《礦井設(shè)計(jì)》課程的教學(xué)改革研究
——以湖南科技大學(xué)為例

張自政，余偉健，李青鋒，于憲陽，吳海

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭)

一 引言

《礦井設(shè)計(jì)》是采礦工程本科教學(xué)中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要介紹礦區(qū)及礦井設(shè)計(jì)的基本原理和設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容；是后續(xù)的特殊開采、南方煤礦開采技術(shù)等專業(yè)選修課程的基礎(chǔ)，在采礦工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中占有重要地位。本課程主要培養(yǎng)學(xué)生的礦井設(shè)計(jì)知識(shí)的應(yīng)用能力、探索性學(xué)習(xí)能力，加深學(xué)生對(duì)礦井設(shè)計(jì)內(nèi)容的理解和掌握，初步具有設(shè)計(jì)方案達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的創(chuàng)新與設(shè)計(jì)能力[1]。然而，隨著技術(shù)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)保理念的提升，本課程多年固定的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法已經(jīng)嚴(yán)重滯后于社會(huì)發(fā)展和行業(yè)對(duì)采礦工程專業(yè)畢業(yè)生能力的要求。根據(jù)講授本課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和在煤炭開采方面的科研經(jīng)歷，分析《礦井設(shè)計(jì)》課程教學(xué)中存在的問題，本著教學(xué)內(nèi)容“全而不散”和教學(xué)目標(biāo)“學(xué)以致用”的原則提出相應(yīng)的課程教學(xué)改革舉措，并在《礦井設(shè)計(jì)》教學(xué)實(shí)踐中得到初步應(yīng)用，取得良好效果。

二 課程教學(xué)中存在的問題

（一） 教學(xué)內(nèi)容滯后行業(yè)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展

采礦工程專業(yè)目前使用的教材為汪理全和鄭西貴教授等編寫的《煤礦礦井設(shè)計(jì)》（2008年的第1版和2013年的第2版），主要參考書為孫寶錚等編寫的《礦井開采設(shè)計(jì)》（1986）、徐永圻主編的《煤礦開采學(xué)》（1993）、煤礦礦井采礦設(shè)計(jì)手冊編寫組編寫的《煤礦礦井采礦設(shè)計(jì)手冊》（1982）。后幾者均為20年前的舊有教材或者設(shè)計(jì)手冊，知識(shí)內(nèi)容陳舊，滯后于行業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀，沒有包含智能化礦山、礦山環(huán)境保護(hù)和高產(chǎn)高效礦井運(yùn)輸系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容?！睹旱V礦井設(shè)計(jì)》（2013版）包含了礦區(qū)中體規(guī)劃設(shè)計(jì)、礦井設(shè)計(jì)、礦井開拓方案設(shè)計(jì)案例、準(zhǔn)備方式設(shè)計(jì)及準(zhǔn)備方式方案選擇示例、井底車場設(shè)計(jì)、采區(qū)車場設(shè)計(jì)、采區(qū)硐室設(shè)計(jì)、采煤方法設(shè)計(jì)、采動(dòng)治理設(shè)計(jì)、無煤柱開采設(shè)計(jì)、煤與瓦斯共采設(shè)計(jì)、巷道高效掘金與支護(hù)設(shè)計(jì)、掘進(jìn)工作面/采煤工作面作業(yè)規(guī)程編制共15章內(nèi)容。可以看出，雖然該版教材重點(diǎn)突出了礦井設(shè)計(jì)當(dāng)中各組成部分這一核心問題，但對(duì)礦井開拓、準(zhǔn)備和采煤等基礎(chǔ)知識(shí)內(nèi)容過于詳細(xì)，與已有專業(yè)課程“煤礦開采學(xué)”有較多重疊，而反映礦山智能化工程問題、高產(chǎn)高效礦井運(yùn)輸系統(tǒng)和學(xué)科前沿的知識(shí)相對(duì)缺乏，很難讓學(xué)生全面了解當(dāng)前智能化建設(shè)和高產(chǎn)高效礦井的特點(diǎn)和問題[2-3]。

（二） 教學(xué)方法落后

目前，該課程的教學(xué)模式主要以“課堂面授”理論教學(xué)模式為主，即教學(xué)內(nèi)容以教材為中心，通過幻燈片向?qū)W生教授，課堂互動(dòng)限于傳統(tǒng)模式；教學(xué)過程以“教”為中心，學(xué)生“學(xué)”占比較低。湖南科技大學(xué)采礦工程專業(yè)分別在2013年，2016年和2020年通過了工程教育認(rèn)證,培養(yǎng)要求即明確了學(xué)生接受采礦工程師的基本訓(xùn)練，掌握礦山規(guī)劃與開采設(shè)計(jì)、資源開采與管理等多方面的基本能力[4]。這一教學(xué)方法忽略了工程教育認(rèn)證提出的OBE教學(xué)理念，即成果導(dǎo)向教育。具體來說，目前的教學(xué)方法仍然是首先設(shè)計(jì)課程體系和教學(xué)策略，最后確定教學(xué)目標(biāo)，該方法與OBE工程教育理念恰恰是相反的。

（三） 教學(xué)課時(shí)分配不合理

課程結(jié)構(gòu)涉及煤礦開采學(xué)、井巷工程和礦山壓力與巖層控制，內(nèi)容豐富廣泛。一方面，學(xué)生所用教材共十五章，以32學(xué)時(shí)完成理論上不能完成的教學(xué)內(nèi)容，只能壓縮章節(jié)或刪減部分次重要內(nèi)容，使知識(shí)結(jié)構(gòu)不完整，影響學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和應(yīng)用。另一方面，現(xiàn)有教材內(nèi)容與煤礦開采學(xué)、井巷工程和礦山壓力與巖層控制均有重疊部分，目前各課程之間重疊內(nèi)容教學(xué)深度廣度也不盡相同。整體來說教學(xué)課時(shí)分配不合理，前序課程和后續(xù)課程重疊內(nèi)容缺少動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)[5]。

隨著煤礦智能化建設(shè)的發(fā)展、高產(chǎn)高效采掘運(yùn)裝備的提升和社會(huì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的加強(qiáng)，礦山工程領(lǐng)域?qū)⒊尸F(xiàn)出新技術(shù)、新裝備和新理念的交叉融匯，如何在有限的課程學(xué)時(shí)內(nèi)，既覆蓋礦井設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，又把這些新技術(shù)、新裝備和新理念背后的礦井設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)加入教材、融入課堂，并且在教學(xué)過程中切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生初步具有設(shè)計(jì)方案達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的創(chuàng)新與設(shè)計(jì)能力，這是擺在本課程教學(xué)面前迫切需要解決的重要問題。因此，“礦山井設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革勢在必行。

三 課程教學(xué)改革措施

由于《礦井設(shè)計(jì)》課程對(duì)采礦工程本科生培養(yǎng)立足于掌握煤礦設(shè)計(jì)過程中礦區(qū)及礦井設(shè)計(jì)的基本原理和設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生的礦井設(shè)計(jì)知識(shí)的應(yīng)用能力、探索性學(xué)習(xí)能力，加深學(xué)生對(duì)礦井設(shè)計(jì)內(nèi)容的理解和掌握，初步具有設(shè)計(jì)方案達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的創(chuàng)新與設(shè)計(jì)能力。因此，針對(duì)該課程存在的上述問題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)模式三個(gè)方面提出教學(xué)改革舉措，具體為教學(xué)內(nèi)容專題化，突出礦井設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，彰顯智能化、高產(chǎn)高效和安全環(huán)保礦井特色，同時(shí)優(yōu)化編排內(nèi)容，達(dá)到主次分明；豐富教學(xué)手段，多采用知識(shí)視覺化，加快學(xué)生的感知速度，以減少因?qū)W時(shí)少對(duì)教學(xué)效果帶來的影響；采用“研究探討性”教學(xué)方法，調(diào)動(dòng)和發(fā)散學(xué)生思維，使學(xué)生形成“問題與矛盾意識(shí)”，達(dá)到學(xué)以致用。

（一） 專題化教學(xué)內(nèi)容和優(yōu)化編排結(jié)構(gòu)

首先將《礦井設(shè)計(jì)》課程內(nèi)容分為基礎(chǔ)專題和特色專題兩大部分?；A(chǔ)專題包括礦區(qū)總體設(shè)計(jì)、礦井設(shè)計(jì)（包括安全專篇）、礦井開拓/準(zhǔn)備和采區(qū)設(shè)計(jì)等三篇基礎(chǔ)內(nèi)容，重在強(qiáng)化學(xué)生對(duì)礦井設(shè)計(jì)的基本知識(shí)掌握。特色專題突出智能化、高產(chǎn)高效和安全環(huán)保礦井特色，選取智能化采煤工作面和智能化掘進(jìn)工作面建設(shè)及其作業(yè)規(guī)程編制、井底車場和采區(qū)車場連續(xù)高效輔助運(yùn)輸系統(tǒng)選型及建設(shè)、無煤柱開采/充填開采/煤與瓦斯共采等綠色開采技術(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用等三大特色專題，重點(diǎn)面向行業(yè)技術(shù)發(fā)展和社會(huì)環(huán)保需求，培養(yǎng)學(xué)生掌握新時(shí)代背景下煤礦設(shè)計(jì)的新理念、新技術(shù)和新方法，各模塊的章節(jié)和具體內(nèi)容（見表1）。

重新編排后的基礎(chǔ)專題中，打破了目前教材的編寫結(jié)構(gòu)順序，從新時(shí)代發(fā)展背景下礦區(qū)總體規(guī)劃和當(dāng)下要求的智能化高產(chǎn)高效綠色礦井建設(shè)設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)新建礦井設(shè)計(jì)的各組成部分出發(fā)，對(duì)新建礦井設(shè)計(jì)每一部分基礎(chǔ)概念都進(jìn)行講授，更利于學(xué)生結(jié)合前述《煤礦開采學(xué)》課程掌握主要基礎(chǔ)知識(shí)。更重要的是對(duì)每一部分內(nèi)容結(jié)合采礦工程學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行擴(kuò)展，不僅加深了學(xué)生對(duì)礦井設(shè)計(jì)各部分內(nèi)容的掌握，還為后續(xù)最后一學(xué)期開展畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好基礎(chǔ)。

在特色專題的編寫中，根據(jù)現(xiàn)在行業(yè)技術(shù)發(fā)展態(tài)勢和學(xué)科專業(yè)趨勢，專門增加了礦山智能化相關(guān)內(nèi)容、高產(chǎn)高效礦井專題、安全環(huán)保礦井專題和綜合應(yīng)用專題。在各特色專題內(nèi)容中結(jié)合前述的基礎(chǔ)專題知識(shí)和工程實(shí)例，把特色類的礦山設(shè)計(jì)問題建立統(tǒng)一的設(shè)計(jì)思路，在這種“特色”與“實(shí)例”中強(qiáng)化了基礎(chǔ)，增加了知識(shí)的系統(tǒng)性和應(yīng)用。

（二） 重點(diǎn)知識(shí)“動(dòng)”起來，線上線下教學(xué)齊開展，豐富教學(xué)方法

目前的《礦井設(shè)計(jì)》講授主要還是采用傳統(tǒng)的PPT作為教學(xué)工具，輔以課堂板書?？梢源_認(rèn)的是，課程知識(shí)的PPT演示或者板書在帶領(lǐng)學(xué)生同步思考，引導(dǎo)學(xué)生思路上具有一定的優(yōu)勢，但也容易造成許多教學(xué)內(nèi)容由于學(xué)時(shí)不足而不得不放棄，這不符合采礦工程專業(yè)對(duì)礦井設(shè)計(jì)知識(shí)的需求。再者，傳統(tǒng)的PPT教學(xué)過程中僅僅是將眾多文字內(nèi)容放在演示文稿里面，缺少針對(duì)礦井設(shè)計(jì)流程或?qū)ｎ}設(shè)計(jì)當(dāng)中的專門動(dòng)畫演示或者現(xiàn)場視頻演示，教學(xué)手段相對(duì)單薄。為降低學(xué)時(shí)對(duì)教學(xué)效果的限制，重點(diǎn)知識(shí)“動(dòng)”起來，本課程主要從兩個(gè)方面豐富教學(xué)方法：

（1）重點(diǎn)設(shè)計(jì)流程知識(shí)演示動(dòng)畫或者現(xiàn)場短視頻。礦井設(shè)計(jì)當(dāng)中每一部分的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)比較理論化，其設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)原則是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，?duì)于初次涉及礦井系統(tǒng)設(shè)計(jì)的學(xué)生，應(yīng)淡化基礎(chǔ)知識(shí)，重在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)礦井設(shè)計(jì)全系統(tǒng)流程的理解。因此，在優(yōu)化改革后的PPT教學(xué)當(dāng)中重點(diǎn)增加動(dòng)畫演示和現(xiàn)場視頻展示，提高信息化教學(xué)水平，進(jìn)而提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的專注度，加深本專業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程的邏輯思維。如無煤柱開采設(shè)計(jì)這一節(jié)安全環(huán)保礦井專題內(nèi)容，筆者上課時(shí)準(zhǔn)備了3dmax制作的動(dòng)畫向?qū)W生展示無煤柱沿空留巷工藝全過程（見圖1），通過重點(diǎn)知識(shí)動(dòng)起來，讓學(xué)生視覺上感受無煤柱沿空留巷工藝和其中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知和理解。實(shí)踐證明，重點(diǎn)知識(shí)動(dòng)起來的教學(xué)手段能達(dá)到事半功倍的效果。

圖1 無煤柱沿空留巷工藝全過程

（2）線上線下混合式教學(xué)，延長學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間。

限于本課程32個(gè)學(xué)時(shí)，本課程教學(xué)時(shí)長相對(duì)較短，這就需要利用現(xiàn)代信息技術(shù)延長學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐，突破師生互動(dòng)囿于課堂的情況。因此，在課程教學(xué)期間啟用了超星學(xué)習(xí)通APP進(jìn)行線上教學(xué)以補(bǔ)充線下教學(xué)時(shí)間，通過將相關(guān)PPT和課程中間的重要?jiǎng)赢媰?nèi)容上傳到學(xué)習(xí)通平臺(tái)（見圖2），在話題討論板塊定時(shí)上線不同的討論話題（見圖2），全方位延長學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)“師生”和“生生”之間的長時(shí)互動(dòng)。

圖2 學(xué)習(xí)通平臺(tái)課程資源

（三） 科研成果轉(zhuǎn)化為本科課堂教學(xué)資源

一方面，教育部“關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校本科教育工作的若干意見”中明確指出：“要積極推動(dòng)研究性教學(xué)，提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力?！绷硪环矫?，工程教育認(rèn)證所要求的成果產(chǎn)出導(dǎo)向理念，“強(qiáng)調(diào)專業(yè)教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施以學(xué)生接受教育后所取得的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，并對(duì)照畢業(yè)生核心能力和要求，評(píng)價(jià)專業(yè)教育的有效性”。這就促使筆者建立以“學(xué)生掌握知識(shí)”的成果產(chǎn)出導(dǎo)向思想，不再完全按照傳統(tǒng)的教學(xué)大綱進(jìn)行，而是通過引入問題激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生掌握分析問題和解決問題的思路和方法，達(dá)到學(xué)以致用的目的。根據(jù)筆者所在研究團(tuán)隊(duì)多年的科研項(xiàng)目攻關(guān)經(jīng)歷，筆者將團(tuán)隊(duì)相關(guān)科研成果積極導(dǎo)入課程相關(guān)內(nèi)容，如無煤柱開采設(shè)計(jì)、煤與瓦斯共采設(shè)計(jì)等安全環(huán)保礦井專題內(nèi)容。如在講解無煤柱開采設(shè)計(jì)時(shí)，首先在課堂講授實(shí)現(xiàn)無煤柱開采的兩種類型（充填沿空留巷和切頂沿空留巷），再具體以某個(gè)煤礦工作面充填沿空留巷為具體案例，詳細(xì)向?qū)W生介紹如何設(shè)計(jì)巷旁支護(hù)關(guān)鍵參數(shù)、巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)、巷旁充填工藝和臨時(shí)支護(hù)工藝，最后通過播放現(xiàn)場開展的實(shí)際視頻工藝進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生了解無煤柱開采設(shè)計(jì)流程。

《礦井設(shè)計(jì)》是一門專業(yè)知識(shí)寬泛和理論豐富的課程，并且隨著行業(yè)技術(shù)發(fā)展一直處于動(dòng)態(tài)發(fā)展階段，如何構(gòu)建師生課堂內(nèi)外連通互動(dòng)、拓展知識(shí)平臺(tái)是教學(xué)改革的目的，也是一項(xiàng)長期而艱巨的工作。為了追蹤學(xué)科發(fā)展的前沿，保持教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性，適應(yīng)社會(huì)對(duì)人才“知識(shí)面寬、創(chuàng)新能力強(qiáng)”的要求，本課程教學(xué)改革還有許多方面需要深入研究與探索。