采礦工程專業(yè)實踐教學方法優(yōu)化與初步實踐

張鵬海 楊天鴻 劉洪磊 關(guān)凱 馬慶山

摘? 要：采礦工程是一門實踐性很強的學科，但受限于礦山開采周期長、涉及面廣、采場環(huán)境較差、存在安全風險、實習經(jīng)費有限等因素，采礦工程專業(yè)的實踐教學，尤其是現(xiàn)場實踐教學的效果通常很難達到預(yù)期。針對這一情況，東北大學采礦工程專業(yè)通過建立礦山實踐教學基地，并基于礦山開采數(shù)據(jù)與軟件的共享、虛擬仿真技術(shù)將其打造成貫穿各個實踐教學環(huán)節(jié)的經(jīng)典教學案例，實現(xiàn)了實踐教學課程方法的優(yōu)化。初步的實踐證明優(yōu)化成果不僅提升了學生的實踐能力，也有助于提升學生的學習興趣及擇業(yè)意向。

關(guān)鍵詞：采礦工程;實踐教學;教學基地;虛擬仿真

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）23-0117-05

Abstract： Mining Engineering is a practical subject， however， due to the factors such as long mining cycle， wide coverage， bad stope environment， safety risks and limited internship funds， the practical teaching， especially the field practice teaching， is usually difficult to meet expectations. In view of this situation， the Mining Engineering of Northeast University established the mine practice teaching base and made it a classic teaching case throughout all practical teaching links based on the sharing of data and software， virtual simulation technology， realizing the optimization of practice teaching method. The preliminary practice proved that the optimization results not only improved the students' practical ability， but also helped to improve their interest in learning and career intention.

Keywords： Mining Engineering; practice teaching; teaching base; virtual simulation

礦山開采是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有很強的實踐性。一方面，由于礦山開采工藝流程長、涉及面廣，學生需要長期的實地觀察與操作才能真正理解和掌握礦山開采的全過程。另一方面，鑒于礦山環(huán)境惡劣、存在安全風險，礦山企業(yè)及高校普遍嚴格控制學生在采場內(nèi)的實習時間及實習內(nèi)容。這兩方面原因嚴重制約了采礦工程專業(yè)的實踐教學效果，導致畢業(yè)生在參加工作后的相當一段時間內(nèi)無法獨自勝任具體的生產(chǎn)管理、設(shè)計工作。

針對這一問題，部分高校及科研單位采用了虛擬仿真技術(shù)模擬礦山現(xiàn)場，以輔助或彌補礦山實地實習，提升學生的實踐能力，并取得了一定的效果。比如，侯運炳、姜喜迪[1-2]通過構(gòu)建綜采放頂煤工作面生產(chǎn)系統(tǒng)，來模擬工作面采煤機的割煤、推刮板輸送機、移架、液壓支架放煤的整個作業(yè)過程，引導學生按照作業(yè)規(guī)程和工藝參數(shù)，操作采煤設(shè)備進行割煤、放煤作業(yè)。王鵬等[3]通過3DGIS平臺與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合建設(shè)了可用于教學的虛擬礦井仿真平臺，該平臺可將外部顯示運算與內(nèi)部邏輯運算分離，實現(xiàn)不同維度數(shù)據(jù)的一體化集成，在還原真實礦井各種物理、地理信息的基礎(chǔ)上可自主設(shè)定、選擇模擬場景信息。鐘祥華等[4]建立了露天礦臺階爆破虛擬仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)有效地提高了教學效率和教學效果，加深了學生對露天礦臺階爆破的認識，讓學生快速掌握露天礦臺階爆破的教學內(nèi)容。張村等[5]建立了煤礦開采虛擬仿真漫游教學系統(tǒng)并將其應(yīng)用于采礦概論課程教學中。劉溪鴿等[6]認為虛擬仿真技術(shù)具有顯示逼真、互動性強等優(yōu)勢，數(shù)值模擬可以提供位移場、應(yīng)力場等重要的安全性信息，基于虛擬仿真技術(shù)和數(shù)值仿真技術(shù)的礦山數(shù)據(jù)分析處理與集成系統(tǒng)是礦山數(shù)字化向智能化方向發(fā)展的趨勢。

由此可見，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用有益于實踐教學效果的提升，但實際礦山生產(chǎn)所需的實踐能力涵蓋礦山設(shè)計、建設(shè)和生產(chǎn)技術(shù)管理方面的諸多方面，鑒于利用虛擬仿真技術(shù)還無法將礦山的每個細節(jié)與問題完全再現(xiàn)，所以僅通過虛擬仿真技術(shù)還無法將實踐教學效果提升到令人滿意的程度，必須對整個實踐教學課程方法進行重新思考和優(yōu)化。本文結(jié)合東北大學采礦工程專業(yè)實踐教學方法優(yōu)化實例，在分析傳統(tǒng)實踐教學存在的實際問題的基礎(chǔ)上，提出了可改善現(xiàn)狀的實踐教學方法。

一、傳統(tǒng)實踐教學方法

東北大學采礦工程系本科生培養(yǎng)目標為：培養(yǎng)具有健康職業(yè)精神、良好科學素養(yǎng)、工程哲學思維，運用現(xiàn)代礦業(yè)開發(fā)理論、方法和技術(shù)，從事礦業(yè)、巖土工程及相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計、生產(chǎn)、管理、科研工作的創(chuàng)新型、國際化的卓越工程技術(shù)人才。整個教學體系以金屬礦床深部、安全、高效開采為核心，發(fā)展綠色開采和智能開采，本著“厚基礎(chǔ)、寬專業(yè)、重實踐、國際化”的指導方針開展教學工作，其中采礦設(shè)計、生產(chǎn)、管理方面的實踐教學自大學二年級的認識實習開始一直持續(xù)至大學四年級的畢業(yè)實習與畢業(yè)設(shè)計。

（一）傳統(tǒng)實踐教學現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的礦山實踐教學方法以課堂上的理論講授為基礎(chǔ)，依次開展認識實習、礦山開采課程設(shè)計、生產(chǎn)實習、畢業(yè)實習以及畢業(yè)設(shè)計，其教學目的如下。

認識實習：對礦山有較全面的感性認識，培養(yǎng)和鍛煉學生觀察能力、理論聯(lián)系實際的能力，初步了解礦山生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)工藝過程，為進一步學習專業(yè)課打下基礎(chǔ)。

課程設(shè)計：熟悉和鞏固理論授課所學內(nèi)容，了解采礦設(shè)計方法、步驟，熟悉采礦圖的繪制方法和采礦工藝技術(shù)經(jīng)濟指標的計算方法，以及主要設(shè)備的選擇和計算方法，為本科生的畢業(yè)設(shè)計及畢業(yè)后從事相關(guān)工作提供堅實的理論知識和實踐知識。

生產(chǎn)實習：全面了解和掌握礦山生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)工藝過程，培養(yǎng)和鍛煉學生理論聯(lián)系實際的能力，并了解和掌握礦山生產(chǎn)管理系統(tǒng)和勞動組織。

畢業(yè)實習：深入了解礦山生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)工藝過程，對礦山有個系統(tǒng)認識，培養(yǎng)和鍛煉理論聯(lián)系實際的能力，培養(yǎng)學生對所學采礦專業(yè)知識的全面應(yīng)用，鍛煉學生獨立思考和解決問題的能力。

畢業(yè)設(shè)計：訓練學生運用所學基礎(chǔ)理論及生產(chǎn)工藝知識獨立解決礦山開采設(shè)計中的工程技術(shù)問題，培養(yǎng)學生綜合運用所學專業(yè)知識的能力，全面提高學生的綜合素質(zhì)。掌握繪制開采設(shè)計圖的基本技能，熟悉開采設(shè)計的步驟和基本方法，通過方案比較和技術(shù)經(jīng)濟分析，使學生建立和加強礦山開采過程的經(jīng)濟觀點，掌握開拓定線、總平面布置、供水、供電、排水、爆破及環(huán)境保護等方面的要求。

整個實踐教學課程體系以開課順序為時間軸漸進式的進行基礎(chǔ)知識學習、感性認識、專業(yè)知識學習、局部設(shè)計、實地考察、整體設(shè)計（圖1），最終達到學以致用的目的。其中，傳統(tǒng)的認識實習以及生產(chǎn)實習一般由學?；蛟合到y(tǒng)一安排，出于實習經(jīng)費、礦山現(xiàn)場實際條件以及學生人身安全的考慮，實習地點常常選擇距學校較近的礦山、實習周期較短、學生集中管理且僅在工作面做短暫停留或在距離工作面較遠處觀看。

（二）傳統(tǒng)實踐教學存在的問題

1. 有限的預(yù)算制約實習地點的選取

絕大多數(shù)高校給每位學生劃撥的單次實習經(jīng)費不足千元，需要用于支付學生及帶隊教師實習期間的交通、住宿、餐飲、礦山技術(shù)人員講解、礦區(qū)內(nèi)車輛租用、保險、勞保用具等一切費用。因此，在成本制約下，多數(shù)高校往往選擇距學校較近、食宿費用較低的礦山進行實習。

礦山的數(shù)字化、自動化以及智能化是礦業(yè)發(fā)展的方向，因此，帶領(lǐng)學生赴一座先進的礦山進行實習對學生及未來礦業(yè)的發(fā)展均十分必要。但目前國內(nèi)具備較高數(shù)字化、自動化以及智能化程度的金屬礦山相對較少，多數(shù)以金屬礦開采為主的高校距離這些礦山十分遙遠，交通成本等因素的上升會制約實習地點的選取。倘若單純因經(jīng)費不足選取了一座路途短但卻落后的礦山作為實習地點，則是與面向未來礦業(yè)的培養(yǎng)目標背道而馳。

2. 刻板印象降低學習興趣及擇業(yè)意向

采礦工程專業(yè)需要為礦業(yè)培養(yǎng)人才，但目前卻出現(xiàn)了相當一部分采礦工程專業(yè)畢業(yè)生選擇在非礦業(yè)領(lǐng)域就業(yè)或繼續(xù)深造的現(xiàn)象。

作者在實踐教學過程中發(fā)現(xiàn)，除去學生固有的主觀意愿外，在一座艱苦落后的礦山的實習經(jīng)歷會使學生對礦業(yè)形成十分消極的刻板印象，會降低其學習采礦專業(yè)知識的興趣以及進入礦山企業(yè)工作的熱情。相反，在一座生產(chǎn)管理先進、環(huán)境宜人、經(jīng)濟效益良好的礦山的實習經(jīng)歷則會使學生對礦業(yè)形成十分積極印象，明顯提高學生的學習及擇業(yè)熱情。

因此，礦山實習不僅僅是一次單純的實踐教學，更肩負著樹立礦山企業(yè)良好印象、引導學生投身礦業(yè)發(fā)展的使命，這再次表明赴先進礦山實習的必要性。

3. 安全風險制約實踐教學效果

礦山企業(yè)以生產(chǎn)效益為目標、以生產(chǎn)安全為底線，高校雖然關(guān)注實踐教學效果但最重視的也是學生的人身安全。由此可見，學生的人身安全是整個實踐教學過程實施的基礎(chǔ)。因此，學生在礦山中的所有實習活動均要在不影響礦山生產(chǎn)以及保證學生人身安全的前提下進行。以露天礦邊坡結(jié)構(gòu)面識別這一項具體的實踐教學內(nèi)容為例，由于存在一定落石隱患，所以無法讓學生長時間停留在坡面附近對邊坡巖體結(jié)構(gòu)面進行特征參數(shù)的識別與統(tǒng)計。

4. 缺少貫穿實踐教學體系的礦山案例

為了提高學生對知識的理解、理論聯(lián)系實踐的能力，教師在理論講授、課程設(shè)計過程中會結(jié)合實際礦山案例進行講解，一般來說，不同的課程、不同的主講教師會結(jié)合不同的礦山案例，這些案例與實習礦山可能相同，也可能不同。豐富的礦山案例可以提高學生的學習效果，但從整個實踐教學體系來看，缺少一個或幾個貫穿整個實踐教學過程的典型礦山案例，或者說是缺少與實踐教學緊密結(jié)合的若干覆蓋面廣泛且固定的礦山案例。而將少數(shù)幾個典型礦山的生產(chǎn)流程及實際問題進行全面、透徹分析并將其作為實習地點時，其教學效果要遠好于簡單分析多個礦山案例。

二、傳統(tǒng)礦山實踐教學問題的解決對策

（一）高校與礦山企業(yè)優(yōu)勢互補、教學成本共擔

高校具備科研攻關(guān)及人才培養(yǎng)上的優(yōu)勢，但無法為學生提供實習場所。而礦山企業(yè)具備實習場地及豐富的一線生產(chǎn)經(jīng)驗，同時存在利用先進科學技術(shù)解決實際生產(chǎn)問題及人才上的需求。

高校與礦山企業(yè)間具備優(yōu)勢與需求上的互補性，高校通過幫助礦山解決實際問題并輸送人才來深度參與到企業(yè)的生產(chǎn)與成長中，而礦山通過提供實習場地、傳授一線生產(chǎn)經(jīng)驗及分擔部分實習成本來參與到實踐教學及人才培養(yǎng)中，實現(xiàn)高校與礦山企業(yè)間互通有無、優(yōu)勢互補。

（二）現(xiàn)代化礦山企業(yè)助力消解學生專業(yè)情緒

為了培養(yǎng)可以支撐未來礦業(yè)發(fā)展的人才，整個實踐教學體系也必須圍繞數(shù)字化、自動化、智能化、綠色開采等核心技術(shù)開展。顯然，一座落后的礦山已完全無法滿足當前實踐教學的基本要求，而一座在數(shù)字化、自動化、智能化方面都具有相當高水平的現(xiàn)代化先進礦山才是實踐教學地點的首選。

通過在先進礦山的學習經(jīng)歷，一則可以改變學生對礦山艱苦落后的刻板印象、緩和專業(yè)情緒，二則有利于專業(yè)人才流向礦業(yè)領(lǐng)域、進而支撐礦業(yè)的智能化、綠色化轉(zhuǎn)變，達到人才培養(yǎng)與行業(yè)轉(zhuǎn)型的良性循環(huán)。

（三）虛實結(jié)合保證學生人身安全及實習效果

結(jié)合無人機傾斜攝影測量技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等建立礦山的虛擬現(xiàn)實場景，實現(xiàn)實際工程與數(shù)字化模型相對應(yīng)，在實驗室環(huán)境下精細化再現(xiàn)抵近觀察存在一定危險性的生產(chǎn)流程及區(qū)域，還可以利用虛擬仿真實習補充真實實習沒有涉及到的實踐教學內(nèi)容，從而在保證學生人身安全的前提下提高實踐教學效果。

（四）數(shù)據(jù)共享、產(chǎn)學結(jié)合形成經(jīng)典教學案例

為了提高實踐教學效果及學生理論聯(lián)系實際的能力、幫助學生深入理解實際礦山生產(chǎn)管理現(xiàn)狀，可通過與礦山企業(yè)達成部分礦山生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)及軟件使用權(quán)限的共享、生產(chǎn)過程中遇到的問題、解決方法及過程相關(guān)資料的共享來組織教學素材，進而形成可貫穿整個實踐教學體系的經(jīng)典案例。

三、實踐教學方法優(yōu)化與初步實踐

針對這一情況，東北大學采礦工程專業(yè)將虛擬仿真、云計算及經(jīng)典實踐教學案例相結(jié)合，依托國家級虛擬仿真實驗教學中心對原有的實踐教學方法進行了優(yōu)化，初步的實踐證明優(yōu)化成果不僅提升了學生的實踐能力，也有助于提升學生的學習興趣。

（一）基于先進礦山建立實踐教學基地

為了實現(xiàn)優(yōu)勢互補、教學成本共擔，東北大學與河鋼集團、鞍鋼集團、山東黃金集團、中國黃金集團等著名礦山企業(yè)建立了產(chǎn)學研合作關(guān)系，這些合作關(guān)系的建立極大的方便了實踐教學基地開展，提升了實踐教學效果，降低了實踐教學成本。以中國黃金集團內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司產(chǎn)學研合作基地為例，該礦山位于內(nèi)蒙古自治區(qū)的呼倫貝爾大草原腹地的烏努格吐山（簡稱烏山礦），距位于遼寧沈陽的東北大學1300余公里。雖然路途遙遠，但該礦是我國高寒地區(qū)（北緯49°）第一個現(xiàn)代化大型有色金屬礦山，數(shù)字化、自動化以及智能化水平位于我國礦業(yè)前列（圖2），年工業(yè)總產(chǎn)值超過100億元。鑒于該礦的特殊性、先進性，選擇該礦進行實習對于學生了解先進礦業(yè)的發(fā)展、轉(zhuǎn)變對礦業(yè)的刻板印象以及提升擇業(yè)意向均具有重要且特殊的意義。

由于路途遙遠等原因，東北大學學生赴烏山礦實習成本較高，以東北大學采礦工程專業(yè)一個本科生赴該礦進行為期一周的認識實習所需經(jīng)費為例（表1），每個學生平均需要1461元，已超過學校劃撥的800元人均學年總經(jīng)費。但通過產(chǎn)學研實踐基地的建立（圖3），礦山承擔了所有實習人員的餐飲及勞保用品費，調(diào)配通勤車輛供實習人員在礦區(qū)內(nèi)及礦區(qū)周邊免費乘坐，配備專門的技術(shù)人員對各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行詳細講解，顯著降低了學校所承擔實習成本的同時提高了學生實習的效率及效果，截至目前，東北大學已在烏山礦完成三輪實地實習，參加人員累計超過80人次（圖4）。

（二）增設(shè)虛擬仿真綜合實驗課程

采礦工程虛擬仿真綜合實驗課程是東北大學增設(shè)的一項重要實踐教學課程，該課程依托東北大學金屬礦山巖石力學與安全開采虛擬仿真教學實驗中心（國家級），利用虛擬仿真技術(shù)建立了可再現(xiàn)真實礦山的虛擬仿真礦山場景，該虛擬仿真礦山場景包括可表征開采現(xiàn)狀、巖性、斷層、礦體、邊坡巖體結(jié)構(gòu)面、開采運輸設(shè)備的三維地質(zhì)模型，可進行點三維坐標測量、兩點間距離測量、面積測量、臺階坡度及高度測量、開挖體積測量等礦山常用測量功能，可演示不同開采工藝、設(shè)備運行過程、整個開采流程的三維虛擬交互場景。

基于虛擬仿真礦山場景，通過教師的講解與指導，學生通過在安全的虛擬環(huán)境下與虛擬礦山進行互動探索式地掌握礦山開采中從設(shè)計到施工的流程和步驟。在礦山現(xiàn)場實習前進行采礦工程虛擬仿真綜合實驗課程學習，可以讓學生提前了解擬前往實習礦山的基本情況，有助于提高實踐教學效果。另外，基于云計算技術(shù)可將整個虛擬仿真礦山場景布置于互聯(lián)網(wǎng)上，實現(xiàn)通過瀏覽器的隨時隨地訪問（圖5），方便學生自主學習。截至目前，東北大學以烏山礦虛擬仿真礦山場景為教學案例完成三輪虛擬實習，參加人員累計超過150人次。

（三）建立貫穿實踐教學體系的教學案例

以實踐教學為目的，與實踐教學基地礦山實現(xiàn)部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、平臺軟件、邊坡監(jiān)測與測試數(shù)據(jù)、采礦設(shè)計的共享與定期更新，從而建立起一個貫穿整個實踐教學課程的經(jīng)典教學案例。

以烏山礦教學案例為例，用于實踐教學的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括鉆孔數(shù)據(jù)庫、巖芯庫照片、礦石品位模型、礦石物理性質(zhì)模型、設(shè)備選型及數(shù)量等，軟件平臺包括采礦管控系統(tǒng)軟件、邊坡自動監(jiān)測平臺、自動化配礦平臺等，邊坡監(jiān)測與測試數(shù)據(jù)包括無人機傾斜攝影測量數(shù)據(jù)、巖體結(jié)構(gòu)面識別數(shù)據(jù)、邊坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)、錨索應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)等，采礦設(shè)計包括采場現(xiàn)狀平面圖、加固設(shè)計圖、最終境界圖、工業(yè)場地布置圖邊坡采場平面圖等。

以數(shù)據(jù)與軟件等的共享為基礎(chǔ)，將烏山礦作為經(jīng)典案例融入各個實踐教學環(huán)節(jié)，通過整個實踐教學課程的學習完成對烏山礦生產(chǎn)工藝及先進技術(shù)的系統(tǒng)掌握。以講解采裝作業(yè)與設(shè)備相關(guān)專業(yè)知識為例，在講授完理論知識后，結(jié)合烏山礦詳細的設(shè)備選型、設(shè)備數(shù)量以及設(shè)備動態(tài)變化過程資料進行理論聯(lián)系實際，結(jié)合烏山礦卡車調(diào)度系統(tǒng)軟件的架構(gòu)、算法及功能理論聯(lián)系實際，并通過實操加深理解，提高實踐能力，進一步結(jié)合烏山礦正在開展實踐應(yīng)用的無人駕駛運輸系統(tǒng)講解新技術(shù)及未來發(fā)展方向。以烏山礦先進生產(chǎn)技術(shù)為研究基礎(chǔ)，東北大學已有超過20人次在全國采礦工程專業(yè)實踐作品大賽、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃等競賽中獲獎。

四、結(jié)束語

本文針對采礦工程專業(yè)傳統(tǒng)實踐教學方法存在的問題進行了總結(jié)，在此基礎(chǔ)上提出解決對策的同時結(jié)合東北大學采礦工程專業(yè)實踐教學方法優(yōu)化實例進一步說明了實施方法。結(jié)果表明，建立礦山實踐教學基地并通過數(shù)據(jù)與軟件的共享、虛擬仿真技術(shù)將其打造成貫穿實踐教學課程體系經(jīng)典教學案例的實踐教學方法，有助于提升學生的實踐能力，同時提升了學生的學習興趣及擇業(yè)意向。

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