新工科理念下階梯式實驗教學(xué)探索與實踐

閆莎莎 陳軍濤 秦忠誠 傅穎霞

（[1]礦業(yè)工程國家級實驗教學(xué)示范中心（山東科技大學(xué)） 山東·青島 266590；[2]山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院 山東·青島 266590）

礦業(yè)工程是一門研究煤、金屬及非金屬礦床開采理論與方法的學(xué)科，采礦工程專業(yè)是該學(xué)科下應(yīng)用技術(shù)性強、針對性強的傳統(tǒng)工科專業(yè)。在具體教學(xué)過程中，為培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，實驗教學(xué)是重要手段。2017年2月和4月教育部分別在復(fù)旦大學(xué)和天津大學(xué)召開了新工科研討會，形成了新工科建設(shè)的“復(fù)旦共識”和“天大行動”，提出“新工科理念”?！皬?fù)旦共識”指出，新工科建設(shè)應(yīng)推動傳統(tǒng)工科專業(yè)的改革創(chuàng)新；“天大行動”也明確，構(gòu)建新工科專業(yè)新結(jié)構(gòu)的同時要致力于傳統(tǒng)工科專業(yè)的建設(shè)發(fā)展，促進(jìn)地礦等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。因此，新工科理念下，采礦工程專業(yè)課程實驗的開展必須改變原有單一、被動的模式，不僅要在知識體系上進(jìn)行拓寬，還要針對性地培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，提升采礦工程專業(yè)人才的創(chuàng)新性。

“煤礦開采學(xué)”是采礦工程專業(yè)的核心課程。本文以“煤礦開采學(xué)”實驗教學(xué)為例，探討如何在“新工科”理念下更好地開展實驗教學(xué)模式，著力提高采礦工程專業(yè)技術(shù)人才的工程實踐能力和技術(shù)創(chuàng)新能力。這不僅對提升學(xué)生素質(zhì)和能力有重要作用，而且對進(jìn)一步推動采礦工程專業(yè)實踐創(chuàng)新教育和傳統(tǒng)采礦業(yè)轉(zhuǎn)型升級有深遠(yuǎn)意義。

1 “煤礦開采學(xué)”實驗教學(xué)存在的問題

1.1 實驗教學(xué)設(shè)備陳舊

我?！懊旱V開采學(xué)”實驗課程的主要教學(xué)設(shè)備是2009年制作的仿真模型（如圖1），該教學(xué)模型曾在使用初期幫助學(xué)生認(rèn)識巷道形式、學(xué)習(xí)井田布置方式和煤炭開采方法，構(gòu)建煤礦井下空間概念等，起到了積極的作用。然而隨著現(xiàn)代科學(xué)采礦技術(shù)的發(fā)展，這些模型的巷道設(shè)計、井下硐室布置等已不符合現(xiàn)代煤礦開采的技術(shù)規(guī)范要求，因此，及時更新實驗教學(xué)設(shè)備，有利于學(xué)生充分接觸和認(rèn)識采礦行業(yè)技術(shù)發(fā)展導(dǎo)向和需求，滿足學(xué)生實驗、認(rèn)識實習(xí)和實踐學(xué)習(xí)的需求。

1.2 實驗內(nèi)容更新不及時

“煤礦開采學(xué)”課程實驗依托理論課程和實驗設(shè)備條件進(jìn)行設(shè)計，內(nèi)容分為四大部分，分別是井田開拓、準(zhǔn)備方式、采煤方法和現(xiàn)代化礦井仿真。在實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計初期，實驗內(nèi)容能夠與理論課程同步，學(xué)生的實驗實踐教學(xué)環(huán)節(jié)也能夠滿足社會發(fā)展和采礦行業(yè)發(fā)展需求。伴隨著煤炭開采技術(shù)進(jìn)步、社會發(fā)展和教育部門及學(xué)校要求，采礦專業(yè)每2～3年開展一次本科教學(xué)大綱修訂工作，“煤礦開采學(xué)”理論課程內(nèi)容隨之更新，但實驗教學(xué)內(nèi)容更新卻一直滯留不前，致使實驗教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)有的理論教學(xué)內(nèi)容及當(dāng)下行業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀的供需矛盾日益凸顯，學(xué)生的課程實驗學(xué)習(xí)演變成走馬觀花的過程，影響了采礦專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。

圖1 礦井仿真實驗教學(xué)模型

1.3 實驗教學(xué)過程僵化

我校以往的實驗教學(xué)過程基本以“老師講、學(xué)生聽”的被動接受性實驗教學(xué)模式為主，教師偏重知識內(nèi)容的傳輸，將書本上的理論或者自己的現(xiàn)場經(jīng)驗單方面地傳授給學(xué)生。該方法在傳統(tǒng)實踐人才培養(yǎng)過程中曾發(fā)揮了重要的作用，但隨著高校對學(xué)生創(chuàng)新教育的重視和“新工科”理念的提出，要求高校實驗教學(xué)應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生動手能力、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、加強學(xué)生學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)（尤其是自主學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)）。僵化的實驗教學(xué)模式和教學(xué)過程因其忽略了學(xué)生參與實驗過程的需求與愿望，降低了學(xué)生對專業(yè)課程實驗內(nèi)容的學(xué)習(xí)熱情和積極性，進(jìn)而影響了實驗教學(xué)質(zhì)量，無法達(dá)到高校本科教育的效果和要求。

2 實驗教學(xué)模式改革探索與實踐

針對以上問題，本論文以山東科技大學(xué)采礦工程專業(yè)2015、2016級學(xué)生的“煤礦開采學(xué)”課程實驗教學(xué)為研究對象，探索改革采礦專業(yè)本科實驗教學(xué)模式，認(rèn)為在新工科理念下實驗教學(xué)應(yīng)充分發(fā)揮本科實驗教學(xué)經(jīng)驗和科研成果積累以及現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢，加強實驗過程管理，從實驗教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法和教學(xué)過程等方面進(jìn)行探索，提出以學(xué)科競賽為引導(dǎo)的階梯式實驗教學(xué)新模式。

2.1 更新實驗教學(xué)內(nèi)容

為使學(xué)生在實驗學(xué)習(xí)過程中獲得最大化收益，“煤礦開采學(xué)”課程實驗設(shè)計遵循由易到難、由基礎(chǔ)到創(chuàng)新的規(guī)律，對實驗教學(xué)進(jìn)行“實驗內(nèi)容模塊化、實驗難度層次化、實驗方法多元化”的遞進(jìn)式體系設(shè)計，如圖2。

圖2 實驗內(nèi)容體系構(gòu)建

更新后的“煤礦開采學(xué)”實驗依據(jù)本科教學(xué)大綱（采礦專業(yè)）要求設(shè)計了4個實驗?zāi)K，共9個實驗單元。各實驗單元依據(jù)難易程度，呈現(xiàn)層次化的特點，分為驗證型實驗、綜合型實驗和設(shè)計創(chuàng)新型實驗，增進(jìn)了學(xué)生對井下煤礦建設(shè)的空間立體感，加深了對相關(guān)理論知識點的理解；另一方面，激發(fā)其實踐力和創(chuàng)造力，增強了學(xué)生的動手操作能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程設(shè)計能力，提高了學(xué)生在創(chuàng)新型人才方面的競爭力。

2.2 結(jié)合學(xué)科競賽，構(gòu)建階梯式實驗套餐模式

“新工科”理念下，計創(chuàng)新型實驗應(yīng)具備設(shè)計性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的特點，因此，課題組提出了結(jié)合學(xué)科競賽，構(gòu)建階梯式實驗套餐A和B。學(xué)生完成驗證型、綜合型實驗學(xué)習(xí)后，根據(jù)個人興趣及能力，可選擇任一套餐開展實驗學(xué)習(xí)，實驗過程在礦業(yè)工程國家級實驗教學(xué)示范中心虛擬仿真實驗室中進(jìn)行。

實驗套餐A課題組老師的工程項目或科研項目為背景，由課題組根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)制定實驗內(nèi)容。學(xué)習(xí)小組一般由3～6人組成并推選小組長，按照指導(dǎo)教師提供的資料，模擬真實的項目過程，根據(jù)內(nèi)容確定實驗方法和實驗過程、實施分工、開題答辯、開啟實驗課題，課程實驗階段結(jié)束后組織驗收答辯，由實驗指導(dǎo)教師邀請專業(yè)課老師擔(dān)任評委，對小組實驗課題的難易程度、專業(yè)知識應(yīng)用程度、工程實踐性及解決實際問題等方面進(jìn)行綜合評判。通過答辯后，小組的學(xué)生根據(jù)實驗?zāi)康?、實驗過程和實驗結(jié)果完成并提交實驗報告，指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的綜合評價情況和實驗報告完成情況，給出綜合實驗成績。

實驗套餐B，引入學(xué)科競賽機制，由課題組依據(jù)歷年“全國高等學(xué)校采礦工程專業(yè)學(xué)生實踐作品大賽”等全國性學(xué)科競賽制定實驗內(nèi)容。學(xué)習(xí)小組一般由5～8人組成，學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)結(jié)果評價等參考學(xué)科競賽的組織過程，即學(xué)習(xí)小組根據(jù)實驗要求提出設(shè)計理念，小組內(nèi)部討論、論證，確定方案后進(jìn)入實驗操作過程，最終實驗學(xué)習(xí)成果以參加競賽作品的形式展現(xiàn)。學(xué)生將作品制作計劃書、作品說明書、作品實物等材料提交給指導(dǎo)教師，指導(dǎo)教師和評委根據(jù)實驗作品的創(chuàng)新性、可行性、實踐性給出綜合成績評判。

在開展階梯式實驗教學(xué)模式探索的同時，課題組還充分利用采礦專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)，利用虛擬仿真和虛擬現(xiàn)實技術(shù)對原有教學(xué)資源的顛覆性突破，將實驗教學(xué)理論與行業(yè)先進(jìn)技術(shù)相融合，為學(xué)生呈現(xiàn)高度接近準(zhǔn)確的視覺環(huán)境和高度接近現(xiàn)實的綜合認(rèn)識環(huán)境。

3 實驗教學(xué)改革實施效果

根據(jù)2015級和2016級學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果、實驗參與積極性、實驗報告反饋情況等，改革后的“煤礦開采學(xué)”實驗教學(xué)模式提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增強了實驗教學(xué)效果，在學(xué)生中受到很大歡迎。采礦工程專業(yè)2015和2016級學(xué)生共約400人，實驗教學(xué)模式改革實施后，在2017、2018學(xué)年度，學(xué)生積極參加全國學(xué)科競賽，如“挑戰(zhàn)杯”、全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽、全國高等學(xué)校采礦工程專業(yè)學(xué)生實踐作品大賽、全國數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計大賽、全國高等學(xué)校安全科學(xué)與工程類專業(yè)大學(xué)生實踐與創(chuàng)新作品大賽等各類競賽達(dá)150人次，獲獎項目60余項，其中一等獎12項，二等獎38項，學(xué)校也多次在大賽中獲得最佳組織單位獎。在開展實驗教學(xué)模式改革的同時，鼓勵學(xué)生撰寫論文和申請發(fā)明專利，2018年共發(fā)表論文19篇，申請發(fā)明專利及實用新型22項。

4 結(jié)束語

本論文以山東科技大學(xué)采礦工程專業(yè)“煤礦開采學(xué)”實驗教學(xué)改革為例，通過更新實驗教學(xué)內(nèi)容、融合虛擬現(xiàn)實實驗手段，在驗證型和設(shè)計型實驗基礎(chǔ)上提出了階梯式實驗教學(xué)新模式。實踐結(jié)果表明，改革后的“煤礦開采學(xué)”實驗教學(xué)模式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，提高了實驗課程的教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生也在參賽獲獎、論文、專利方面取得豐碩成果。

實驗教學(xué)是各高校加強工科專業(yè)學(xué)生實踐教育和創(chuàng)新教育的必要條件。實踐證明，實驗教學(xué)模式改革應(yīng)從培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力出發(fā)，加強教學(xué)過程管理，充分發(fā)揮實驗教學(xué)的資源優(yōu)勢與專業(yè)優(yōu)勢，實現(xiàn)“新工科”理念下傳統(tǒng)專業(yè)的實驗教學(xué)模式轉(zhuǎn)型。