新工科理念下階梯式實驗教學探索與實踐

閆莎莎 陳軍濤 秦忠誠 傅穎霞

（[1]礦業工程國家級實驗教學示范中心（山東科技大學） 山東·青島 266590；[2]山東科技大學礦業與安全工程學院 山東·青島 266590）

礦業工程是一門研究煤、金屬及非金屬礦床開采理論與方法的學科，采礦工程專業是該學科下應用技術性強、針對性強的傳統工科專業。在具體教學過程中，為培養學生的工程實踐能力，實驗教學是重要手段。2017年2月和4月教育部分別在復旦大學和天津大學召開了新工科研討會，形成了新工科建設的“復旦共識”和“天大行動”，提出“新工科理念”。“復旦共識”指出，新工科建設應推動傳統工科專業的改革創新；“天大行動”也明確，構建新工科專業新結構的同時要致力于傳統工科專業的建設發展，促進地礦等傳統產業轉型升級。因此，新工科理念下，采礦工程專業課程實驗的開展必須改變原有單一、被動的模式，不僅要在知識體系上進行拓寬，還要針對性地培養學生的工程實踐能力和創新能力，提升采礦工程專業人才的創新性。

“煤礦開采學”是采礦工程專業的核心課程。本文以“煤礦開采學”實驗教學為例，探討如何在“新工科”理念下更好地開展實驗教學模式，著力提高采礦工程專業技術人才的工程實踐能力和技術創新能力。這不僅對提升學生素質和能力有重要作用，而且對進一步推動采礦工程專業實踐創新教育和傳統采礦業轉型升級有深遠意義。

1 “煤礦開采學”實驗教學存在的問題

1.1 實驗教學設備陳舊

我校“煤礦開采學”實驗課程的主要教學設備是2009年制作的仿真模型（如圖1），該教學模型曾在使用初期幫助學生認識巷道形式、學習井田布置方式和煤炭開采方法，構建煤礦井下空間概念等，起到了積極的作用。然而隨著現代科學采礦技術的發展，這些模型的巷道設計、井下硐室布置等已不符合現代煤礦開采的技術規范要求，因此，及時更新實驗教學設備，有利于學生充分接觸和認識采礦行業技術發展導向和需求，滿足學生實驗、認識實習和實踐學習的需求。

1.2 實驗內容更新不及時

“煤礦開采學”課程實驗依托理論課程和實驗設備條件進行設計，內容分為四大部分，分別是井田開拓、準備方式、采煤方法和現代化礦井仿真。在實驗教學內容設計初期，實驗內容能夠與理論課程同步，學生的實驗實踐教學環節也能夠滿足社會發展和采礦行業發展需求。伴隨著煤炭開采技術進步、社會發展和教育部門及學校要求，采礦專業每2～3年開展一次本科教學大綱修訂工作，“煤礦開采學”理論課程內容隨之更新，但實驗教學內容更新卻一直滯留不前，致使實驗教學內容與現有的理論教學內容及當下行業技術現狀的供需矛盾日益凸顯，學生的課程實驗學習演變成走馬觀花的過程，影響了采礦專業學生的培養質量。

圖1 礦井仿真實驗教學模型

1.3 實驗教學過程僵化

我校以往的實驗教學過程基本以“老師講、學生聽”的被動接受性實驗教學模式為主，教師偏重知識內容的傳輸，將書本上的理論或者自己的現場經驗單方面地傳授給學生。該方法在傳統實踐人才培養過程中曾發揮了重要的作用，但隨著高校對學生創新教育的重視和“新工科”理念的提出，要求高校實驗教學應培養學生動手能力、提高學生學習興趣、加強學生學習方法指導（尤其是自主學習方法指導）。僵化的實驗教學模式和教學過程因其忽略了學生參與實驗過程的需求與愿望，降低了學生對專業課程實驗內容的學習熱情和積極性，進而影響了實驗教學質量，無法達到高校本科教育的效果和要求。

2 實驗教學模式改革探索與實踐

針對以上問題，本論文以山東科技大學采礦工程專業2015、2016級學生的“煤礦開采學”課程實驗教學為研究對象，探索改革采礦專業本科實驗教學模式，認為在新工科理念下實驗教學應充分發揮本科實驗教學經驗和科研成果積累以及現代信息技術的優勢，加強實驗過程管理，從實驗教學內容和教學方法和教學過程等方面進行探索，提出以學科競賽為引導的階梯式實驗教學新模式。

2.1 更新實驗教學內容

為使學生在實驗學習過程中獲得最大化收益，“煤礦開采學”課程實驗設計遵循由易到難、由基礎到創新的規律，對實驗教學進行“實驗內容模塊化、實驗難度層次化、實驗方法多元化”的遞進式體系設計，如圖2。

圖2 實驗內容體系構建

更新后的“煤礦開采學”實驗依據本科教學大綱（采礦專業）要求設計了4個實驗模塊，共9個實驗單元。各實驗單元依據難易程度，呈現層次化的特點，分為驗證型實驗、綜合型實驗和設計創新型實驗，增進了學生對井下煤礦建設的空間立體感，加深了對相關理論知識點的理解；另一方面，激發其實踐力和創造力，增強了學生的動手操作能力，培養了學生的創新能力和工程設計能力，提高了學生在創新型人才方面的競爭力。

2.2 結合學科競賽，構建階梯式實驗套餐模式

“新工科”理念下，計創新型實驗應具備設計性、創新性和挑戰性的特點，因此，課題組提出了結合學科競賽，構建階梯式實驗套餐A和B。學生完成驗證型、綜合型實驗學習后，根據個人興趣及能力，可選擇任一套餐開展實驗學習，實驗過程在礦業工程國家級實驗教學示范中心虛擬仿真實驗室中進行。

實驗套餐A課題組老師的工程項目或科研項目為背景，由課題組根據培養目標制定實驗內容。學習小組一般由3～6人組成并推選小組長，按照指導教師提供的資料，模擬真實的項目過程，根據內容確定實驗方法和實驗過程、實施分工、開題答辯、開啟實驗課題，課程實驗階段結束后組織驗收答辯，由實驗指導教師邀請專業課老師擔任評委，對小組實驗課題的難易程度、專業知識應用程度、工程實踐性及解決實際問題等方面進行綜合評判。通過答辯后，小組的學生根據實驗目的、實驗過程和實驗結果完成并提交實驗報告，指導教師根據學生的綜合評價情況和實驗報告完成情況，給出綜合實驗成績。

實驗套餐B，引入學科競賽機制，由課題組依據歷年“全國高等學校采礦工程專業學生實踐作品大賽”等全國性學科競賽制定實驗內容。學習小組一般由5～8人組成，學習過程、學習結果評價等參考學科競賽的組織過程，即學習小組根據實驗要求提出設計理念，小組內部討論、論證，確定方案后進入實驗操作過程，最終實驗學習成果以參加競賽作品的形式展現。學生將作品制作計劃書、作品說明書、作品實物等材料提交給指導教師，指導教師和評委根據實驗作品的創新性、可行性、實踐性給出綜合成績評判。

在開展階梯式實驗教學模式探索的同時，課題組還充分利用采礦專業的虛擬仿真實驗教學，利用虛擬仿真和虛擬現實技術對原有教學資源的顛覆性突破，將實驗教學理論與行業先進技術相融合，為學生呈現高度接近準確的視覺環境和高度接近現實的綜合認識環境。

3 實驗教學改革實施效果

根據2015級和2016級學生的課堂學習效果、實驗參與積極性、實驗報告反饋情況等，改革后的“煤礦開采學”實驗教學模式提高了學生的學習熱情，增強了實驗教學效果，在學生中受到很大歡迎。采礦工程專業2015和2016級學生共約400人，實驗教學模式改革實施后，在2017、2018學年度，學生積極參加全國學科競賽，如“挑戰杯”、全國大學生數學建模競賽、全國高等學校采礦工程專業學生實踐作品大賽、全國數字化創新設計大賽、全國高等學校安全科學與工程類專業大學生實踐與創新作品大賽等各類競賽達150人次，獲獎項目60余項，其中一等獎12項，二等獎38項，學校也多次在大賽中獲得最佳組織單位獎。在開展實驗教學模式改革的同時，鼓勵學生撰寫論文和申請發明專利，2018年共發表論文19篇，申請發明專利及實用新型22項。

4 結束語

本論文以山東科技大學采礦工程專業“煤礦開采學”實驗教學改革為例，通過更新實驗教學內容、融合虛擬現實實驗手段，在驗證型和設計型實驗基礎上提出了階梯式實驗教學新模式。實踐結果表明，改革后的“煤礦開采學”實驗教學模式激發了學生的學習興趣和熱情，提高了實驗課程的教學質量，學生也在參賽獲獎、論文、專利方面取得豐碩成果。

實驗教學是各高校加強工科專業學生實踐教育和創新教育的必要條件。實踐證明，實驗教學模式改革應從培養學生的工程實踐能力和創新能力出發，加強教學過程管理，充分發揮實驗教學的資源優勢與專業優勢，實現“新工科”理念下傳統專業的實驗教學模式轉型。