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新工科背景下煤矿智能开采“金课”设计与实践探索

范文

王红伟伍永平解盘石刘博

摘? 要：面对传统采矿工程专业向智能采矿升级转型的需求，基于OBE工程教育理念，对新工科背景下煤矿智能开采“金课”设计和实践进行了探索，提出了高阶性的课程学习目标，建设了具有前沿性和时代性的模块化学习内容及网络平台资源，构建了体现互动学习过程的混合学习模式，确定了过程性和个性化相融合的学习成果考核与评价的创新方法。形成具有高阶性、创新性、挑战度的“金课”，满足学生学习的需求。

关键词：智能开采;新工科;金课;成果导向;混合式学习

中图分类号：G642? ? ? ? 文献标志码：A? ? ? ? ?文章编号：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

煤炭是我国一次能源中可实现清洁利用的最经济、可靠的资源，自2000年以来，智能化开采先后在神东煤炭集团、宁夏煤业集团、中煤集团、陕西煤业化工集团、大同煤业集团、阳泉煤业集团、平顶山煤业集团、晋城煤业集团、峰峰集团等40多个矿区进行试验和生产，智能开采技术取得了长足进步，以采煤机记忆割煤、液压支架跟机自动化和可视化远程监控为基础，以智能控制软件为核心，实现地面综合监控中心对综采设备的智能监测与集中控制，确保工作面割煤、推溜、移架、运输、消尘等智能化运行，达到了工作面连续、安全、高效开采，开启了智能化开采的新时代[1]～[3]。智能化采矿已成为新建矿井和已有矿井技术改造进行煤层开采的发展方向，但我国煤矿智能化发展尚处于初级阶段，智能开采专业技术人才培养成为煤矿安全高效智能开采的迫切需求。

课程是人才培养的核心要素，是体现以“学生发展为中心”理念的“最后一公里”。其建设质量直接关乎教育质量和人才培养质量。淘汰“水课”，建设有深度、难度、挑战度的“金课”，是改革现有工科专业、强化新工科教育的重点所在[4]～[9]。煤矿智能开采作为新工科智能开采专业课程体系中的主干课程，是一门关于煤炭行业发展现状及趋势、矿山无人智能采掘技术、矿山压力及岩体智能监测、生态环境保护与治理技术的综合性课程，体现了多学科交叉融合，是建设新工科智能开采课程体系的重中之重，亟需进行课程建设探索与改革研究。因此，在将传统采矿工程专业升级为智能开采的新工科专业改造过程中，如何响应教育部打造“金课”的号召，将煤矿智能开采课程建设成具有“高阶性、创新性、挑战度”特点的“金课”，是满足新工科建设背景下对采矿工程教育新需求的一项重要课程建设与改革，对推进智能开采技术人才培养模式改革具有重要意义。

二、煤矿智能开采“金课”建设思路

智能开采是以传统采矿为基础，融合机械、电气、计算机、智能控制、信息等学科，自动化、智能化、无人化为发展目标的开采方法。基于OBE工程教育模式，应用“反向设计、正向实施”思维，根据行业需求，反向确定智能开采专业培养方案，制定面向需求的专业培养目标、毕业要求和课程体系，根据煤矿智能开采课程与专业毕业要求指标点对应关系、“两性一度”的“金课”特点，确定课程学习目标，建设课程学习内容与资源，创新课程学习模式与方法，落实考核评价方法，并根据课程学习成果，持续改进课程建设和专业培养方案，使之满足对毕业要求的支撑和市场需求。具体建设思路如图1所示。

三、煤矿智能开采“金课”设计与实践

（一）课程学习目标确定

新课程改革以来，明确提出教学目标的主语是“学生”，教学目标应该由体现“以教师为中心”向体现“以学生学为中心”转变，即教师维度的“教学目標”转化为学生维度的“学习目标”[10]。新工科背景下“金课”学习目标的确定应该体现OBE理念，具备高阶性，强化学生思维、能力的发展。

采用“反向设计”思维，通过采矿工程专业毕业生调研、用人单位调研，西安科技大学采矿工程专业毕业生70%以上服务于西部、60%以上服务于西部矿井，而我国西部煤炭资源丰富，智能开采需求广泛而迫切。以新时代煤矿智能开采大趋势为背景，以培养特色和区域性人才需求为基础，制定采矿工程智能开采培养方案，确定了培养目标、毕业要求、课程体系。毕业要求“新工科”、“国际化”环境下学生必须具备智能开采专业知识和分析、解决实际工程问题的实践能力，具有艰苦奋斗和开拓创新精神，能够适应采矿工程行业、企业和社会发展的需求。煤矿智能开采是一门关于煤炭智能开采现状及发展、智能采掘技术、智能监测、环境保护与治理技术的综合性课程，主要支撑学生智能开采能力、团队协作与创新能力、有效沟通与交流能力的培养。因此，围绕智能开采培养规格要求及煤矿智能开采课程对其支撑作用，确定学习目标为：了解现代采矿技术的智能化发展方向，掌握煤矿智能采矿关键环节和技术、主要装备智能化控制技术原理和方法，分析复杂智能开采工程问题，评价主要生产系统和工艺流程的绿色、安全、高效、智能等特性，创新性的运用专业知识设计解决方案（图2）。

（二）课程学习内容与资源建设

新工科背景下煤矿智能开采“金课”学习内容及资源建设是为了支持学生的学，为学生的学习搭建支架。学习内容应实现“空洞化”向“前沿性与时代性”转变，体现最新科学研究、前沿应用，拓展国际化视野，培养审辩性思维。煤矿智能开采是要实现煤矿主体系统实现全过程智能化，根据目前煤矿智能化发展的重要环节和对课程学习目标的支撑关系，优化学习内容结构，进行模块化建设。

学习模块一：煤炭行业发展现状及趋势。包括：当前煤炭行业经济运行形势、世界能源现状、我国能源现状及煤炭在我国能源保障中的地位;煤炭革命的本质意义、目标、战略蓝图及国际化;智能化无人化发展目标。

学习模块二：矿山智能采掘技术。包括：煤矿智能化开采发展阶段，智能化开采1.0“智能控制+远程干预”、智能化开采2.0“工作面自动找直”、智能化开采3.0“透明工作面智能割煤”、智能化开采3.0“全智能自适性开采”等四阶段的关键技术，智能化开采重点方向。

学习模块三：矿山压力及岩体智能监测。包括：岩体声发射智能监测设备及技术、工作面矿压显现智能监测、巷道动态稳定性监测、区段煤柱稳定性监测、冲击矿压监测等等。

学习模块四：智能矿山环境保护及治理技术。包括：深部多相资源联合采选和超低生态损害开采技术（深部矿井煤与瓦斯共采技术、深部矿井地热资源利用技术、深部矿井“煤-水”双资源联合开采技术、深部矿井“煤-水-气-热”多资源联合开发技术、采选充一体化技术与装备），地表生态环境恢复治理技术（采矿对地表生态环境影响诊断技术、减轻地表生态环境损伤的开采设计与技术、酸性废石堆治理技术、生态系统重构与土地复垦技术）。

根据以上四模块学习内容，利用现代信息技术建设具有指导性、基础性、生成性和拓展性的网络学习平台资源（图3）。完善课程简介、教师信息、课程大纲、教学日历、考核办法等指导性资源，丰富课程教案、知识点导图、PPT课件、学习视频等基础性资源，设计课程作业、在线测试、试题库、答疑讨论、常见问题等生成性资源，建设典型案例、研讨项目、资源链接等拓展性资源。

（三）课程學习模式创新

“互联网+”时代的教育确立的是一种“为学习服务”的全新教育观。其本质是为学生创建一种高度参与的个性化学习体验，学生不仅需要共性的标准化知识学习，更追求个性化知识与创造性知识的自我构建与生成。“互联网+教育”时代的混合式学习模式将传统的面授课堂教学与现在网络信息化教学方式结合起来，融合闭环型案例教学、专题研讨教学、翻转课堂等不同教学方法，建立“学生主动学、教师引导教、实践体验学”的学习体系，引导学生学会学习、学会能够对煤矿智能开采提出自己的观点和看法的能力，以大量的案例、动画、微课视频等形式客观的展现智能开采技术，促进学生知识、能力、思维综合发展[11]～[13]。混合式学习模式主要由三部分组成（图3）。

1. 学生课前的线上主动学习

教师做好课件、微课视频、研讨选题设计等在线网络教学平台资源准备工作，引导学生完成基于主题或项目的探究式学习任务。线上微课视频以实际问题及其解决过程为主线，带动知识点的融会贯通，学以致用，做到理论与实践的有机结合。

2. 学生课堂的线上线下学习

通过对课前的线上学习情况分析，确定重点学习内容和知识点，融合多种教学方法和资源开展课堂教学。采用闭环型案例教学方法，以经典问题为导向的引例吸引学生进入学习内容，以知识点为导向的实例让学生掌握知识要点，以综合性问题为导向的案例培养学生综合分析能力，以煤矿智能开采前沿问题为导向的创例培养学生研究应用、分析预测和提出系统解决方案的能力。采用虚拟仿真教学方法，通过三维模型、运动仿真视频，让学生在虚拟的情景下进行煤矿智能开采技术的探究和学习，使学生可以不受场地与设备的限制，掌握更多的技能。采用翻转课堂教学方法，让学生在课堂上分享课前学习成果、讨论交流，教师引导学生思考和讨论，并进行答疑解惑和补充说明。

3. 学生课外的作品实践学习

采用“化整为零、由零到整”的实践项目设计，将复杂的现实问题分解成详细的知识点，通过项目实践使学生深入理解知识内涵，系统掌握各种技能之间的现实联系，从而提升课程教学的系统性、高阶性，有助于培养学生的创新能力和解决现实问题的能力。

（四）学习考核评价体系建立

学习考核应该支撑课程学习目标，考核权重应与学习目标相匹配，评分标准应细化易行、具有导向性。根据煤矿智能开采课程学习目标，优化课程考核模式，形成过程性考核和总结性考核相结合的模式，提升评分机制的科学性，突出学生能力本位特点，增加过程考核比重，量化过程考核评分细则。突出过程考核，以模块学习过程为考评基础，以全学期的模块学习进度为考核的时间线，以项目任务驱动，在每个模块学习完成之后，要求学生运用该模块所学完成项目设计内容，并对其作业进行考核，形成阶段性过程考核成绩。优化考试内容，考试中每项内容需要与细化知识点或能力点相对应，强调对知识运用和分析问题能力的考察，考试内容和评分标准能够对学习目标进行衡量，形成总结性考核（图4）。

建立课程教学评价体系（图5），制定课程质量标准，各主要教学环节有明确的质量要求，建立教学过程监督检查机制、课程考核方式和内容审查机制、毕业要求达成情况评价机制，定期开展毕业要求達成情况评价，完成试卷分析表、课程总结表。

四、结束语

在新工科背景下，面对人工智能快速发展的趋势，要将煤矿智能开采课程打造成具有一定高阶性、创新性、挑战度的 “金课”是一项任重道远的工作。要求在紧跟煤矿智能开采领域前沿技术，不断从科研中提炼典型案例，持续更新和丰富学习内容，创新学习形式，提升内涵建设。

参考文献：

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[3]康红普，王国法，姜鹏飞，等.煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想[J].煤炭学报，2018，43（7）：1789-1800.

[4]吴岩.建设中国“金课”[J].中国大学教学，2018（12）：4-9.

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[6]教育部高等教育司.“新工科”建设复旦共识[J].复旦教育论坛，2017（2）：27-28.

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[11]刘建平，贾致荣，师郡.基于OBE教育理念的混合课程教学改革——以混凝土与砌体结构设计课程为例[J].高等建筑教育，2018，27（06）：87-92.

[12]冯晓英，孙雨薇，曹洁婷.“互联网+”时代混合式学习：学习理论与教法学基础[J].中国远程教育，2019（2）：7-16.

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