新工科背景下煤礦智能開采“金課”設計與實踐探索

王紅偉 伍永平 解盤石 劉博

摘? 要：面對傳統采礦工程專業向智能采礦升級轉型的需求，基于OBE工程教育理念，對新工科背景下煤礦智能開采“金課”設計和實踐進行了探索，提出了高階性的課程學習目標，建設了具有前沿性和時代性的模塊化學習內容及網絡平臺資源，構建了體現互動學習過程的混合學習模式，確定了過程性和個性化相融合的學習成果考核與評價的創新方法。形成具有高階性、創新性、挑戰度的“金課”，滿足學生學習的需求。

關鍵詞：智能開采;新工科;金課;成果導向;混合式學習

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）17-0115-04

Abstract： Under the need for developing and reconstruction from traditional mining engineering to intelligent mining， the design and practice of golden course of intelligent mining under the background of new engineering is explored based on the concept of outcome-basededucation （OBE） engineering education. The high-order curriculum learning goal is proposed， the modular learning content and network platform resources with modernity and advance， and the mixed learning model that reflects the interactive learning process were constructed. The innovative method of assessment and evaluation of learning outcome combining process and individuality is determined. The golden course of intelligent mining with high order， innovation， and challenge degree can meet the needs of students' learning.

Keywords： intelligent mining; new engineering; golden course; outcome orientation; blended learnin

一、概述

煤炭是我國一次能源中可實現清潔利用的最經濟、可靠的資源，自2000年以來，智能化開采先后在神東煤炭集團、寧夏煤業集團、中煤集團、陜西煤業化工集團、大同煤業集團、陽泉煤業集團、平頂山煤業集團、晉城煤業集團、峰峰集團等40多個礦區進行試驗和生產，智能開采技術取得了長足進步，以采煤機記憶割煤、液壓支架跟機自動化和可視化遠程監控為基礎，以智能控制軟件為核心，實現地面綜合監控中心對綜采設備的智能監測與集中控制，確保工作面割煤、推溜、移架、運輸、消塵等智能化運行，達到了工作面連續、安全、高效開采，開啟了智能化開采的新時代[1]～[3]。智能化采礦已成為新建礦井和已有礦井技術改造進行煤層開采的發展方向，但我國煤礦智能化發展尚處于初級階段，智能開采專業技術人才培養成為煤礦安全高效智能開采的迫切需求。

課程是人才培養的核心要素，是體現以“學生發展為中心”理念的“最后一公里”。其建設質量直接關乎教育質量和人才培養質量。淘汰“水課”，建設有深度、難度、挑戰度的“金課”，是改革現有工科專業、強化新工科教育的重點所在[4]～[9]。煤礦智能開采作為新工科智能開采專業課程體系中的主干課程，是一門關于煤炭行業發展現狀及趨勢、礦山無人智能采掘技術、礦山壓力及巖體智能監測、生態環境保護與治理技術的綜合性課程，體現了多學科交叉融合，是建設新工科智能開采課程體系的重中之重，亟需進行課程建設探索與改革研究。因此，在將傳統采礦工程專業升級為智能開采的新工科專業改造過程中，如何響應教育部打造“金課”的號召，將煤礦智能開采課程建設成具有“高階性、創新性、挑戰度”特點的“金課”，是滿足新工科建設背景下對采礦工程教育新需求的一項重要課程建設與改革，對推進智能開采技術人才培養模式改革具有重要意義。

二、煤礦智能開采“金課”建設思路

智能開采是以傳統采礦為基礎，融合機械、電氣、計算機、智能控制、信息等學科，自動化、智能化、無人化為發展目標的開采方法。基于OBE工程教育模式，應用“反向設計、正向實施”思維，根據行業需求，反向確定智能開采專業培養方案，制定面向需求的專業培養目標、畢業要求和課程體系，根據煤礦智能開采課程與專業畢業要求指標點對應關系、“兩性一度”的“金課”特點，確定課程學習目標，建設課程學習內容與資源，創新課程學習模式與方法，落實考核評價方法，并根據課程學習成果，持續改進課程建設和專業培養方案，使之滿足對畢業要求的支撐和市場需求。具體建設思路如圖1所示。

三、煤礦智能開采“金課”設計與實踐

（一）課程學習目標確定

新課程改革以來，明確提出教學目標的主語是“學生”，教學目標應該由體現“以教師為中心”向體現“以學生學為中心”轉變，即教師維度的“教學目標”轉化為學生維度的“學習目標”[10]。新工科背景下“金課”學習目標的確定應該體現OBE理念，具備高階性，強化學生思維、能力的發展。

采用“反向設計”思維，通過采礦工程專業畢業生調研、用人單位調研，西安科技大學采礦工程專業畢業生70%以上服務于西部、60%以上服務于西部礦井，而我國西部煤炭資源豐富，智能開采需求廣泛而迫切。以新時代煤礦智能開采大趨勢為背景，以培養特色和區域性人才需求為基礎，制定采礦工程智能開采培養方案，確定了培養目標、畢業要求、課程體系。畢業要求“新工科”、“國際化”環境下學生必須具備智能開采專業知識和分析、解決實際工程問題的實踐能力，具有艱苦奮斗和開拓創新精神，能夠適應采礦工程行業、企業和社會發展的需求。煤礦智能開采是一門關于煤炭智能開采現狀及發展、智能采掘技術、智能監測、環境保護與治理技術的綜合性課程，主要支撐學生智能開采能力、團隊協作與創新能力、有效溝通與交流能力的培養。因此，圍繞智能開采培養規格要求及煤礦智能開采課程對其支撐作用，確定學習目標為：了解現代采礦技術的智能化發展方向，掌握煤礦智能采礦關鍵環節和技術、主要裝備智能化控制技術原理和方法，分析復雜智能開采工程問題，評價主要生產系統和工藝流程的綠色、安全、高效、智能等特性，創新性的運用專業知識設計解決方案（圖2）。

（二）課程學習內容與資源建設

新工科背景下煤礦智能開采“金課”學習內容及資源建設是為了支持學生的學，為學生的學習搭建支架。學習內容應實現“空洞化”向“前沿性與時代性”轉變，體現最新科學研究、前沿應用，拓展國際化視野，培養審辯性思維。煤礦智能開采是要實現煤礦主體系統實現全過程智能化，根據目前煤礦智能化發展的重要環節和對課程學習目標的支撐關系，優化學習內容結構，進行模塊化建設。

學習模塊一：煤炭行業發展現狀及趨勢。包括：當前煤炭行業經濟運行形勢、世界能源現狀、我國能源現狀及煤炭在我國能源保障中的地位;煤炭革命的本質意義、目標、戰略藍圖及國際化;智能化無人化發展目標。

學習模塊二：礦山智能采掘技術。包括：煤礦智能化開采發展階段，智能化開采1.0“智能控制+遠程干預”、智能化開采2.0“工作面自動找直”、智能化開采3.0“透明工作面智能割煤”、智能化開采3.0“全智能自適性開采”等四階段的關鍵技術，智能化開采重點方向。

學習模塊三：礦山壓力及巖體智能監測。包括：巖體聲發射智能監測設備及技術、工作面礦壓顯現智能監測、巷道動態穩定性監測、區段煤柱穩定性監測、沖擊礦壓監測等等。

學習模塊四：智能礦山環境保護及治理技術。包括：深部多相資源聯合采選和超低生態損害開采技術（深部礦井煤與瓦斯共采技術、深部礦井地熱資源利用技術、深部礦井“煤-水”雙資源聯合開采技術、深部礦井“煤-水-氣-熱”多資源聯合開發技術、采選充一體化技術與裝備），地表生態環境恢復治理技術（采礦對地表生態環境影響診斷技術、減輕地表生態環境損傷的開采設計與技術、酸性廢石堆治理技術、生態系統重構與土地復墾技術）。

根據以上四模塊學習內容，利用現代信息技術建設具有指導性、基礎性、生成性和拓展性的網絡學習平臺資源（圖3）。完善課程簡介、教師信息、課程大綱、教學日歷、考核辦法等指導性資源，豐富課程教案、知識點導圖、PPT課件、學習視頻等基礎性資源，設計課程作業、在線測試、試題庫、答疑討論、常見問題等生成性資源，建設典型案例、研討項目、資源鏈接等拓展性資源。

（三）課程學習模式創新

“互聯網+”時代的教育確立的是一種“為學習服務”的全新教育觀。其本質是為學生創建一種高度參與的個性化學習體驗，學生不僅需要共性的標準化知識學習，更追求個性化知識與創造性知識的自我構建與生成。“互聯網+教育”時代的混合式學習模式將傳統的面授課堂教學與現在網絡信息化教學方式結合起來，融合閉環型案例教學、專題研討教學、翻轉課堂等不同教學方法，建立“學生主動學、教師引導教、實踐體驗學”的學習體系，引導學生學會學習、學會能夠對煤礦智能開采提出自己的觀點和看法的能力，以大量的案例、動畫、微課視頻等形式客觀的展現智能開采技術，促進學生知識、能力、思維綜合發展[11]～[13]。混合式學習模式主要由三部分組成（圖3）。

1. 學生課前的線上主動學習

教師做好課件、微課視頻、研討選題設計等在線網絡教學平臺資源準備工作，引導學生完成基于主題或項目的探究式學習任務。線上微課視頻以實際問題及其解決過程為主線，帶動知識點的融會貫通，學以致用，做到理論與實踐的有機結合。

2. 學生課堂的線上線下學習

通過對課前的線上學習情況分析，確定重點學習內容和知識點，融合多種教學方法和資源開展課堂教學。采用閉環型案例教學方法，以經典問題為導向的引例吸引學生進入學習內容，以知識點為導向的實例讓學生掌握知識要點，以綜合性問題為導向的案例培養學生綜合分析能力，以煤礦智能開采前沿問題為導向的創例培養學生研究應用、分析預測和提出系統解決方案的能力。采用虛擬仿真教學方法，通過三維模型、運動仿真視頻，讓學生在虛擬的情景下進行煤礦智能開采技術的探究和學習，使學生可以不受場地與設備的限制，掌握更多的技能。采用翻轉課堂教學方法，讓學生在課堂上分享課前學習成果、討論交流，教師引導學生思考和討論，并進行答疑解惑和補充說明。

3. 學生課外的作品實踐學習

采用“化整為零、由零到整”的實踐項目設計，將復雜的現實問題分解成詳細的知識點，通過項目實踐使學生深入理解知識內涵，系統掌握各種技能之間的現實聯系，從而提升課程教學的系統性、高階性，有助于培養學生的創新能力和解決現實問題的能力。

（四）學習考核評價體系建立

學習考核應該支撐課程學習目標，考核權重應與學習目標相匹配，評分標準應細化易行、具有導向性。根據煤礦智能開采課程學習目標，優化課程考核模式，形成過程性考核和總結性考核相結合的模式，提升評分機制的科學性，突出學生能力本位特點，增加過程考核比重，量化過程考核評分細則。突出過程考核，以模塊學習過程為考評基礎，以全學期的模塊學習進度為考核的時間線，以項目任務驅動，在每個模塊學習完成之后，要求學生運用該模塊所學完成項目設計內容，并對其作業進行考核，形成階段性過程考核成績。優化考試內容，考試中每項內容需要與細化知識點或能力點相對應，強調對知識運用和分析問題能力的考察，考試內容和評分標準能夠對學習目標進行衡量，形成總結性考核（圖4）。

建立課程教學評價體系（圖5），制定課程質量標準，各主要教學環節有明確的質量要求，建立教學過程監督檢查機制、課程考核方式和內容審查機制、畢業要求達成情況評價機制，定期開展畢業要求達成情況評價，完成試卷分析表、課程總結表。

四、結束語

在新工科背景下，面對人工智能快速發展的趨勢，要將煤礦智能開采課程打造成具有一定高階性、創新性、挑戰度的 “金課”是一項任重道遠的工作。要求在緊跟煤礦智能開采領域前沿技術，不斷從科研中提煉典型案例，持續更新和豐富學習內容，創新學習形式，提升內涵建設。

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