大數據驅動下采礦工程新工科精準教學范式

高鋒 蔡永樂 邵靜靜

摘 ?要：為推進傳統(tǒng)工科專業(yè)精準教學的開展，基于采礦工程新工科精準教學的必要性分析，面向大數據驅動下現代化教育教學改革形式，提出了大數據驅動下采礦工程新工科精準教學的實施范式，包括建立新工科教學與精準教學的理論關系、構建采礦工程新工科精準教育教學數據庫和技術框架、提出大數據驅動下精準教學過程中創(chuàng)新型采礦人才培養(yǎng)模式、凝練大數據驅動下采礦工程新工科精準教學實踐路徑。研究結果對采礦工程和其他傳統(tǒng)工科專業(yè)應用大數據技術實現精準教學具有一定的參考價值。

關鍵詞：精準教學;大數據技術;采礦工程;新工科;實施范式

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）33-0105-04

Abstract： This study is based on the analysis of the necessity of accurate teaching in new engineering of Mining Engineering and the reform form of modern education and teaching driven by big data. This paper proposes the implementation paradigm of accurate teaching in new engineering of mining engineering driven by big data in order to promote the development of accurate teaching in traditional engineering majors. The study includes establishing the theoretical relationship between new engineering teaching and accurate teaching， constructing the database and technical framework of precision education of new engineering in Mining Engineering， proposing a new mining talent training mode in the process of accurate teaching driven by big data， and condensing the practical path of accurate teaching of new engineering in Mining Engineering driven by big data. The research results have a certain reference value for mining engineering and other traditional engineering majors in applying massive data technology to achieve precision teaching.

Keywords： accurate teaching; big data technology; Mining Engineering; new engineering; implementation of paradigm

高等學校傳統(tǒng)工科專業(yè)教學的實踐操作性較強，主要以課堂教學和實習實訓完成教學任務，探索性教學環(huán)節(jié)較少，學生個性化精準教學難以全面開展。精準教學是一種通過記錄、分析學習者的學習行為、學習表現等方面的數據及其變化開展教學評測，從而精準調整教學活動以提高學習績效的教學形式[1]。精準教學的基本模式包括課前基于大數據調查與分析得到學習者模型，精準設計細化教學目標;課中借助大數據、云計算的數據，做好學生學習行為數據持續(xù)性的檢測和記錄;課后進行數據診斷和分析，分析學習者的學習行為特征和問題，具體問題具體反饋[2]。大數據驅動下的精準教學模式是以大數據技術為手段，在分析學生學情的基礎上，精準定位教學目標、精準定制教學內容、精準設計教學活動、精準評價學生學習表，然后做出精準決策與干預[3]。

2017年以來，國家提出高等教育新工科建設，在發(fā)展新型工科專業(yè)的同時，對傳統(tǒng)工科專業(yè)逐步進行改造升級，形成“復旦共識”“天大行動”“北京指南”等綱領性文件，教育部組織了一系列“新工科研究與實踐項目”，加強使傳統(tǒng)工科專業(yè)教學與當前先進生產力的聯(lián)系，促進應用型和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)[4-5]。采礦工程是高等院校典型的傳統(tǒng)工科專業(yè)，為促進大數據驅動下采礦工程新工科精準教學的實現，基于采礦工程新工科精準教學的必要性分析和現代教學的改革形式，提出了大數據驅動下采礦工程新工科精準教學的實施架構，為其他傳統(tǒng)工科專業(yè)精準教學研究與開展提供參考。

一、采礦工程專業(yè)新工科精準教學必要性分析

（一）采礦工程專業(yè)傳統(tǒng)教學模式與先進生產方式

之間的矛盾

采礦工程是工業(yè)經濟的基礎產業(yè)，為國家提供能源與礦產資源的原材料。目前，采礦工程正處于從傳統(tǒng)的機械化-半機械化生產方式向智能化、無人化生產方式過渡的關鍵時期[6-7]。2020年7月15日，中國煤炭工業(yè)協(xié)會、中國煤炭學會主辦了“煤礦智能化技術創(chuàng)新論壇”，研討了5G+智能化技術在高效掘進、采煤工作面的應用。中華人民共和國科學技術部發(fā)布的《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》中把煤的清潔高效開發(fā)利用和礦產資源高效開發(fā)利用作為重點研究與發(fā)展領域，要求加強該領域創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

但是，長期以來我國礦業(yè)工程類高校采礦工程專業(yè)教學處于開采理論、工藝、方法的灌輸層面，教學方案與現代化工業(yè)生產技術脫節(jié)較嚴重，教學內容滯后于當前企業(yè)研發(fā)或引進的先進生產技術，教學過程中相對缺乏對本專業(yè)大學生創(chuàng)新意識與能力的培養(yǎng)。采礦工程專業(yè)的生源中調劑生占較大比例，學生學習基礎偏弱，專業(yè)學習思想不積極。這些問題的存在影響了采礦學生對專業(yè)的熱愛以及對先進采礦科學技術的探索，抑制了學生專業(yè)學習與生產實踐的有效銜接，使得很多采礦畢業(yè)生入職后長時間難以應對崗位操作，影響職業(yè)提升，進而降低了學生的專業(yè)學習熱度。因此，改進當前采礦工程專業(yè)的教學模式、提升采礦工程專業(yè)的教學效果、促進創(chuàng)新型采礦專業(yè)人才的培養(yǎng)已成為礦業(yè)工程類高校教育教學改革迫在眉睫的重要課題。

（二）新工科建設對采礦工程專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)

的要求

高等工程教育是我國高等教育的重要組成部分，為加快工程教育改革創(chuàng)新，支撐服務國家創(chuàng)新驅動發(fā)展和“一帶一路”“中國制造2025”“互聯(lián)網+”等重大決策，2017年教育部發(fā)布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》，旨在培養(yǎng)造就一批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才。采礦工程是我國高等工程教育的傳統(tǒng)專業(yè)，也是礦業(yè)工程類高校的國家級特色專業(yè)、省級重點專業(yè)、校級優(yōu)勢專業(yè)。為加強采礦專業(yè)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，華北理工大學甘德清教授帶領團隊進行了“基于新工科建設的采礦創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式研究與實踐”，確立了“新工科”建設背景下采礦創(chuàng)新人才培養(yǎng)理念，構建了課程體系與實踐教學體系緊密結合的人才培養(yǎng)體系，設立了采礦專業(yè)智能采礦特色班，構建了“科教融合”“產教融合”“學科融合”協(xié)調統(tǒng)一的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。

（三）采礦工程專業(yè)教育教學模式改革的必要性

在新一輪科技革命和產業(yè)變革的大背景下，采礦領域的生產方式必然發(fā)生本質的改變，采礦工程的服務范圍不再局限于開采設計與工藝優(yōu)化，而是以智慧礦山為目的的采礦裝備與方法的革新。這就需要對傳統(tǒng)的采礦工程專業(yè)教學升級改造，在本科教學上有選擇地去除已淘汰的采礦工藝，增設先進采礦技術相關的人工智能類課程或內容，訓練學生掌握高效智能的三維數字化設計方法。

傳統(tǒng)的采礦工程專業(yè)授課類型為以線下課堂授課為主，輔以高代價有風險的實地參觀實習教學。專業(yè)課程門類多，單門課程課時量少，導致教師教學內容多而不深，難以實現精準教學;學生學習效果雜而不精，難以實現個性化學習;不同課程交叉內容較多，課程之間教學方案難以協(xié)調，造成課時浪費，降低專業(yè)總體教育教學效果。面向新工科升級改造的專業(yè)課與專業(yè)基礎課總量增大，門類增多，僅僅依托傳統(tǒng)的線下課堂教學模式更加難以推進采礦工程專業(yè)新工科教學。因此，亟需采用現代化的有效教育手段實現采礦工程新工科的精準教學，完成適應采礦生產方式大變革的“一專多能”創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)[8]。

二、大數據驅動下現代化教育教學改革形式

近年來，大數據技術在全世界范圍內迅速發(fā)展，引起了現代教育的重要變革。陳堅林認為，大數據就是容量大、種類多、速度快、價值高的海量數據的集合，包括結構化、半結構化和非結構化的數據[9]。大數據技術的核心在于用全新技術分析所有數據，從大數據中挖掘有效信息，為使用者提供輔助決策，實現大數據價值[10]。教育大數據在數字化學習技術的普及和學習活動的常態(tài)化引入過程中自然產生和儲存，國內外教育管理部門和高校逐漸重視大數據與信息化技術在現代化高等教育教學中的應用。

在國內，教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》指出，“加快對課程和專業(yè)的數字化改造，創(chuàng)新信息化教學與學習方式，提升個性化互動教學水平，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，提高人才培養(yǎng)質量”。2019年2月，中共中央、國務院印發(fā)《中國教育現代化2035》強調，“推動教育信息化變革，使教育資源借助信息化技術實現互通互聯(lián)……促進教育精準化管理和科學化決策”。2019年9月，浙江省發(fā)布《2019年全省教育技術工作要點》，加快推進數字高校建設;2014-2015年電子科技大學教育大數據研究所、中國教育大數據研究院、江蘇省高校教育大數據重點實驗室等研究機構相繼成立。

在國外，美國2010年發(fā)布的《國家教育技術計劃》強調，教育系統(tǒng)要利用大數據技術測量、評價學習過程;2014年麻省理工學院利用大數據技術和開放式網絡課程進行了學校教學改革;紐約大學成立了校級大數據管理分析機構;普渡大學開發(fā)了一款在線學習信息系統(tǒng)[11]。

在大數據背景下，教師將互聯(lián)網、數據分析與預測等計算機相關技術融入教學，對學生進行客觀的學情評估，掌握其學習過程，評價其學習行為，明確其知識掌握程度，適時修改教學目標，調整教學策略，實現教學活動的精準干預、教育資源的精準推送，實現分層適應性教學;學生對學習程度自我量化審視，產生專業(yè)或科學的多邊思維，增進學習興趣，提高個性化自適應學習能力和團隊合作能力;最終實現教育過程信息化和精準教學，顯著提高教育教學的整體效果。

三、大數據驅動下采礦工程新工科精準教學的實施范式

（一）新工科教學與精準教學的理論關系構建

通過廣泛檢索精準教學與新工科教學方面的文獻，分析高等工程教育新工科教學與精準教學的國內外研究成果，進一步明確采礦工程新工科的基本內涵，厘清傳統(tǒng)工程學科精準教學的基本理論與實施方法，建立新工科教學與精準教學的理論關系。

（二）采礦工程新工科教育教學數據庫編制

1. 基于調研法改造采礦工程課程體系。調研采礦工程專業(yè)教育教學現狀和師資、學生的基本情況，結合礦業(yè)“深部開發(fā)”“綠色開采”和“智慧礦山”的發(fā)展趨勢，優(yōu)化傳統(tǒng)教學課程，突出基礎的學科專業(yè)應用性;刪改部分課程內容重復或專業(yè)相關性較弱的選修課，適當補充人工智能導論、物聯(lián)網工程、智能控制工程、數字化礦山技術等人工智能相關課程，構建采礦工程新工科立體化課程體系，實現教學新常態(tài)下傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)的升級改造。

2. 基于問卷調查和統(tǒng)計分析法構建新工科精準教學數據庫。優(yōu)化篩選合適的大數據精準教學平臺，如“智慧學伴”“學習通”“科大訊飛智慧教育產品”，充分探索平臺的數據采集、整理與分析功能，實現教學過程數據化記錄，定量分析評價教學平臺的數據有效性，過濾重復性教學數據;基于精準教學平臺，結合教務處、系團委、學工辦、各科教師采集學生的初始學情信息，采集線下、線上教學資源，采集學生的學習行為、學習軌跡數據和學生參與教師科研、先進技術生產實踐的數據，對采集的數據進行整合分析，建立精準的學情信息數據庫、教學資源數據庫、學生學習行為數據庫和產研實踐數據庫。

（三）采礦工程新工科精準教學技術框架構建

1. 基于信息研究法查明學情，精準教學定位。通過采礦工程新工科教育教學大數據建立學生學情的數字畫像，準確描述學生對通識課程、專業(yè)基礎課程、專業(yè)課程、人工智能類課程知識的學習基礎，以及學生對采礦工程科學技術的發(fā)展前景與工業(yè)地位的認知程度，教師通過學情可視化分析，識別學生學習的最近發(fā)展區(qū)，優(yōu)化教學方案，設定精準的教學目標。

2. 基于觀察法優(yōu)化教學過程，實施科學評價。加強不同專業(yè)課程之間教學方案的協(xié)調，精準完善教學方案與教學內容;面向不同層次的學生，精準設計不同的教學活動和課程形式;通過學生學習行為改進、學習參與度提升、學習效果進步、課時有效利用率、教學進展速率等方面的大數據反饋，科學評價精準教學效果。

3. 基于學習進展的觀察，提供精準教學干預。根據不同學生的學習表現、知識掌握程度、專業(yè)思想水平、創(chuàng)新實踐意識與能力的觀察結果，實施精準的教學干預，輔導學生改進學習方法。

（四）大數據驅動下精準教學過程中創(chuàng)新型采礦人

才培養(yǎng)模式的提出

1. 使用定性分析法明確人才培養(yǎng)理念。明確采礦工程專業(yè)的自身定位和學科優(yōu)勢，審視高等工程教育的本質和內在發(fā)展規(guī)律，創(chuàng)新采礦工程專業(yè)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)理念。

2. 使用個案分析法實施個性化培養(yǎng)?；诮逃虒W大數據技術和采礦工程新工科精準教學技術框架，實施不同層次學生的個性化適應性培養(yǎng)，對于學科學習優(yōu)秀、創(chuàng)新能力較強的學生，著重進行科學研究和技術研發(fā)能力的培養(yǎng);對于專業(yè)基礎扎實、實踐能力較強的學生，注重其智能控制、數字化礦山技術應用能力的培養(yǎng);對于學習成績一般、學習熱情較高的學生，加強其學習方法、業(yè)務素質等方面的培養(yǎng)。

3. 使用經驗總結法形成產-學-研培養(yǎng)思路。學-研結合培養(yǎng)思路即通過大數據技術加強學生學習、教師科研和現代化采礦生產之間的有機融合，形成學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的導師負責制，鼓勵學生參與教師科研，探索前沿理論知識和生產技術，使學生形成“學有所新、學有所用、就業(yè)有發(fā)展、深造有空間”的專業(yè)認識和專業(yè)思想。加強采礦工程專業(yè)科研、教學一體化團隊建設，鼓勵教師將學術研究現狀、科研成果的線上資源帶進課堂，提升學生學習興趣，開拓學生學習思路，實現實質性的科研反哺教學。產-學結合培養(yǎng)思路即充分利用地區(qū)礦山產業(yè)優(yōu)勢和優(yōu)質工程教育資源，在已有的本科教學合作的基礎上，積極利用礦山虛擬現實系統(tǒng)和典型礦山實踐教學基地，開展第二課堂實踐教學;建立高校與礦山企業(yè)之間的信息交流與分享機制，構筑現代化生產實踐通道，開展礦山開采、生產遠程觀摩活動，共建校企間網絡信息交流平臺，為學生提供實時動態(tài)的在線實踐平臺。

（五）大數據驅動下采礦工程新工科精準教學實踐

路徑的搭建

1. 提升教師數據化教學素養(yǎng)。以學校采礦工程專業(yè)為實踐平臺，實施大數據驅動下采礦工程新工科精準教學，首先提升教師數據化專業(yè)素養(yǎng)，建立專業(yè)各科教學教師數據素養(yǎng)培訓機制，設定教師數據素養(yǎng)資格認證，將教學數據采集、整理、分析、使用的專業(yè)能力納入教師教學評測體制。

2. 推動學生自主化探索性學習和個性化適應性學習。在“產、學、研、用”四個層面實踐精準教學，在教學過程中實施學習記錄、學情分析、學習評價和精準教學推送;在教育教學活動中引導使用大數據技術進行自我學習鑒定和目標設定，輔助學生設立專業(yè)學習追求，實現學生對專業(yè)的自主化探索性學習;在科研活動中引領學生個性化適應性學習，提升學生創(chuàng)新能力;在生產實踐中提升學生的現代化專業(yè)認知和操作能力。

3. 評價新工科精準教學成果。通過重點評價學生的學習過程與學習行為，結合總結性評價和形成性評價，量化學生在解決問題、合作、創(chuàng)新、測試結果等學習指標，深入優(yōu)化教學評價方式，科學評估精準教學效果。

四、結束語

采礦工程專業(yè)是典型的傳統(tǒng)工科專業(yè)，存在學生學習基礎偏弱、專業(yè)學習思想不穩(wěn)定、教學內容與現場先進生產工藝脫節(jié)、專業(yè)課程教學內容重疊較多、教學方法保守、學生創(chuàng)新意識與能力不強等問題，結合國家新工科建設的背景，從根本上實現采礦工程專業(yè)的升級改造和專業(yè)教學效果的提升，必須實施大數據驅動下的精準教學。在實施過程中，需要通過明確新工科教學與精準教學的理論關系，構建采礦工程新工科精準教育教學數據庫和技術框架，進而提出大數據驅動下精準教學過程中創(chuàng)新型采礦人才培養(yǎng)模式，最終形成科學的大數據驅動下采礦工程新工科精準教學實踐路徑。

參考文獻：

[1]任紅杰.基于大數據的精準教學：生成路徑與實現條件[J].黑龍江高教研究，2017（9）：165-168.

[2]徐思賢.大數據背景下我國“精準教學”實施環(huán)境剖析[J].科學大眾（科學教育），2019（6）：164-166.

[3]萬力勇，黃志芳，黃煥.大數據驅動的精準教學：操作框架與實施路徑[J].現代教育技術，2019，29（1）：31-37.

[4]曹福亮，劉英，王伊寧，等.面向新工科的工程專業(yè)實踐賦能教育路徑[J].昆明理工大學學報（社會科學版），2021，21（3）：85-91.

[5]黃毅，唐宏賓，何志勇，等.新工科背景下的機械動力學課程教學新模式[J].大學教育，2021（7）：71-73.

[6]楊勤華.安慶銅礦積極打造5G智能化礦山[J].中國有色金屬，2021（11）：52-53.

[7]王國法，任懷偉，龐義輝，等.煤礦智能化（初級階段）技術體系研究與工程進展[J].煤炭科學技術，2020，48（7）：1-27.

[8]黃輝，周文姍，劉海濱.適應智能采礦的人才培養(yǎng)模式研究[J].礦業(yè)科學學報，2021，6（3）：356-363.

[9]陳堅林.大數據時代的慕課與外語教學研究——挑戰(zhàn)與機遇[J].外語電化教學，2015（1）：3-8+16.

[10]張徐昕，李丹，李嘉偉，等.大數據在“在線教育”領域的應用研究[J].軟件導刊（教育技術），2017，16（5）：54-56.

[11]于海濤.大數據背景下智慧旅游信息類課程教學模式改革探討[J].福建電腦，2018，34（5）：75-76.