諸如培養(yǎng)理念不適應、人才結構不適應、知識體系不適應等問題的深入剖析，圍繞智能開采人才培養(yǎng)目標，西安科技大學通過師資隊伍建設、課程體系改革、實踐基地建設等一系列舉措，最終形成一套相對完善的智能開采人才培養(yǎng)體系，如圖3 所示。

圖3 智能開采人才培養(yǎng)體系

（1）師資隊伍建設。智能開采人才培養(yǎng)是融合機械、電氣、計算機、智能控制、信息等專業(yè)的跨專業(yè)培養(yǎng)，因此需要優(yōu)化配置校內(nèi)相關學科的專業(yè)教師資源。西安科技大學通過內(nèi)培外引建設業(yè)務精湛、結構合理、充滿活力的高素質(zhì)專業(yè)化教師隊伍。一是培養(yǎng)在職教師以適應智能開采的教學和科研工作為目標，結合各自承擔的教學與科研任務，制定和完善具有針對性的、具體可行的在職培養(yǎng)計劃，提高教學團隊的智能采礦工程教育教學能力、指導實踐能力及科學研究能力；二是通過引進具有信息技術和智能開采相關背景的、國內(nèi)外著名高校工程專業(yè)博士及博士后，及聘任具有豐富工程實踐經(jīng)驗的企業(yè)人員作為兼職教師。

（2）課程體系改革。如前所述，西安科技大學圍繞智能開采人才培養(yǎng)進行課程體系改革，從通識教育、學科基礎教育、專業(yè)教育、實踐教育、第二課堂教育“五大模塊”出發(fā)，通過新開課程、升級原有課程等措施調(diào)整課程體系。與之同時，統(tǒng)一協(xié)調(diào)校內(nèi)能源、機械、電控、通信、計算機等相關專業(yè)的教師，并與其他煤炭行業(yè)特色院校一起編寫相關教材。另外，通過校企聯(lián)合的方式，即專任教師聯(lián)合兼職教師編寫指導書，建設基于現(xiàn)場工程實際的案例庫。

（3）實踐基地建設。西安科技大學在校內(nèi)建立了設備先進、功能齊全的采礦工程專業(yè)智能開采實驗教學中心，使之同時具備課程實驗教學、科學研究和課外創(chuàng)新活動開展的功能；在校外與國家能源集團、陜煤、川煤等企業(yè)共建實踐基地。

四、西安科技大學智能開采人才培養(yǎng)的成效

經(jīng)過一系列探索實踐，西安科技大學的智能開采人才培養(yǎng)兼顧了《普通高等學校本科專業(yè)類教學質(zhì)量國家標準》與《工程教育專業(yè)認證標準（2018 修訂）》的要求，形成了符合本校采礦工程專業(yè)實際的智能開采人才培養(yǎng)體系。

（1）形成了采礦工程專業(yè)智能開采人才培養(yǎng)新理念。新工科理念下的礦山開采涉及的學科，除了作為基礎的力學、數(shù)學、地質(zhì)學、機械制造、測量學、管理學、經(jīng)濟學、采礦學等學科以外，更應體現(xiàn)多學科的融合。西安科技大學以傳統(tǒng)采礦學科為基礎，融合社會學、自動化、信息管理與信息系統(tǒng)、云計算、智能信息與控制等學科專業(yè)，形成了以“專業(yè)化、國際化、智能化、無人化”為發(fā)展目標的采礦工程新工科培養(yǎng)體系，在明確智能開采科學內(nèi)涵的基礎上，按照工程教育專業(yè)認證的標準來制定詳細的規(guī)劃，逐一解決采礦工程新工科的培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求及其達成度評價準則、課程體系及相應的知識模塊、新工科工程實踐基地構建與實踐能力提升方式、師資隊伍的培養(yǎng)等問題。

（2）樹立了智能開采人才培養(yǎng)新目標。相比傳統(tǒng)采礦工程教育而言，西安科技大學的智能開采人才培養(yǎng)目標是：培養(yǎng)具有良好的專業(yè)素養(yǎng)、人文素養(yǎng)、團隊精神及國際視野，能適應社會、經(jīng)濟和科學技術發(fā)展要求，系統(tǒng)掌握人工智能基礎理論、自動化和智能采礦基本原理和技術，能夠在礦山開采相關領域從事智能化開采設計與施工、生產(chǎn)與管理、科學研究等工作，具備解決復雜采礦工程問題能力的應用型高級專門工程技術人才。

（3）優(yōu)化了采礦工程專業(yè)智能開采課程及教學內(nèi)容體系?；诓傻V工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案及提升傳統(tǒng)采礦工業(yè)的需求，西安科技大學在傳統(tǒng)的采礦工程專業(yè)課程內(nèi)容的基礎上，結合采礦工程智能開采培養(yǎng)目標，圍繞通識教育、學科基礎教育、專業(yè)教育、實踐教育、第二課堂教育這五大模塊，調(diào)整與優(yōu)化了課程設置，更新了采礦技術裝備機械化、自動化、信息化、智能化等方面的教學內(nèi)容。

（4）搭建了采礦工程智能人才培養(yǎng)的實驗教學平臺與實習基地。西安科技大學先后建立了設備先進、功能齊全的采礦工程專業(yè)智能開采實驗教學中心和采礦工程專業(yè)新型數(shù)字礦山實習基地。

目前西安科技大學通過制定的采礦工程智能開采人才培養(yǎng)方案，已經(jīng)成功地開設了采礦工程智能開采特色班。西安科技大學基于新工科理念及社會需求背景、學校實際狀況所探索的智能開采人才培養(yǎng)模式，作為傳統(tǒng)采礦工程改造升級范例，將會不斷總結經(jīng)驗且持續(xù)深入地進行下去。