新工科背景下巖土鉆掘工程學(xué)課程教學(xué)改革創(chuàng)新探索

劉永升，王 瑜，劉寶林，李國明，胡遠彪

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

2015 年5 月國務(wù)院正式印發(fā)《中國制造2025》，到2025 年我國預(yù)期將邁入制造強國行列，到2035 年我國制造業(yè)整體達到世界制造強國陣營中等水平[1]。2017 年以來，教育部組織高校深入研討，先后形成“復(fù)旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，初步確定了面向未來的工程教育發(fā)展的新理念和新模式，新工科建設(shè)應(yīng)運而生。相對于傳統(tǒng)工科而言，新工科以新經(jīng)濟和新產(chǎn)業(yè)為背景，以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化和塑造未來為建設(shè)理念，以繼承創(chuàng)新、交叉融合和協(xié)調(diào)共享為途徑，旨在培養(yǎng)適應(yīng)未來發(fā)展的創(chuàng)新型、多元化高素質(zhì)卓越工程人才[2]。工科教育與改革備受重視，“新工科”是對傳統(tǒng)工科的升級改造，相較于傳統(tǒng)的工科人才，未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要的是實踐能力強、創(chuàng)新能力強及具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才[3]。新工科人才既要具備運用既定知識解決現(xiàn)有問題的實操能力，又要能夠持續(xù)學(xué)習(xí)、自我更新并跟進知識和技術(shù)的迭代，成為引領(lǐng)科技革新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的中堅[4]。

2020 年中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地質(zhì)工程專業(yè)通過工程教育專業(yè)認(rèn)證，巖土鉆掘工程學(xué)課程作為中國地質(zhì)大學(xué)（北京）雙一流學(xué)科——地質(zhì)工程專業(yè)核心主干課程，直接影響本專業(yè)學(xué)生專業(yè)知識架構(gòu)的形成，同時對凸顯地質(zhì)工程專業(yè)特色具有重要作用。傳統(tǒng)課堂教育與工程教育認(rèn)證背景下課堂要求存在一定差距。特別是2020年以來，在新冠肺炎疫情沖擊下，該課程迫切需要探索由線下課程轉(zhuǎn)為線上課程，既是機遇也是挑戰(zhàn)，一方面有利于實現(xiàn)課程的教育信息化，綜合運用現(xiàn)代教育技術(shù)，提高教學(xué)質(zhì)量；另一方面，該課程一直以線下教學(xué)為主，線上教學(xué)為輔，在疫情影響下轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上教育暴露了課程存在的諸多問題亟待解決，基于新工科人才的培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)改革勢在必行。

一、巖土鉆掘工程學(xué)教學(xué)目的及課程特色

（一）教學(xué)目的

地質(zhì)工程是中國地質(zhì)大學(xué)（北京）雙一流專業(yè)建設(shè)的著力點，學(xué)校積極倡導(dǎo)和大力支持鞏固和發(fā)展該專業(yè)的優(yōu)勢地位，巖土鉆掘工程學(xué)作為本專業(yè)的主干核心課，旨在教授學(xué)生鉆探工程的基本工序、施工工藝和設(shè)備，以及與之相關(guān)的理論知識。

目前，該課程授課學(xué)生為大三年級，在前期大一、大二基礎(chǔ)課程之上的專業(yè)知識的拔高學(xué)習(xí)，通過課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解地質(zhì)工程專業(yè)發(fā)展動態(tài)和前沿技術(shù)，掌握巖土鉆掘的新技術(shù)、新方法，輔以實習(xí)和實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，拓展學(xué)生思路，提高學(xué)生分析和解決復(fù)雜地質(zhì)工程問題的能力，注重理論與實際相結(jié)合，培養(yǎng)和提高學(xué)生在深入理解有關(guān)原理的基礎(chǔ)上實際應(yīng)用的能力，使本專業(yè)畢業(yè)生適應(yīng)今后面向地質(zhì)礦產(chǎn)資源勘探、水資源的探采結(jié)合，以及城鄉(xiāng)建設(shè)、交通規(guī)劃、水利水電和油氣鉆采等行業(yè)的工作需要。在課程教學(xué)過程中，需著重培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力和國際競爭力，開拓工程教育改革，以培養(yǎng)工程創(chuàng)新人才，為打造世界工程創(chuàng)新中心和人才高地貢獻一份力量。

（二）課程特色

在課程教學(xué)改革創(chuàng)新探索中，要注重保留并發(fā)展課程特色。從基本概念入手，循序漸進講授其所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，注重將理論與實踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生在深入理解有關(guān)原理基礎(chǔ)上的實際運用能力，同時在課程中要注重培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力和國際競爭力。

1.保留課程傳統(tǒng)特色

（1）緊貼工程實際。本課程教學(xué)內(nèi)容實用性極強，所學(xué)專業(yè)知識緊貼工程實際，可以說巖土鉆掘工程學(xué)來源于生產(chǎn)實際又服務(wù)于工程實際，通過本課程的學(xué)習(xí)，可以完全適應(yīng)面向地質(zhì)礦產(chǎn)資源勘探、水資源的探采結(jié)合，以及城鄉(xiāng)建設(shè)、交通規(guī)劃、水利水電和油氣鉆采等行業(yè)的工作需要。

（2）學(xué)科交叉性。本課程涉及高等數(shù)學(xué)、巖石力學(xué)、流體力學(xué)、材料力學(xué)、固體力學(xué)、機械工程和地球科學(xué)等相關(guān)學(xué)科，學(xué)科知識結(jié)合交融性強，能全面培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)綜合知識。

（3）專業(yè)實踐性強。巖土鉆掘工程學(xué)專業(yè)性、工程應(yīng)用性強，強調(diào)學(xué)生融會貫通理論知識于實際應(yīng)用之中，所以要注重培養(yǎng)學(xué)生實踐動手的能力。

2.發(fā)展課程特色

（1）培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。在課程教學(xué)中，教師通過案例教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生在工程實踐教學(xué)中發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)實際問題，并提出解決方案；通過搭建校企合作實踐平臺，邀請校外企業(yè)專家講座等方式了解生產(chǎn)實踐問題；鼓勵學(xué)生參與大學(xué)生創(chuàng)新項目等競賽，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

（2）提高學(xué)生國際競爭力。課程通過搜集并研習(xí)當(dāng)今國內(nèi)外巖土鉆掘工程的先進研究文獻、“雙語教學(xué)”等方式培養(yǎng)國際化人才，提高學(xué)生國際競爭力。

二、當(dāng)前課程教學(xué)存在問題

巖土鉆掘工程學(xué)是中國地質(zhì)大學(xué)（北京）的傳統(tǒng)、優(yōu)勢課程之一，但缺乏創(chuàng)新動力。新工科背景下，面對固有問題及疫情下教學(xué)模式的改變，課程教學(xué)暴露諸多問題，面臨改革挑戰(zhàn)。

（一）課程內(nèi)容與教學(xué)方法落伍

1.教材經(jīng)典，知識陳舊

該課程仍然沿用“九五”期間兄弟院校共同參編的重點教材，雖包羅萬象，但內(nèi)容、知識等陳舊、落伍，無法反映本學(xué)科最新動態(tài)，亟待更新。例如，由于教材出版于2001 年，所以緒論中21 世紀(jì)的巖土鉆掘工程發(fā)展概況未在課本體現(xiàn)，當(dāng)前國內(nèi)外最先進巖土鉆掘工程研究及發(fā)展現(xiàn)狀和相關(guān)案例未在課本體現(xiàn)。

2.電子教學(xué)資源不足

當(dāng)今時代，教育信息化改革迅猛發(fā)展，在線教學(xué)成為必然。巖土鉆掘工程學(xué)急需應(yīng)對改革，僅憑單純課本的講授單調(diào)乏味，不利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，已無法滿足學(xué)生學(xué)習(xí)需求。然而，現(xiàn)有課程電子教學(xué)資源匱乏，電子教材、電子課件和網(wǎng)上課程等教學(xué)資源急需豐富。

3.教學(xué)方法單調(diào)

傳統(tǒng)課堂采用“填鴨式”講授法教學(xué)，教師課堂講授為主，導(dǎo)致課堂死寂，學(xué)生基本以聽講為主，被動接受知識，忽略敘述主體性，不利于發(fā)揮學(xué)生的主動性。課程教學(xué)活動缺乏互動，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)模式改革背景下，教學(xué)方法亟待更新。

（二）課程成績評定方式單一

課程成績評定方式主要為理論知識測試，即期中、期末閉卷考試，考核方式“機械”，僅考核學(xué)生課程知識點掌握情況，部分學(xué)生可能并沒有完全理解內(nèi)容，靠死記硬背取得高分，無法考核學(xué)生在工程實際中問題解決能力、實踐能力、思維能力與創(chuàng)新能力，也就無法培養(yǎng)適應(yīng)新工科人才。

（三）實驗課停擺

巖土鉆掘工程學(xué)本身為實踐性強的學(xué)科，2020 年疫情影響下，導(dǎo)致實驗課無法開展，工程理論知識與工程實踐脫節(jié)，導(dǎo)致大部分學(xué)生雖然能夠掌握理論，但是遇到具體的工程問題時，無法將課堂學(xué)習(xí)的理論知識運用于工程實際。

三、課程教學(xué)改革創(chuàng)新探討

課程教學(xué)改革創(chuàng)新，既要解決課程亟待解決的問題，又要注重保留并發(fā)展課程特色，即課程緊貼工程實際、注重學(xué)科交叉及課程實踐性，注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力與國際競爭力。

（一）更新教學(xué)內(nèi)容及課件

1.更新教學(xué)內(nèi)容

課程教學(xué)不能單純依賴課本，課程內(nèi)容需進行更新?lián)Q代，系統(tǒng)地梳理課程架構(gòu)，并追蹤國內(nèi)外研究進展，深度更新課程內(nèi)容，使課堂展示更生動，同時使學(xué)生了解當(dāng)下巖土鉆掘工程學(xué)現(xiàn)狀，提升其學(xué)習(xí)興趣。

2.更新教學(xué)課件

早在2000 年中國地質(zhì)大學(xué)（北京）就開始研究利用計算機多媒體技術(shù)編著《巖土鉆掘工程學(xué)》多媒體課件的方法及過程。利用Flash、photoshop 軟件制作課件，將本門課程教學(xué)難點如：巖石破碎、鉆孔沖洗和鉆探質(zhì)量生動展現(xiàn)。按照傳統(tǒng)教授式教學(xué)方法只能憑借想象，但是利用計算機技術(shù)，制作大量圖片與三維動畫，將抽象概念直觀展現(xiàn)給學(xué)生，可以提高授課質(zhì)量[5]。計算機輔助多媒體課件可以增加學(xué)習(xí)趣味性，促進學(xué)生對抽象內(nèi)容的理解。在此基礎(chǔ)上，除了借鑒先前課件使用的制作軟件外，還將運用更加豐富的開發(fā)工具Croe、Solidworks、UnityStudio3D等制作課件，向?qū)W生展示本門課程涉及的原理。

教學(xué)課件的制作上，采用師生合作形式制作，使學(xué)生在深度掌握課本內(nèi)容的同時，也掌握豐富的開發(fā)工具，便于后續(xù)深度學(xué)習(xí)。

（二）創(chuàng)新教學(xué)方法

1.翻轉(zhuǎn)課堂與案例教學(xué)法結(jié)合

翻轉(zhuǎn)課堂是一種新型教學(xué)模式，也稱顛倒課堂。指重新調(diào)整課堂內(nèi)外時間，教師不占用課堂講授信息，教學(xué)流程由“先教后學(xué)”變?yōu)椤跋葘W(xué)后教”，這種逆序創(chuàng)新的教學(xué)模式大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性[6]。通過錄制微課，學(xué)生自主觀看，可以將理論知識移到課外，課堂內(nèi)通過研討、完成任務(wù)可以有效鍛煉學(xué)生的實踐能力。體現(xiàn)了“學(xué)習(xí)者為中心”的教學(xué)思想，有利于提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

從課程特色來看，巖土鉆掘工程學(xué)屬于多學(xué)科交叉課程，具有較強理論性、綜合性和實踐性，比較適合理論講解和簡單案例介紹。該課程將翻轉(zhuǎn)課堂與案例教學(xué)相結(jié)合，具體步驟為微課講授理論提出任務(wù)設(shè)計、課堂案例探究及課后總結(jié)。課堂教師針對重點理論提出經(jīng)典案例，引導(dǎo)學(xué)生進行研究型學(xué)習(xí)，學(xué)生以小組為單位進行探究，獲得解決問題的能力，課后要求學(xué)生將所學(xué)內(nèi)容總結(jié)內(nèi)化。將翻轉(zhuǎn)課堂與案例教學(xué)法相結(jié)合，課堂基于實際應(yīng)用問題互動，提高學(xué)生解決工程實際問題的能力。

2.團隊項目（Team project）

借鑒國外課程學(xué)習(xí)經(jīng)驗，設(shè)計本課程的Team project，培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神，將學(xué)生每5 人分為一組，注意“強弱搭配”，增強“生-生”互動，讓學(xué)生邊學(xué)邊想，邊想邊實現(xiàn)，集體完成學(xué)習(xí)任務(wù)，集中體現(xiàn)學(xué)以致用，讓學(xué)生體驗合作學(xué)習(xí)的成就感。

3.中英雙語教學(xué)

雙語教學(xué)有利于提高學(xué)生的國際競爭力，作為雙一流學(xué)科專業(yè)，應(yīng)該培養(yǎng)國際化的人才。雙語教學(xué)可行性表現(xiàn)在該課程授課對象為大三年級本科學(xué)生，已完成公共課英語的學(xué)習(xí)，絕大多數(shù)學(xué)生已通過四級考試，為雙語教學(xué)的進行提供了重要保證。

雙語教學(xué)必要性表現(xiàn)在運用中英雙語教學(xué)便于培養(yǎng)國際化地質(zhì)工程專業(yè)人才。英語在國際科技交流中被廣泛使用，采用雙語教學(xué)，提高英語交流能力對工科學(xué)生具有重要意義[7]。學(xué)生今后在鉆掘工程方面產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)備使用、生產(chǎn)科研中不可避免要接觸國外先進技術(shù)，查閱參考資料或直接參加科技交流及進行相關(guān)研究都離不開英文。隨著“一帶一路”倡議實施，中國基建項目也在海外落地生根，地質(zhì)工程專業(yè)人員須掌握英文以滿足今后工作需要。

課程中將探索采取簡單問題英文講授，復(fù)雜問題中文講授方法，編制巖土鉆掘工程方面中英專業(yè)術(shù)語對照詞表，提高學(xué)生專業(yè)英語能力，能夠促進其讀懂國外研究文獻、使用設(shè)備和科技交流等問題，培養(yǎng)國際化地質(zhì)工程專業(yè)人才。

4.鼓勵學(xué)生參加競賽

引導(dǎo)學(xué)生進行創(chuàng)新設(shè)計，鼓勵學(xué)生組隊參加“大學(xué)生創(chuàng)新項目”等競賽。讓學(xué)生學(xué)有所用，提高學(xué)習(xí)興趣的同時，將所學(xué)知識應(yīng)用于工程實際，在進行科研訓(xùn)練的同時使其獲得成就感。

5.探索運用虛擬仿真技術(shù)

新工科背景下，虛擬仿真技術(shù)備受關(guān)注。探索運用虛擬仿真技術(shù)，增加實體教學(xué)模型，提升課堂的真實性，盡可能把實際帶入課堂，讓學(xué)生有身臨其境之感，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時，有利于學(xué)生實踐動手的開展。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于實驗教學(xué)。將復(fù)雜的地質(zhì)工程及鉆探工藝相關(guān)知識運用形象直觀的3D 圖形表現(xiàn)出來，建立人機交互界面，把工程現(xiàn)場情景化，綜合采用了三維動畫技術(shù)、平面動畫技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)及媒體交互技術(shù)等當(dāng)今世界上多種最新的高科技媒體技術(shù)[8]，使得課堂生動有趣，此外運用虛擬仿真技術(shù)不僅可以解決疫情期間實驗、實習(xí)困難，而且可以降低風(fēng)險和成本。

（三）采用多平臺混合式線上教學(xué)

課程教學(xué)改革后，采取騰訊課堂錄播+直播+微信群混合式線上教學(xué)，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂及案例教學(xué)，提高教學(xué)與學(xué)習(xí)效率。

1.課前預(yù)習(xí)

基于翻轉(zhuǎn)課堂，將教學(xué)內(nèi)容設(shè)計劃分10 個知識點，教師將學(xué)生分為10 個小組，每組4～5 人，要求每個小組負責(zé)一個專題講解，教師對教學(xué)內(nèi)容進行整體把控，通過引導(dǎo)組員對專業(yè)文獻尤其是英文文獻閱讀和整理，網(wǎng)絡(luò)搜集國內(nèi)外行業(yè)發(fā)展動態(tài)，在此基礎(chǔ)上錄制微課上傳騰訊課堂由其他班級成員自行觀看。微課用語原則為，簡單問題英文講授，復(fù)雜問題中文講授。教師輔助學(xué)生完成復(fù)雜三維動畫課件，并同步將已優(yōu)化更新的PPT 課件上傳至百度網(wǎng)盤，從而師生共同完成課件更新?lián)Q代。另外，騰訊課堂可以記錄學(xué)生觀看時長，起到監(jiān)督作用。

2.課上案例講解與Team project

騰訊課堂可以顯示在線人數(shù)與聽課情況，有利于學(xué)習(xí)過程監(jiān)督，同時省去點名、簽到等環(huán)節(jié)，節(jié)約時間，也可實時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動態(tài)。教師課上案例講解通過共享屏幕及上傳PPT 分享課件，并利用騰訊課堂分組功能，針對微課中所提及的課堂任務(wù)進行小組討論，通過生-生的團隊合作完成Team project。

3.課后反饋

課后作業(yè)的布置考慮中英雙語，適當(dāng)設(shè)置英文題目，體現(xiàn)雙語教學(xué)。針對課后作業(yè)，為避免抄襲，要求學(xué)生將所有作業(yè)拍照上傳。建立課堂微信群，便于師生、生生互動，針對學(xué)生疑惑，學(xué)生或教師在微信群進行答疑解惑，教師通過隨時收集反饋信息，認(rèn)真開展教學(xué)反思，及時調(diào)整教學(xué)模式。在課上有針對性地對學(xué)生知識欠缺點、盲點和遺漏點進行查漏補缺，充分發(fā)揮翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式中個性化教學(xué)的特點和功能[9]，也使學(xué)生養(yǎng)成隨時學(xué)習(xí)的習(xí)慣，營造良好的學(xué)習(xí)氛圍。

（四）課程評價改革

1.學(xué)生者測評

采用綜合性成績評定方式，取消單一理論知識考核方式，僅考察理論知識不利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，容易讓學(xué)生“死記硬背”，機械性學(xué)習(xí)。巖土鉆掘工程學(xué)作為一門實踐性強的課程要最終服務(wù)于工程實踐，因此應(yīng)對學(xué)生理論知識、實踐能力和動手能力等進行多元綜合性評價。改革后的課程將通過理論測試（50%）、實踐認(rèn)知（15%）、動手創(chuàng)新（15%）、Team project（20%）四位一體綜合評價學(xué)生成績。

2.對課程本身的評價

課程進行中和課程進行后對學(xué)生進行網(wǎng)上問卷調(diào)查與訪談，調(diào)查與成績無關(guān)，確保匿名，以便使學(xué)生無后顧之憂。調(diào)查學(xué)生對課程的滿意度、在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、成績評定及教師等方面的意見，通過課程中的形成性評價和課后總結(jié)性評價反饋于課程設(shè)計，以便教師對課程進行優(yōu)化與調(diào)整。

（五）校企合作

產(chǎn)教融合、校企合作的人才培養(yǎng)模式是培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才的未來趨勢。比如：該課程通過帶領(lǐng)學(xué)生參觀油氣鉆采公司、邀請校外專家開展講座等方式加強校企合作，了解企業(yè)先進技術(shù)與行業(yè)現(xiàn)狀，讓學(xué)生更真實了解工程實際。校企合作一方面能夠緩解高校教學(xué)硬件設(shè)施不足的缺點，另一方面可以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，使學(xué)生了解工程師實際工作狀態(tài)，提高學(xué)習(xí)的興趣。

四、結(jié)束語

新工科背景下，工科教育面臨教學(xué)改革，特別是疫情的影響加速了高校教育信息化的進程，作為一門一流課程必須能夠成功應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境的挑戰(zhàn)。巖土鉆掘工程學(xué)作為地質(zhì)工程專業(yè)主干核心課程急需針對當(dāng)前課程的諸多問題，進行教學(xué)改革創(chuàng)新，以便為培養(yǎng)高質(zhì)量地質(zhì)工程人才提供重要保障。針對課程目標(biāo)和特色，面對當(dāng)前課程存在的問題，從課程的內(nèi)容、教學(xué)方法、多平臺混合線上教學(xué)、課程評價和校企合作等方面對該課程進行教學(xué)改革創(chuàng)新探索，最終使這門課程能夠適應(yīng)新工科培養(yǎng)實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才的要求，著力打造一門一流課程。