基于OBE理念的采礦工程專業實驗教學體系構建

張源 萬志軍 嚴紅 馬文頂 張磊

摘? 要：在工程教育專業認證背景下，以中國礦業大學采礦工程專業為例，將OBE工程教育理念引入到采礦工程專業實驗教學中;以學生為中心，以培養具有解決復雜采礦工程問題能力的人才為導向，明確了專業實驗教學的功能和目標定位，分析了目前專業實驗教學中存在的問題，探討了基于解決復雜工程問題為導向的實驗教學方法，重構了采礦工程專業實驗教學體系，為采礦工程專業實驗教學改革提供了新的方法和途徑。

關鍵詞：采礦工程;實驗教學;教學體系;專業認證;OBE

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）10-0082-06

Abstract： In the context of engineering education certification， taking the mining engineering major of China University of Mining and Technology as an example， the concept of OBE engineering education is introduced into the experimental teaching of mining engineering specialty. Student-centered and guided by training talents with the ability to solve complex mining engineering problems， the function and goal orientation of professional experimental teaching are defined， and the problems existing in professional experimental teaching are analyzed. In this paper， the experimental teaching method based on solving complex engineering problems is discussed， and the experimental teaching system of mining engineering specialty is reconstructed， which provides a new method and way for the experimental teaching reform of mining engineering specialty.

Keywords： mining engineering; experimental teaching; teaching system; professional certification; OBE

OBE（Outcomes-Based Education）是一種基于學習產出為導向的教育模式，也稱能力導向教育或目標導向教育[1-2]。在OBE教育模式中，一改以往的以教師、教室、教材為中心的教學體系，而是以學生為中心，以學生學習產出為導向，同傳統的內容驅動和灌輸式的教育模式形成了鮮明的對比。目前，《華盛頓協議》各成員國大多數采用了基于產出導向理念的工程教育專業認證標準。

高等教育的任務是培養具有創新精神和實踐能力的高級專門人才，而實驗教學是高等教育過程中培養學生創新和實踐能力的重要環節[3]。對照工程教育專業認證標準，實驗教學對培養目標達成的支撐作用非常明顯。積極推動實驗教學改革對提高工程教育質量意義重大。目前，國內一些高校在實驗教學中探索了OBE的教育模式，取得了一些實踐經驗，對工程專業人才培養起到了積極作用[4-6]。中國礦業大學的采礦工程專業于2008年通過工程教育專業認證，其一級學科礦業工程入選“雙一流”建設學科，擁有國家級實驗教學示范中心和國家級虛擬仿真實驗教學中心，其實驗教學條件和水平處于國內行業高校前列[7]。仔細梳理目前采礦工程專業實驗教學體系，發現“以學生為中心”理念體現還不夠徹底，人才培養產出導向作用還不夠明顯，實驗教學改革步伐仍需加快。

基于OBE教育理念，本文論述采礦工程專業實驗教學的功能和目標定位，梳理目前實驗教學中存在的問題;以學生學習產出為導向，制定實驗教學目標、教學內容、課程體系、教學方法和考核方式，重構采礦工程專業實驗教學體系，以期推動實驗教學理念轉變，提高專業實驗教學質量。

一、實驗教學功能及目標定位

采礦工程專業的培養目標是培養厚基礎、強能力、高素質，具備一定國際競爭力的采礦高級專門人才[8]。實驗教學在強化專業基礎知識，培養創新能力和科研素質方面，對采礦工程專業人才培養目標能夠起到有力的支撐作用。經過多年的實踐和總結，采礦工程專業實驗教學形成了明確而合理的定位，即依托礦業工程學科優勢，以礦業工程國家級實驗教學示范中心為平臺，以實踐與創新能力培養為目標，以學生為主體、教師為主導，使實驗教學成為大學生掌握理論與學科前沿知識、從事創新活動的主要人才培養環節[9]。該定位準確而科學，符合采礦工程專業實驗教學規律和工程教育專業認證標準，對推動高質量采礦工程專業人才培養發揮了重要作用。

對照工程教育專業認證標準，采礦工程專業本科生畢業時應達到12個方面的要求（即畢業要求或學習產出），分別是工程知識、問題分析、設計/開發解決方案、研究、使用現代工具、工程與社會、環境和可持續發展、職業規范、溝通、項目管理和終身學習[10]。實驗教學的功能、目標定位與畢業要求之間的對應關系如圖1所示。從中可以看出，畢業要求大體包括三個方面，分別是工程能力、社會責任和職業發展潛力。

工程能力主要體現在解決復雜工程問題時所表現出來的對工程知識的綜合運用和創新性思維，具體對應工程知識、問題分析能力、設計開發能力、研究能力和使用現代工具的能力共5個方面，主要反映實驗教學的工程技能教育功能;社會責任主要體現在工程及工程人才的社會屬性，具體對應社會責任感、環保和可持續發展意識和職業道德規范3個方面，主要體現實驗教學的社會教育功能;職業發展潛力是一個綜合性的目標，主要對應工程人才的團隊協作能力、溝通交流能力、項目管理能力和終身學習的能力等方面，主要體現實驗教學的職業教育功能。

二、傳統實驗教學存在的問題

要指出目前采礦工程專業實驗教學中存在的問題，必須先回答兩個問題，首先是培養什么樣的人，另一個是現在的教學體系能否為所需人才的培養提供足夠的支撐。根據工程教育專業認證標準，第一個問題對應的是培養目標和畢業要求，第二個問題對應的是教學體系。實驗教學體系主要包括課程質量標準、實驗課程、實驗條件、實驗室制度、實驗教師隊伍等方面。

（一）課程質量標準中產出導向需要加強

課程質量標準是課程規范化、科學化管理的指導性文件，是教師引導學生學習、學生自主學習、學生學習效果評價和教務部門進行監督、檢查和評估教學質量的依據，對保障教學質量具有重要意義[11]。相較于傳統的課程教學大綱，課程質量標準的主體發生了變化。教學大綱更強調教師教什么、怎么教和怎么考核學生，而課程質量標準更加關注學生需要學什么、如何學，以及課程學習后會獲得怎樣的能力，側重學習產出。課程質量標準不僅是對傳統教學大綱的具體化，更是對教學大綱內涵的升華，更加適用于全面提高學生素質、培養創新型人才的今天[12]。采礦工程現有的實驗課程質量標準中過多地強調了教學過程和學生對工程知識和實驗方法的掌握，實驗教學的主體仍然是教師，實驗內容、形式大部分是固定的，學生的學習被動居多，更像是規范教師教學的“緊箍咒”，而非學生學習的“指明燈”。

（二）實驗課程需要緊跟人才培養需求

過去認為，采礦是一門經驗的學問，科學的成分較少，所以采礦工程專業教學的主要任務是向學生傳授技術經驗，科學探索和創新的內容較少，實驗教學更是沒有受到很好的重視，實驗課時比重低，實驗項目少，實驗教學形式單一。課程實驗項目之間的聯系很少進行梳理，存在實驗教學內容重復或者缺失的問題。近些年，采礦活動中遇到的問題越來越多，完全靠經驗已經無法滿足采礦工業可持續發展的需要，大家逐漸意識到科學技術對采礦工業的重要意義，科學采礦和采礦科學的理念逐漸為大家接受，采礦學科也有了很大的發展。新的形勢下，已有的實驗課程，包括教材、內容和教學形式等，已經無法滿足高質量采礦人才培養的需要，急需要推進改革。

（三）實驗教學條件有待進一步提高

實驗室是實驗教學的主要場所，其條件優劣直接關系到實驗教學質量。實驗室條件包括的內容比較多，主要有實驗室空間、實驗儀器設備、實驗材料、安全保障、規章制度、實驗室開放程度等。一般來講，教學實驗室長期作為教輔單位，養成了規范化管理的思想慣性，教學過程中執行規定性動作，這在傳統的實驗教學模式下適用性較強。但是，從另外一個角度來看，這種傳統的實驗室運行模式沒有把實驗室作為人才培養的主戰場，主動承擔人才培養的意識不夠強。實驗教學過程中，規定實驗時間、地點、實驗儀器、材料、內容、步驟、報告格式等是普遍現象，實驗過程明顯教條化。在基于OBE理念的教育模式下，實驗教學的主體不再是專任教師、實驗教師或者實驗技術人員，而是學生。實驗室的管理不能再按照教師的要求運行，而是要根據學生的需求而改變，這必然產生多元化的實驗室使用需求，比如在實驗教學時間安排上可能相對分散，實驗儀器的功能上可能更需多樣化，實驗耗材可能不再是通用的，安全保障需要考慮更多，規章制度需要更完善，實驗室開放程度要求更高。

三、OBE理念下實驗教學體系重構

在OBE教育理念下，實驗教學體系的構建應采取“反溯式”方法，即先明確目標，分解指標，尋找和構建支撐條件。在實驗教學體系構建過程中，需要體現以學生為中心，以學生學習產出為導向，明確教師的引導作用，從實驗教學目標、實驗課程體系、實驗教學方法、考核和評價反饋機制等方面開展設計[13]。

（一）專業實驗教學目標

采礦工程專業實驗教學的目標是培養學生通過實驗方法解決復雜采礦工程問題的實踐和創新能力，具體可以分解為以下指標：1. 專業領域科學實驗方法;2. 實驗現象與數據分析;3. 理論聯系實際認識自然現象和工程原理;4. 現代實驗儀器儀表和現場作業工具;5. 科學研究思維;6. 實驗成果撰寫;7. 學術道德;8. 社會責任;9. 團隊分工與協作;10. 專業溝通交流;11. 實驗過程組織管理;12. 終身學習意識。這些目標需要實驗課程來支撐。

（二）實驗課程體系

課程是支撐人才培養目標的關鍵。采礦工程的專業知識大致可以分為資源開發與規劃、采礦方法、巖層控制、災害防治、環境保護、法律法規、科研方法等幾個方面。2016版采礦工程專業本科培養方案中設置了40門專業理論課。通過對專業理論課的知識點進行梳理，大致可以設置14門相應的實驗課程，如表1所示。表中所列的大部分為理論課程的配套實驗課程。對于實驗項目間關聯性強，能夠獨立成體系，或者需要多門課程支撐的實驗項目，整合到4門獨立設置的實驗課程中。

按照實驗教學形式，14門實驗課程大致可以整合為實驗室參觀、模型教學、科學實驗、上機實驗、虛擬仿真與編程共5大類。這種劃分方式遵循了“認知-探索-創新”三個遞進的實驗教學內容層次，其中，實驗室參觀和模型教學屬于認知層次，科學實驗屬于探索層次，而上機和虛擬仿真與編程則屬于創新實驗教學層次。同時，在新的課程體系中，“虛實結合、能實不虛”的實驗教學理念也有所體現。

在構建的實驗課程體系中，實驗教學達到288學時，其中，上機實驗中的4門課程中融入了理論教學內容，同樣也在實驗室完成。相較于以前的實驗課程體系，新體系中增加了智能開采模型與編程、大數據與物聯網、虛擬仿真等方面的實驗課程。新構建的課程體系完全覆蓋了實驗教學的12個目標，支撐作用明顯，尤其是科學實驗部分，涵蓋了所有的實驗教學目標。

總體來看，對照現有實驗教學體系中存在的問題，除實驗室條件外，其余問題的解決在新課程體系中都有響應，充分體現了實驗課程體系對實驗教學目標達成的重要支撐作用。

（三）復雜工程問題導向式實驗教學方法

解決復雜工程問題是工科專業學生學習的主要任務之一，需要貫徹于人才培養的各個環節。問題導向式教學模式是把“問題”作為驅動力，把學生作為教學過程主體，開展問題分析與解決的創新性教學方法[14]。在實驗教學過程中，采取以解決復雜工程問題為導向的方法來組織教學，教學目標就更為明確;實驗方法與工程實際相結合更能體現課程的必要性和重要意義;工程問題的復雜性會讓學生調動更多的知識儲備來完成實驗;解決問題的過程會讓學生更多地展現自身的價值，體會到科學探索的成就感。這種教學方法雖然會給教師的教學設計、教學組織、成績評定帶來挑戰，但是只有以學生為中心，以培養具有解決復雜工程問題能力的高水平人才為導向，創新實驗教學方式方法，才能夠切實提高實驗教學質量。下面以采礦工程專業中的 “巖石力學性質測試”實驗項目為例，介紹復雜工程問題導向式的教學設計。

1. 教學目標

巖石力學性質測試是采礦工程專業實驗教學的重要內容，測試項目主要有巖石的抗壓強度、彈性模量、泊松比、抗拉強度、粘聚力和內摩擦角。在實驗教學中，如果僅僅把學生掌握巖石力學的實驗方法作為教學目標，這門課的人才培養功能就會很單一。對于畢業后從事科學研究的學生，掌握必要的巖石力學實驗方法的確很重要，但是對于畢業后進入工程現場或其他行業的同學來說，實驗過程的附加功能更不能忽視。因此，以學生為中心的實驗教學方法，必然要體現大部分同學所需。

2. 預設問題

圖2是煤礦采場老頂的受力模型，老頂厚度為a，上覆載荷q，請根據力學實驗結果，按照兩端簡支梁老頂受力模型，計算老頂的初次來壓步距L。

采場老頂初次來壓對煤礦工程現場非常重要，需要提前預測，以防安全事故，所以，老頂初次來壓步距計算是非常重要的工作，計算過程也比較復雜。針對這一復雜工程問題，學生需要充分利用所學的礦壓理論和力學知識來尋找問題的突破口。突破口就是巖層的物理力學性質，主要有巖石的容重、彈性模量和抗拉強度。這些參數需要通過巖石的物理力學實驗來獲取。

3. 教學組織

實驗課之前，題目提前布置;學生通過查閱資料和討論，分析問題的解決方法，并制定實驗方案。實驗課上，教師講解試驗機使用方法和巖石力學參數測試方法，之后學生自主分組開展實驗。實驗課后，學生采用計算機對實驗數據進行分析，使用實驗數據計算老頂初次來壓步距，并撰寫實驗報告。這一實驗教學設計對目標達成的支撐作用如表2所示。從中可以看出，基于復雜工程問題導向式的“巖石力學性質測試”實驗教學設計對教學目標的達成有很強的支撐作用。

（四）考核方式及評價反饋

以學生為中心，并不意味著要給學生高分;以學生學習產出為導向，并不意味著只關注課程學習成績。課程考查的是學生學習效果，核定的是學生獲得的能力水平。學生的學習效果不等同于實驗結果，是更為廣泛的能力產出。能力的培養體現在實驗教學過程的各個環節，如實驗技能水平、工程知識掌握程度、創新能力、紀律性、團隊合作意識、撰寫規范性等方面。考核需要對照培養目標，歸根結底是評價培養目標的達成度。對于每一門課，需要根據課程設置的功能和人才培養的目標來制定不同的考核方式，不能一概而論。

實驗教學的評價反饋機制需要與傳統的學生評教區別開來，不是單方面的學生評價教師。基于OBE教育模式所建立的評價反饋機制，其主要目的是評價教學的產出，即學生能力的提高，落地到課程質量標準中規定目標的達成度、實驗教學內容與人才培養要求的契合度、實驗教學條件的保障程度等方面的評價。因此，建議建立自評和他評多向的評價機制。自評要求教師根據學生學習過程表現和物化成果，來評價實驗教學的目標達成度，以及學生本人評價自身能力的提高程度;他評是指教師評價學生學習效果，以及學生評價教師教學質量。這是一個三方的多向評價機制，評價的結果應該通過相應的渠道進行反饋，以利于持續改進。自評與他評相互對照，有利于發現實驗教學短板，提高實驗教學質量。

四、實驗教學保障

（一）教師隊伍

在信息社會中，盡管學生獲取知識的途徑異常豐富，但是教師仍然是教學活動的組織者，是課程質量標準的貫徹者，在實驗教學中仍然要發揮重要作用。在實驗教學過程中，教師要明確自身定位，發揮引導作用，以學生為中心開展實驗教學設計和組織教學活動。以學生為中心，并不意味著實驗教師作用的弱化。在以OBE理念制定的實驗教學體系中，每一個組成部分的作用都是強化，而不能僅僅理解為教師、教學、教材作用的弱化。教師在知識結構上需要更廣泛、內容上需要更深入，對教學規律需要更好把握，教學設計需要更全面，對教學組織有更高要求。另外，實驗室的建設、安全保障、儀器操作等方面，實驗技術人員更具優勢。因此，專任教師與實驗技術人員共同協作，對于高效組織實驗教學大有裨益。

（二）實驗條件

這里所指的實驗條件主要是指實驗室環境、儀器設備配套情況、實驗室制度建設等方面。在傳統的實驗教學中，實驗所需要的儀器設備、材料、步驟都是確定的;實驗之前，已經準備好了所有實驗所需，學生只是重復、驗證，這對實驗條件要求較低，實驗教學活動固然容易組織。但是，學生在實驗設計和實驗過程中，思路是發散的，驗證理論的同時也會有新的想法、新的探索需求。這就需要實驗室充分考慮學生所需，改善實驗室條件。首先，建立學生、教師與實驗室之間的溝通途徑，實驗室要建立對外聯絡窗口;其次，形成實驗教學的預約機制，并納入學校的教學管理制度;三是完善專任教師和實驗技術人員的管理和考核制度，充分調動他們的工作積極性;四是保障實驗儀器設備數量充足，功能相對完善，所需材料充足;五是構建實驗室全時開放機制，保障實驗室的高效運轉。

（三）教材建設

傳統實驗教材信息量相對較少，實驗內容固化，很難滿足目前的實驗教學要求。這就需要在教材編寫過程中注重啟發，給出規范，推薦多樣化的參考資料，比如在線課程、慕課等網絡資源。如果允許學生自主設計實驗，教材就必須具有一定的開放性，不能夠固定實驗內容和實驗步驟。核心內容要在教材中有所體現，也要給學生一定的發揮空間。同時，傳統教材作為紙質媒介，能夠展現的信息量有限，需要發揮網絡視頻、虛擬仿真等新媒體手段。針對采礦工程專業實驗教學，建議增編《采礦工程虛擬仿真實驗》（數字教材）、《采礦工程專業綜合實驗》、《采礦工程數值仿真》等教材。

五、結束語

當今社會，各行各業日新月異，礦業發展進入新時代，社會對高質量采礦人才需求的呼聲也越來越高。中國礦業大學是采礦工程師的搖籃，寄托著國家和社會對礦業人才培養的希望。采礦工程專業將迎來第三次工程教育專業認證，以此為契機，把OBE教學模式引入到采礦工程專業實驗教學中，以學生為中心、以學生學習產出為導向，重構了實驗教學體系，以期為培養具備解決復雜工程問題的創新型采礦人才提供支撐。

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