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(tǒng)采礦工程專業(yè)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(wǎng)絡平臺資源，構建了體現(xiàn)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(chuàng)新方法。形成具有高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)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(xiàn)清潔利用的最經(jīng)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(yè)集團、中煤集團、陜西煤業(yè)化工集團、大同煤業(yè)集團、陽泉煤業(yè)集團、平頂山煤業(yè)集團、晉城煤業(yè)集團、峰峰集團等40多個礦區(qū)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(jiān)控為基礎，以智能控制軟件為核心，實現(xiàn)地面綜合監(jiān)控中心對綜采設備的智能監(jiān)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(xù)、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(fā)展方向，但我國煤礦智能化發(fā)展尚處于初級階段，智能開采專業(yè)技術人才培養(yǎng)成為煤礦安全高效智能開采的迫切需求。

課程是人才培養(yǎng)的核心要素，是體現(xiàn)以“學生發(fā)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(yǎng)質量。淘汰“水課”，建設有深度、難度、挑戰(zhàn)度的“金課”，是改革現(xiàn)有工科專業(yè)、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(yè)課程體系中的主干課程，是一門關于煤炭行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢、礦山無人智能采掘技術、礦山壓力及巖體智能監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境保護與治理技術的綜合性課程，體現(xiàn)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(tǒng)采礦工程專業(yè)升級為智能開采的新工科專業(yè)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(chuàng)新性、挑戰(zhàn)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(yǎng)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(tǒng)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(fā)展目標的開采方法?；贠BE工程教育模式，應用“反向設計、正向實施”思維，根據(jù)行業(yè)需求，反向確定智能開采專業(yè)培養(yǎng)方案，制定面向需求的專業(yè)培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求和課程體系，根據(jù)煤礦智能開采課程與專業(yè)畢業(yè)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(chuàng)新課程學習模式與方法，落實考核評價方法，并根據(jù)課程學習成果，持續(xù)改進課程建設和專業(yè)培養(yǎng)方案，使之滿足對畢業(yè)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(xiàn)“以教師為中心”向體現(xiàn)“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(xiàn)OBE理念，具備高階性，強化學生思維、能力的發(fā)展。

采用“反向設計”思維，通過采礦工程專業(yè)畢業(yè)生調研、用人單位調研，西安科技大學采礦工程專業(yè)畢業(yè)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(yǎng)特色和區(qū)域性人才需求為基礎，制定采礦工程智能開采培養(yǎng)方案，確定了培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、課程體系。畢業(yè)要求“新工科”、“國際化”環(huán)境下學生必須具備智能開采專業(yè)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(chuàng)新精神，能夠適應采礦工程行業(yè)、企業(yè)和社會發(fā)展的需求。煤礦智能開采是一門關于煤炭智能開采現(xiàn)狀及發(fā)展、智能采掘技術、智能監(jiān)測、環(huán)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(xié)作與創(chuàng)新能力、有效溝通與交流能力的培養(yǎng)。因此，圍繞智能開采培養(yǎng)規(guī)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(xiàn)代采礦技術的智能化發(fā)展方向，掌握煤礦智能采礦關鍵環(huán)節(jié)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(tǒng)和工藝流程的綠色、安全、高效、智能等特性，創(chuàng)新性的運用專業(yè)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(xiàn)“空洞化”向“前沿性與時代性”轉變，體現(xiàn)最新科學研究、前沿應用，拓展國際化視野，培養(yǎng)審辯性思維。煤礦智能開采是要實現(xiàn)煤礦主體系統(tǒng)實現(xiàn)全過程智能化，根據(jù)目前煤礦智能化發(fā)展的重要環(huán)節(jié)和對課程學習目標的支撐關系，優(yōu)化學習內容結構，進行模塊化建設。

學習模塊一：煤炭行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。包括：當前煤炭行業(yè)經(jīng)濟運行形勢、世界能源現(xiàn)狀、我國能源現(xiàn)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(zhàn)略藍圖及國際化;智能化無人化發(fā)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(fā)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(jiān)測。包括：巖體聲發(fā)射智能監(jiān)測設備及技術、工作面礦壓顯現(xiàn)智能監(jiān)測、巷道動態(tài)穩(wěn)定性監(jiān)測、區(qū)段煤柱穩(wěn)定性監(jiān)測、沖擊礦壓監(jiān)測等等。

學習模塊四：智能礦山環(huán)境保護及治理技術。包括：深部多相資源聯(lián)合采選和超低生態(tài)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(lián)合開采技術、深部礦井“煤-水-氣-熱”多資源聯(lián)合開發(fā)技術、采選充一體化技術與裝備），地表生態(tài)環(huán)境恢復治理技術（采礦對地表生態(tài)環(huán)境影響診斷技術、減輕地表生態(tài)環(huán)境損傷的開采設計與技術、酸性廢石堆治理技術、生態(tài)系統(tǒng)重構與土地復墾技術）。

根據(jù)以上四模塊學習內容，利用現(xiàn)代信息技術建設具有指導性、基礎性、生成性和拓展性的網(wǎng)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(yè)、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(chuàng)新

“互聯(lián)網(wǎng)+”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(chuàng)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(chuàng)造性知識的自我構建與生成?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+教育”時代的混合式學習模式將傳統(tǒng)的面授課堂教學與現(xiàn)在網(wǎng)絡信息化教學方式結合起來，融合閉環(huán)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(xiàn)智能開采技術，促進學生知識、能力、思維綜合發(fā)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(wǎng)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(huán)型案例教學方法，以經(jīng)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(yǎng)學生綜合分析能力，以煤礦智能開采前沿問題為導向的創(chuàng)例培養(yǎng)學生研究應用、分析預測和提出系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)掌握各種技能之間的現(xiàn)實聯(lián)系，從而提升課程教學的系統(tǒng)性、高階性，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和解決現(xiàn)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(jù)煤礦智能開采課程學習目標，優(yōu)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(yè)進行考核，形成階段性過程考核成績。優(yōu)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(huán)節(jié)有明確的質量要求，建立教學過程監(jiān)督檢查機制、課程考核方式和內容審查機制、畢業(yè)要求達成情況評價機制，定期開展畢業(yè)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(fā)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(chuàng)新性、挑戰(zhàn)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(xù)更新和豐富學習內容，創(chuàng)新學習形式，提升內涵建設。

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