選礦自動化課程金課建設(shè)與探討*

李龍江 沈智慧 李先海 黃小芬

（1.貴州大學礦業(yè)學院 貴州貴陽 550025；2 貴州非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室 貴州貴陽 550025；3.喀斯特地區(qū)優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實驗室 貴州貴陽 550025）

一、背景介紹

教育部印發(fā)了《關(guān)于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》（教高函〔2018〕8號），提出各高校要全面梳理各門課程的教學內(nèi)容，淘汰“水課”、打造“金課”，切實提高課程教學質(zhì)量[1，2]。選礦自動化是貴州大學礦業(yè)學院礦物加工工程專業(yè)選修課程，是現(xiàn)代礦業(yè)的必備課程，是礦物加工工程專業(yè)國際教育認證的必選課程，課程屬于非控制專業(yè)的控制類課程[3]。選礦過程自動化工作的開展為多學科技術(shù)力量合作，需要儀表、自動控制、數(shù)學、計算機及選礦等專業(yè)科技人員的互相配合。其中具有一定自動化技術(shù)知識的選礦專業(yè)人員是非常重要的、不可缺少的力量。課程理論性強、涉及多方面的數(shù)理知識，具有一定深度和難度。在貴州大學學校辦學定位，《普通高等學校本科專業(yè)類教學質(zhì)量國家標準》，《中國工程教育專業(yè)認證-礦物加工工程專業(yè)工程教育認證標》的指導(dǎo)下，遵循理論聯(lián)系實際的原則，建立一個包括理論講授、計算機輔助教學、實踐教學在內(nèi)的全方位的課程教學新體系，以達到提高教學質(zhì)量的目的。

選礦自動化屬于貴州大學礦業(yè)學院礦物加工工程專業(yè)的專業(yè)必修課程和核心課程，2006年課程開始開設(shè)；2011年建立了選礦自動化專門實驗室，并使用自編教材《礦物加工自動化》。2015年-2017年獲得貴州大學校級重點建設(shè)課程資助；2016年調(diào)整培養(yǎng)方案后，根據(jù)工程教育認證的要求和礦物加工工程專業(yè)國家培養(yǎng)標準，改為《選礦自動化》；2017年正式出版了《礦物加工自動化》教材。2018年在新工科項目的支持下，卓越工程師十三五規(guī)劃教材《礦物加工測試技術(shù)》。2019年《在工程教育背景下選礦自動化的教學改革與實踐》獲得省級教學改革項目的資助；在國家級一流本科專業(yè)的支持下以及在工程教育背景下，逐漸融入思想政治教育。全面深化改革與應(yīng)用，全面融入課程思政；2021年申請第二批國家一流課程線下課程建設(shè)并獲得省級推薦；2021年課程獲得的貴州大學國家一流課程申報重點培育課程資金的資助；2022年進行超星線上線下課程建設(shè)。

圖1 課程歷史沿革

二、課程建設(shè)目標及亟須解決的問題

課程貫徹國家“立德樹人”的教育方針，依托國家一流專業(yè)建設(shè)標準、工程教育認證畢業(yè)要求、新工科理念，在學校辦學定位引領(lǐng)下“厚基礎(chǔ)、強應(yīng)用、重實踐”，課程體現(xiàn)自動化前沿性與時代性要求，體現(xiàn)跨學科思維融合、產(chǎn)業(yè)技術(shù)與學科理論融合、依據(jù)選礦自動化學科前沿動態(tài)與社會發(fā)展需求動態(tài)為核心進行課程教育教學改革，課程培養(yǎng)目標如下。

知識目標：學生應(yīng)具備礦物加工工程專業(yè)高技能應(yīng)用人才所必須的選礦自動化理論基礎(chǔ)知識體系，熟悉構(gòu)建工業(yè)自動化技術(shù)應(yīng)用輪廓，熟悉自動化系統(tǒng)的設(shè)計與維護，掌握自動化關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于專業(yè)領(lǐng)域的基本技能。

能力目標：較全面地認識、體會選礦自動化技術(shù)，緊跟學科前沿，拓展認知領(lǐng)域和思維空間，能夠結(jié)合專業(yè)學科技能，創(chuàng)新地應(yīng)用選礦自動化的知識解決礦物加工復(fù)雜的工程問題。

素質(zhì)目標：結(jié)合高校課程思政目標，學生深刻理解礦物加工自動化在礦物加工行業(yè)的戰(zhàn)略高度和提質(zhì)增效的意義，對選礦自動化技術(shù)發(fā)展有高度敏感性，有正確的職業(yè)觀念，以及愛崗敬業(yè)，團結(jié)協(xié)作的職業(yè)精神。

貴州大學礦物加工工程專業(yè)2016年通過了國際工程教育認證，2019年通過了6年建設(shè)期限的國際工程教育認證，課程主要支撐畢業(yè)要求的2、3、4、5、10，見表1，從表1可以看出，選礦自動化課程對專業(yè)的畢業(yè)要求支撐力度大。

表1 支撐培養(yǎng)方案的課程目標關(guān)系。

課程為非控制專業(yè)的同學上控制類課程，學生對自動化相關(guān)的知識了解相對較淺，根據(jù)課程目標，需要解決以下5個重點問題。

針對非控制類專業(yè)的學生，控制相關(guān)課程基礎(chǔ)薄弱，如何體現(xiàn)多學科思維融合、產(chǎn)業(yè)技術(shù)與學科理論融合、跨專業(yè)能力融合、如何開設(shè)好該課程？

在授課內(nèi)容方面，如何提高課程內(nèi)容的高階性、先進性、創(chuàng)新性，讓課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)符合學生成長規(guī)律，依據(jù)學科前沿動態(tài)與社會發(fā)展需求動態(tài)更新知識體系，教學資源豐富多樣，體現(xiàn)思想性、科學性與時代性？

選礦自動化課程課堂教學模式和教學方法的創(chuàng)新不夠。如何實現(xiàn)以學生學為中心的教學轉(zhuǎn)變，如何有效融入信息化及數(shù)字化教學工具，線下課程如何借道線上課程模式，做到理論與實踐的融合，實現(xiàn)解決復(fù)雜的工程問題？

課程思政構(gòu)建不成體系，如何通過本課程提升學生的家國情懷和創(chuàng)造精神，提升學生“永遠不向困難低頭”的礦業(yè)精神和工匠精神？

如何實現(xiàn)“產(chǎn)、學、研、教”相結(jié)合，讓科研融入教學和反哺教學，提升學生的動手能力和解決工程實際問題的能力？

三、課程內(nèi)容改革與資源建設(shè)及應(yīng)用情況

1.課程內(nèi)容改革

課程走訪礦物加工工程專業(yè)的畢業(yè)就業(yè)企業(yè)10余家，拜訪相關(guān)自動化車間技術(shù)人員20余人次，了解企業(yè)對選礦自動化人才的需求及對控制的需求，掌握企業(yè)發(fā)展動態(tài)，及時反饋教學，為適應(yīng)企業(yè)需求重塑教學內(nèi)容。根據(jù)行業(yè)需求，編寫并合適教材，讓課程教學內(nèi)容不斷更新。出版《礦物加工自動化》和《礦物加工測試技術(shù)》教材，教材按工程教育認證畢業(yè)要求編寫，穿插大量工程實際案例，啟迪學生思維能力。把握知識前沿，聚焦選礦自動化和礦物加工工程專業(yè)的知識融合，收集先進控制案例，實現(xiàn)多元化案例教學。通過查閱2010年以來相關(guān)自動化期刊1300余篇，專利200余個，微視頻50余個，50個以上有價值的課程案例以及30個機器自動控制程序，課件40余個，并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，幫助學生課下閱讀，掌握前沿自動控制知識，并能把相關(guān)知識運用到工程實際中。整合教學內(nèi)容，完善教學大綱和實驗大綱，構(gòu)建合適的理論教學體系和實驗教學體系，并完善選礦自動化教案，對每一個知識點進行研究，穿插課程思政，提升學生的家國情懷和創(chuàng)造精神，提升學生“永遠不向困難低頭”的礦業(yè)精神和工匠精神。并依托團隊所在的國家地方聯(lián)合工程實驗平臺，梳理學科交叉科研項目作為教學案例，把科研融入教學并反哺教學。

圖2 選礦自動化教材建設(shè)

2.教學資源建設(shè)及應(yīng)用情況

課程組建了中青年老師隊伍3人，一人為副教授，二人為高級實驗師，老師隊伍的教學和科研經(jīng)驗都比較豐富，并多次在實踐中帶領(lǐng)學生獲得國家級創(chuàng)新比賽獎項，為課程提供了強有力的支持。并制作了不同功能的授課小車3輛，實現(xiàn)觀摩和體驗教學。實現(xiàn)單片機和可編程控制器集成在同一臺教學觀摩小車上，集成了先進的軟件和硬件系統(tǒng)，上課時推著小車上課，進行功能演示和觀摩，學生體驗，進行直觀教學。

圖3 不同系統(tǒng)功能的授課小車

在礦物加工工程國家一流專業(yè)，新工科項目，貴州大學211三期建設(shè)項目和教學改革研究項目的支持下，建設(shè)和完善了選礦自動化實驗設(shè)備。引入浙江天煌的4臺套HBCC-2自動控制實驗機，1套溫度，壓力，液位控制實驗機以及1套西門子教育包實驗平臺，購買了一套電路板制作平臺及3D打印設(shè)備，制作了5套S7-200 SMART學生實驗裝置，2套S7-300實驗裝置，使實驗室的硬件設(shè)備能滿足教學和實驗需要，也能滿足學生課余進行相關(guān)自動控制產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計的需要，滿足學生探究式學習要求。進行考試試卷庫建設(shè)，建設(shè)了20套試卷庫，和50套現(xiàn)場考試操作試卷庫。

四、重塑課程教學內(nèi)容，深化教學方法改革

課程內(nèi)容分為10部分，在“厚基礎(chǔ)、強應(yīng)用、重實踐”的課程建設(shè)要求下，以BOPPPS教學模式為基礎(chǔ)[5]，以微課微視頻教學為輔助，分為選礦自動化基礎(chǔ)知識部分；礦物加工常用低壓電器部分；電器控制設(shè)計基礎(chǔ)部分；常用自動化儀表和技術(shù)部分；控制回路與基本控制算法部分；智能控制部分；過程控制系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)部分；計算機控制系統(tǒng)部分；監(jiān)控組態(tài)軟件部分；生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)與企業(yè)資源計劃部分；以及實驗部分。根據(jù)各個部分的知識結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點有針對性的實施教學。

對于基礎(chǔ)知識及元器件介紹部分，以學科前沿講座形式讓學生了解課程，并結(jié)合學生當前認知講解其簡單工作原理。教學方法改變?yōu)橐髮W生自主帶電腦，實現(xiàn)現(xiàn)場演示教學，講解軟件模塊以及運用到自動控制模塊中。

對于控制理論部分，要求學生自主帶電腦，實現(xiàn)現(xiàn)場演示教學，本部分主要目標是把自動控制抽象理論怎么和MATLAB的建模仿真軟件結(jié)合起來，實現(xiàn)模塊化操作和可視化操作，主要運用方法為案例教學法、演示觀摩教學法，并部分實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂教學，讓學生走進課堂，并穿插老師的科研項目講解，激發(fā)學生的科研積極性和創(chuàng)新精神。

對于實驗及實踐教學部分，首先規(guī)范實驗教學大綱，編寫實驗指導(dǎo)書和實驗教案，增設(shè)綜合性設(shè)計型實驗，上機練習部分目標明確，實驗部分內(nèi)容明確，并開設(shè)和專業(yè)相關(guān)的實驗內(nèi)容。

在教學過程中，要求學生課前預(yù)習，查看選礦自動化前沿科技知識，課中通過智能化設(shè)備（手機、筆記本、數(shù)字化系統(tǒng)）和信息傳播系統(tǒng)（微信，郵箱，QQ）等實現(xiàn)現(xiàn)場的交互學習和實驗結(jié)果展示、控制軟件系統(tǒng)的制作等。把授課小車的觀摩性和操作演示性貫穿于整個教學過程當中。

課后，積極引領(lǐng)學生用所學的知識參加到老師的科研項目中和參加全國大學生各級各類創(chuàng)新比賽，在比賽中提升動手能力和創(chuàng)新能力，進一步理解選礦自動化的知識體系。

五、課程成績評定及考試方法改革

選礦自動化課程進行素質(zhì)考查和實際操作考查，通過實際操作訓(xùn)練使得自動化軟件和硬件操作與理論結(jié)合。學生成績多元化處理，平時成績20%+實驗成績20%+現(xiàn)場操作考試30%+期末考試成績30%。

根據(jù)工程教育認證畢業(yè)要求對課程的評價，本課程用補償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價軟件建立數(shù)學模型對畢業(yè)要求的達成度進行綜合性評價，評價值必須達到0.7以上為合格，本課程應(yīng)用了這種綜合性的評價方法。

六、課程改革成效情況

按照工程教育認證的基本要求補償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價方法，課程對畢業(yè)要求的支撐程度要求達到0.834。2020-2021（2）學期，貴州大學礦業(yè)學院李龍江老師課程選礦自動化學生評教分數(shù)為95.369。近兩年學生成績穩(wěn)步提升，優(yōu)良率達到95%以上。實現(xiàn)了教學相長，教學團隊老師獲得了寶鋼教育優(yōu)秀獎1項，貴州省優(yōu)秀教師獎1項，貴州大學教育教學成果獎1項，省級教改項目2項。學生獲得國家級省級創(chuàng)新實驗項目4項，并積極參加各級各類大學生創(chuàng)新比賽，獲得國家級一等獎5項，二等獎4項，三等獎7項，省級獎一等獎1項，二等獎1項，三等獎2項，優(yōu)秀獎1項，校級特等獎1項，一等獎1項，二等獎3項，三等獎2項，優(yōu)秀獎1項的好成績。

圖4 兩年成績統(tǒng)計圖

結(jié)語

課程建設(shè)與改革得到省級教改項目：在工程教育背景下選礦自動化課程模式改革研究與實踐（編號：2019013），貴州省金課選礦自動化線下課程，以及貴州大學選礦自動化線下一流課程培育項目，貴州大學礦物加工工程國家級一流本科專業(yè)建設(shè)項目、教育部首批“新工科”研究與實踐項目“礦物加工工程專業(yè)工程教育信息化的探索與實踐”的資助。