《礦井設計》課程的教學改革研究
——以湖南科技大學為例

張自政，余偉健，李青鋒，于憲陽，吳海

(湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭)

一 引言

《礦井設計》是采礦工程本科教學中一門重要的專業基礎課，主要介紹礦區及礦井設計的基本原理和設計方法等內容；是后續的特殊開采、南方煤礦開采技術等專業選修課程的基礎，在采礦工程專業培養計劃中占有重要地位。本課程主要培養學生的礦井設計知識的應用能力、探索性學習能力，加深學生對礦井設計內容的理解和掌握，初步具有設計方案達到技術先進、經濟合理、安全可靠的創新與設計能力[1]。然而，隨著技術經濟的發展和環保理念的提升，本課程多年固定的教學內容和教學方法已經嚴重滯后于社會發展和行業對采礦工程專業畢業生能力的要求。根據講授本課程的教學經驗和在煤炭開采方面的科研經歷，分析《礦井設計》課程教學中存在的問題，本著教學內容“全而不散”和教學目標“學以致用”的原則提出相應的課程教學改革舉措，并在《礦井設計》教學實踐中得到初步應用，取得良好效果。

二 課程教學中存在的問題

（一） 教學內容滯后行業技術和社會經濟發展

采礦工程專業目前使用的教材為汪理全和鄭西貴教授等編寫的《煤礦礦井設計》（2008年的第1版和2013年的第2版），主要參考書為孫寶錚等編寫的《礦井開采設計》（1986）、徐永圻主編的《煤礦開采學》（1993）、煤礦礦井采礦設計手冊編寫組編寫的《煤礦礦井采礦設計手冊》（1982）。后幾者均為20年前的舊有教材或者設計手冊，知識內容陳舊，滯后于行業技術現狀，沒有包含智能化礦山、礦山環境保護和高產高效礦井運輸系統相關內容。《煤礦礦井設計》（2013版）包含了礦區中體規劃設計、礦井設計、礦井開拓方案設計案例、準備方式設計及準備方式方案選擇示例、井底車場設計、采區車場設計、采區硐室設計、采煤方法設計、采動治理設計、無煤柱開采設計、煤與瓦斯共采設計、巷道高效掘金與支護設計、掘進工作面/采煤工作面作業規程編制共15章內容。可以看出，雖然該版教材重點突出了礦井設計當中各組成部分這一核心問題，但對礦井開拓、準備和采煤等基礎知識內容過于詳細，與已有專業課程“煤礦開采學”有較多重疊，而反映礦山智能化工程問題、高產高效礦井運輸系統和學科前沿的知識相對缺乏，很難讓學生全面了解當前智能化建設和高產高效礦井的特點和問題[2-3]。

（二） 教學方法落后

目前，該課程的教學模式主要以“課堂面授”理論教學模式為主，即教學內容以教材為中心，通過幻燈片向學生教授，課堂互動限于傳統模式；教學過程以“教”為中心，學生“學”占比較低。湖南科技大學采礦工程專業分別在2013年，2016年和2020年通過了工程教育認證,培養要求即明確了學生接受采礦工程師的基本訓練，掌握礦山規劃與開采設計、資源開采與管理等多方面的基本能力[4]。這一教學方法忽略了工程教育認證提出的OBE教學理念，即成果導向教育。具體來說，目前的教學方法仍然是首先設計課程體系和教學策略，最后確定教學目標，該方法與OBE工程教育理念恰恰是相反的。

（三） 教學課時分配不合理

課程結構涉及煤礦開采學、井巷工程和礦山壓力與巖層控制，內容豐富廣泛。一方面，學生所用教材共十五章，以32學時完成理論上不能完成的教學內容，只能壓縮章節或刪減部分次重要內容，使知識結構不完整，影響學生對知識的掌握和應用。另一方面，現有教材內容與煤礦開采學、井巷工程和礦山壓力與巖層控制均有重疊部分，目前各課程之間重疊內容教學深度廣度也不盡相同。整體來說教學課時分配不合理，前序課程和后續課程重疊內容缺少動態協調[5]。

隨著煤礦智能化建設的發展、高產高效采掘運裝備的提升和社會生態環境保護的加強，礦山工程領域將呈現出新技術、新裝備和新理念的交叉融匯，如何在有限的課程學時內，既覆蓋礦井設計的基礎知識，又把這些新技術、新裝備和新理念背后的礦井設計基礎知識加入教材、融入課堂，并且在教學過程中切實培養學生初步具有設計方案達到技術先進、經濟合理、安全可靠的創新與設計能力，這是擺在本課程教學面前迫切需要解決的重要問題。因此，“礦山井設計”課程教學改革勢在必行。

三 課程教學改革措施

由于《礦井設計》課程對采礦工程本科生培養立足于掌握煤礦設計過程中礦區及礦井設計的基本原理和設計方法，培養學生的礦井設計知識的應用能力、探索性學習能力，加深學生對礦井設計內容的理解和掌握，初步具有設計方案達到技術先進、經濟合理、安全可靠的創新與設計能力。因此，針對該課程存在的上述問題，從教學內容、教學方法和教學模式三個方面提出教學改革舉措，具體為教學內容專題化，突出礦井設計基礎知識，彰顯智能化、高產高效和安全環保礦井特色，同時優化編排內容，達到主次分明；豐富教學手段，多采用知識視覺化，加快學生的感知速度，以減少因學時少對教學效果帶來的影響；采用“研究探討性”教學方法，調動和發散學生思維，使學生形成“問題與矛盾意識”，達到學以致用。

（一） 專題化教學內容和優化編排結構

首先將《礦井設計》課程內容分為基礎專題和特色專題兩大部分。基礎專題包括礦區總體設計、礦井設計（包括安全專篇）、礦井開拓/準備和采區設計等三篇基礎內容，重在強化學生對礦井設計的基本知識掌握。特色專題突出智能化、高產高效和安全環保礦井特色，選取智能化采煤工作面和智能化掘進工作面建設及其作業規程編制、井底車場和采區車場連續高效輔助運輸系統選型及建設、無煤柱開采/充填開采/煤與瓦斯共采等綠色開采技術設計及應用等三大特色專題，重點面向行業技術發展和社會環保需求，培養學生掌握新時代背景下煤礦設計的新理念、新技術和新方法，各模塊的章節和具體內容（見表1）。

重新編排后的基礎專題中，打破了目前教材的編寫結構順序，從新時代發展背景下礦區總體規劃和當下要求的智能化高產高效綠色礦井建設設計出發，對新建礦井設計的各組成部分出發，對新建礦井設計每一部分基礎概念都進行講授，更利于學生結合前述《煤礦開采學》課程掌握主要基礎知識。更重要的是對每一部分內容結合采礦工程學生畢業設計要求進行擴展，不僅加深了學生對礦井設計各部分內容的掌握，還為后續最后一學期開展畢業設計打下良好基礎。

在特色專題的編寫中，根據現在行業技術發展態勢和學科專業趨勢，專門增加了礦山智能化相關內容、高產高效礦井專題、安全環保礦井專題和綜合應用專題。在各特色專題內容中結合前述的基礎專題知識和工程實例，把特色類的礦山設計問題建立統一的設計思路，在這種“特色”與“實例”中強化了基礎，增加了知識的系統性和應用。

（二） 重點知識“動”起來，線上線下教學齊開展，豐富教學方法

目前的《礦井設計》講授主要還是采用傳統的PPT作為教學工具，輔以課堂板書。可以確認的是，課程知識的PPT演示或者板書在帶領學生同步思考，引導學生思路上具有一定的優勢，但也容易造成許多教學內容由于學時不足而不得不放棄，這不符合采礦工程專業對礦井設計知識的需求。再者，傳統的PPT教學過程中僅僅是將眾多文字內容放在演示文稿里面，缺少針對礦井設計流程或專題設計當中的專門動畫演示或者現場視頻演示，教學手段相對單薄。為降低學時對教學效果的限制，重點知識“動”起來，本課程主要從兩個方面豐富教學方法：

（1）重點設計流程知識演示動畫或者現場短視頻。礦井設計當中每一部分的設計基礎知識相對比較理論化，其設計流程和設計原則是嚴謹的，對于初次涉及礦井系統設計的學生，應淡化基礎知識，重在激發學生學習興趣，加深對礦井設計全系統流程的理解。因此，在優化改革后的PPT教學當中重點增加動畫演示和現場視頻展示，提高信息化教學水平，進而提高學生課堂學習的專注度，加深本專業系統設計流程的邏輯思維。如無煤柱開采設計這一節安全環保礦井專題內容，筆者上課時準備了3dmax制作的動畫向學生展示無煤柱沿空留巷工藝全過程（見圖1），通過重點知識動起來，讓學生視覺上感受無煤柱沿空留巷工藝和其中的關鍵設計問題，加深學生對相關知識點的認知和理解。實踐證明，重點知識動起來的教學手段能達到事半功倍的效果。

圖1 無煤柱沿空留巷工藝全過程

（2）線上線下混合式教學，延長學生學習時間。

限于本課程32個學時，本課程教學時長相對較短，這就需要利用現代信息技術延長學生學習實踐，突破師生互動囿于課堂的情況。因此，在課程教學期間啟用了超星學習通APP進行線上教學以補充線下教學時間，通過將相關PPT和課程中間的重要動畫內容上傳到學習通平臺（見圖2），在話題討論板塊定時上線不同的討論話題（見圖2），全方位延長學生學習時間，實現“師生”和“生生”之間的長時互動。

圖2 學習通平臺課程資源

（三） 科研成果轉化為本科課堂教學資源

一方面，教育部“關于進一步加強高等學校本科教育工作的若干意見”中明確指出：“要積極推動研究性教學，提高大學生的創新能力。”另一方面，工程教育認證所要求的成果產出導向理念，“強調專業教學設計和教學實施以學生接受教育后所取得的學習成果為導向，并對照畢業生核心能力和要求，評價專業教育的有效性”。這就促使筆者建立以“學生掌握知識”的成果產出導向思想，不再完全按照傳統的教學大綱進行，而是通過引入問題激發學生學習的興趣，培養學生掌握分析問題和解決問題的思路和方法，達到學以致用的目的。根據筆者所在研究團隊多年的科研項目攻關經歷，筆者將團隊相關科研成果積極導入課程相關內容，如無煤柱開采設計、煤與瓦斯共采設計等安全環保礦井專題內容。如在講解無煤柱開采設計時，首先在課堂講授實現無煤柱開采的兩種類型（充填沿空留巷和切頂沿空留巷），再具體以某個煤礦工作面充填沿空留巷為具體案例，詳細向學生介紹如何設計巷旁支護關鍵參數、巷內加強支護參數、巷旁充填工藝和臨時支護工藝，最后通過播放現場開展的實際視頻工藝進一步強化學生了解無煤柱開采設計流程。

《礦井設計》是一門專業知識寬泛和理論豐富的課程，并且隨著行業技術發展一直處于動態發展階段，如何構建師生課堂內外連通互動、拓展知識平臺是教學改革的目的，也是一項長期而艱巨的工作。為了追蹤學科發展的前沿，保持教學內容的先進性，適應社會對人才“知識面寬、創新能力強”的要求，本課程教學改革還有許多方面需要深入研究與探索。