基于實踐型創新人才培養的《煤礦開采學》教學方法研究

趙國貞,李建忠,邢存恩

(太原理工大學 礦業工程學院,太原 030024)

1 煤礦開采學課程教學中發現的問題

隨著經濟的發展,人才培養面臨著激烈的挑戰,創新型經濟發展離不開創新型人才。因此,高等院校必須順應時代發展,與當前經濟發展相結合,改革教學模式和教學方法,培養具有創新特色的新時期合格人才。

《煤礦開采學》是采礦工程本科專業的核心主干課程,是煤礦開采過程中最根本的綜合性技術科學,其來源于采礦工程實踐并指導著煤礦實際生產,是采礦工程專業學生本科學習過程中必須學習和掌握的專業基礎課程。與此同時,采礦工程專業極強的實踐性與應用性也決定了必須將“培養學生應用能力”貫穿于《煤礦開采學》課程教學的各個環節。課程建設以培養具有厚基礎、高素質、強能力,適用于采礦艱苦行業的創新型復合型技術人才為目標。

采礦專業屬于實踐性很強的專業,結合“現代新型高級采礦工程技術人才”的培養目標和人才市場需求,太原理工大學一直比較重視實踐教學環節的實施。經過多年的實踐,已經構建起以認識實習、課程設計、生產實習、畢業實習、畢業設計“五位一體”的綜合實踐教學體系[1-3]。然而,近幾年教學實踐中發現,現在的學生普遍存在從書本到書本,在專業課程學習中空間感較差,空間想象力不足,動手能力差,這些影響了后續課程的學習,限制著進一步創新思維的發展。特別是《煤礦開采學》(《采礦學》)等專業課程的課堂教學雖已由傳統的黑板教學轉變為多媒體教學,教學模型也配上了聲光電效果,但這些轉變并未從根本上改變學生被動學習的模式,學生很難建立煤礦井巷工程三維形體和二維圖形的聯系,三維井巷工程不能在學生腦海里形成整體形象,不易于學生創新思維的開發。學生動手能力差,空間想象力不足的弱點依然普遍存在[4-5]。

2 基于工程教育專業認證的課程教學體系的建立

中國工程教育專業認證始于2006年,2013年順利加入世界上最具影響力的國際本科工程學位互認協議——《華盛頓協議》,成為該協議組織的預備成員。2016年6月2日,在吉隆坡召開的國際工程聯盟大會上,中國成為國際本科工程學位互認協議《華盛頓協議》的正式會員。加入《華盛頓協議》,意味著通過工程教育專業認證的學生可以在相關的國家或地區按照職業工程師的要求,取得工程師執業資格,這將為工程類學生走向世界提供具有國際互認質量標準的“通行證”。太原理工大學采礦工程專業于2016年通過了中國工程教育專業認證,是專業建設的重要舉措,也是工程教育國際化的重要標志。

同時,國家建設一流學科及工程教育專業認證,對課程教學提出了更高的要求。基于工程教育專業認證的“學習產出”(OBE)模式更新教學理念,實施行之有效的、可測量的、先進的、基于學生學習結果的教育模式。開展煤礦開采學教學內容、教學方法和教學手段的課程改革,圍繞學生的學習產出開展教學活動,逆向設計課程計劃,將認證標準中的畢業要求有機地導入到課程計劃之中,明確每節課對實現學生能力貢獻及程度,最終形成課程與畢業生能力要求的匹配矩陣[6-8]。

鑒于此,太原理工大學礦業工程學院提出“基于實踐型創新人才培養的《煤礦開采學》教學方法研究”的課題,該課題于2013年7月完成,并經5年多的實踐檢驗,取得良好的效果。

3 煤礦開采學教學改革實踐

針對《煤礦開采學》教學過程中發現的問題，同時為了提高學生的動手能力和創新能力，課題組在教學改革前期自主開發煤礦三維可視化教學模型和綜采工作面虛擬生產系統教學模型,制作煤礦開采方法積木化教學模具,并借助互聯網技術手段,開發了采礦學習網站和手機APP論壇,為教師與學生之間提供交流平臺。

主要工作包括：

1)按照《煤礦開采學》課程的內容要求開發采礦三維可視化教學模型和綜采工作面虛擬系統教學模型,制作煤礦開采方法積木化教學模具;

2)修訂《煤礦開采學》課程教學概要內容,補充師生互動的實踐性環節,增加學生模型創作實踐,教師點評內容的教學內容;

3)合理整合教學資源,完善多媒體課件進行教學實踐,開發采礦學習網站和手機APP論壇。

在課堂教學中增加模型教學實踐,增加師生互動,按照“實踐——認識——再實踐——再認識”的認識論規律,創立“課內學習觀摩——課后建模——課外學習制作——習題講評”的模型實踐教學模式,即課堂內教師利用豐富的三維模型進行講解,學生組裝采礦積木教具,教師布置課后建模作業,學生自由組合小組,課后各小組自行設計三維模型,并利用業余時間合作完成。三維模型可以是物理模型,也可以是數字模型,要求三維空間關系表達清楚,且易于實現。

通過課堂模型實踐,教師課堂講解達到學生認知,再通過學生制作模型進行再實踐,利用采礦學習網站和手機APP論壇,增加師生交流和互動,習題課講評使認識水平得到提高,整個過程學生起主導作用,教師起輔助引導作用。

4 煤礦開采學教學改革效果及成果

基于實踐型創新人才培養的《煤礦開采學》教學方法研究采用系統工程的方法進行,綜合運用三維可視化建模、互聯網和虛擬現實等高新技術,以及采礦積木化教具游戲化實驗手段,進一步強化了課堂空間教學方式,豐富教學手段,充分發揮學生的主動性和創造性,提高學生空間想象的能力,培養學生的綜合素質。理論和實踐相結合,提高了學生的認識水平和學習積極性,收到了良好的教學效果[9-10]。

“基于實踐型創新人才培養的《煤礦開采學》教學方法研究”成果主要內容表現在:

1)創立“課內學習——課后建模——課外制作——習題講評”的模型實踐教學模式;

2)開發采礦三維可視化模型。采礦三維可視化模型通過計算機課堂再現三維采礦形體,創建采礦空間;

3)開發綜采工作面虛擬生產系統模型。采礦虛擬模型輔助學生詳細掌握綜采工作面生產過程中的各項工藝配合過程,并能夠在井下巷道中漫游、操作采煤機、操縱液壓支架,真正理解綜采工藝的內涵,為將來的現場工作打下扎實的基礎;

4)制作采礦工程教具模型。積木化教學模具能夠補充課堂和實驗教學手段,使學生深入體會礦山井巷空間關系。學生利用積木化教學模具可以拼接出井田開拓、采區巷道布置、工作面采煤方法等模型,寓教于樂,學生的動手能力得到鍛煉;同時在拼接模型的過程中能充分理解井下巷道的三維立體關系,培養學生的立體思維;學生對課堂講授的內容有更深刻的理解,提高解決實際問題的能力;

5)合理整合多媒體課件、積木化教具、礦井三維教學模型、礦山虛擬系統等多種教學資源;

6)借助互聯網技術手段,開發采礦學習網站和手機APP論壇,為教師與學生之間、學生和學生之間提供交流平臺,教師也能及時掌握學生的學習狀態,了解學生的需求,進一步改進教學方法,提高教學效果,保證教學質量。

5 成果的應用與推廣

“基于實踐型創新人才培養的《煤礦開采學》教學方法研究”成果自2012年7月在太原理工大學礦業工程學院采礦工程專業進行教學實踐以來,到現在已經連續應用于采礦工程專業2009級、2010級、2011級、2012級和2013級五屆學生,并在礦業工程學院的安全科學與工程、地下工程、地球科學與工程、測繪科學與技術、煤礦機電等專業的采礦課程中應用。

采礦三維可視化模型和工作面虛擬生產系統、煤礦開采方法積木化教學模具在教學實踐中均受到了廣大學生和教師的好評,取得了顯著的教學效果。2012-2016年期間,太原理工大學采礦工程專業學生參加全國地礦類高等院校大學生實踐作品大賽,取得6個一等獎,10個二等獎和12個三等獎的優異成績,充分說明了該成果的直接應用效果。幾年來,學生學習積極性得到了很大提高,拓展了思維空間,培養了動手能力,深受用人單位的好評。2012-2016年期間,采礦工程專業畢業生研究生入學率達到歷年最高,最高班升學率達40%。

該項成果目前在我校礦業工程學院的采礦工程、安全工程、地下工程等專業《煤礦開采學》課程教學中得到全面應用,每年直接受益學生達600多人。隨著應用的深入,該教學成果可以拓展到其它礦業類專業,并將向其它兄弟院校采礦工程專業進行推廣應用。目前,我校計劃在其它礦業類專業的《礦業工程概論》課程中進行推廣。預計該項研究成果在近十年里將會得到廣泛應用,單就我校而言,直接受益學生人數就達10 000多人,間接受益的相關專業學生人數更多,具有非常廣泛的應用前景。

6 結論

在教學過程中,以課堂教學為切入點,增加課堂模型實踐環節,創立了“課內學習觀摩——課后建模——課外學習制作——習題講評”的模型實踐教學模式,按照“實踐——認識——再實踐——再認識”的認識論規律,引導學生自己動手組裝礦山模型、自行設計制作三維物理和數字模型。通過教學方法改革,徹底改變課堂教學手段和課后作業的模式,課堂教學氣氛活躍,學生學習變得積極主動,提高了課程的教學水平和質量,解決了《煤礦開采學》課堂教學中多年來存在的問題。同時,使用便攜式積木化采礦模具和可視化的計算機采礦模型,使得采礦工程空間問題易于理解,教學占用學時少,效果好,保證了采礦專業后續課程的學習。

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