基于实践型创新人才培养的《煤矿开采学》教学方法研究

赵国贞,李建忠,邢存恩

(太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024)

1 煤矿开采学课程教学中发现的问题

随着经济的发展,人才培养面临着激烈的挑战,创新型经济发展离不开创新型人才。因此,高等院校必须顺应时代发展,与当前经济发展相结合,改革教学模式和教学方法,培养具有创新特色的新时期合格人才。

《煤矿开采学》是采矿工程本科专业的核心主干课程,是煤矿开采过程中最根本的综合性技术科学,其来源于采矿工程实践并指导着煤矿实际生产,是采矿工程专业学生本科学习过程中必须学习和掌握的专业基础课程。与此同时,采矿工程专业极强的实践性与应用性也决定了必须将“培养学生应用能力”贯穿于《煤矿开采学》课程教学的各个环节。课程建设以培养具有厚基础、高素质、强能力,适用于采矿艰苦行业的创新型复合型技术人才为目标。

采矿专业属于实践性很强的专业,结合“现代新型高级采矿工程技术人才”的培养目标和人才市场需求,太原理工大学一直比较重视实践教学环节的实施。经过多年的实践,已经构建起以认识实习、课程设计、生产实习、毕业实习、毕业设计“五位一体”的综合实践教学体系[1-3]。然而,近几年教学实践中发现,现在的学生普遍存在从书本到书本,在专业课程学习中空间感较差,空间想象力不足,动手能力差,这些影响了后续课程的学习,限制着进一步创新思维的发展。特别是《煤矿开采学》(《采矿学》)等专业课程的课堂教学虽已由传统的黑板教学转变为多媒体教学,教学模型也配上了声光电效果,但这些转变并未从根本上改变学生被动学习的模式,学生很难建立煤矿井巷工程三维形体和二维图形的联系,三维井巷工程不能在学生脑海里形成整体形象,不易于学生创新思维的开发。学生动手能力差,空间想象力不足的弱点依然普遍存在[4-5]。

2 基于工程教育专业认证的课程教学体系的建立

中国工程教育专业认证始于2006年,2013年顺利加入世界上最具影响力的国际本科工程学位互认协议——《华盛顿协议》,成为该协议组织的预备成员。2016年6月2日,在吉隆坡召开的国际工程联盟大会上,中国成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的正式会员。加入《华盛顿协议》,意味着通过工程教育专业认证的学生可以在相关的国家或地区按照职业工程师的要求,取得工程师执业资格,这将为工程类学生走向世界提供具有国际互认质量标准的“通行证”。太原理工大学采矿工程专业于2016年通过了中国工程教育专业认证,是专业建设的重要举措,也是工程教育国际化的重要标志。

同时,国家建设一流学科及工程教育专业认证,对课程教学提出了更高的要求。基于工程教育专业认证的“学习产出”(OBE)模式更新教学理念,实施行之有效的、可测量的、先进的、基于学生学习结果的教育模式。开展煤矿开采学教学内容、教学方法和教学手段的课程改革,围绕学生的学习产出开展教学活动,逆向设计课程计划,将认证标准中的毕业要求有机地导入到课程计划之中,明确每节课对实现学生能力贡献及程度,最终形成课程与毕业生能力要求的匹配矩阵[6-8]。

鉴于此,太原理工大学矿业工程学院提出“基于实践型创新人才培养的《煤矿开采学》教学方法研究”的课题,该课题于2013年7月完成,并经5年多的实践检验,取得良好的效果。

3 煤矿开采学教学改革实践

针对《煤矿开采学》教学过程中发现的问题，同时为了提高学生的动手能力和创新能力，课题组在教学改革前期自主开发煤矿三维可视化教学模型和综采工作面虚拟生产系统教学模型,制作煤矿开采方法积木化教学模具,并借助互联网技术手段,开发了采矿学习网站和手机APP论坛,为教师与学生之间提供交流平台。

主要工作包括：

1)按照《煤矿开采学》课程的内容要求开发采矿三维可视化教学模型和综采工作面虚拟系统教学模型,制作煤矿开采方法积木化教学模具;

2)修订《煤矿开采学》课程教学概要内容,补充师生互动的实践性环节,增加学生模型创作实践,教师点评内容的教学内容;

3)合理整合教学资源,完善多媒体课件进行教学实践,开发采矿学习网站和手机APP论坛。

在课堂教学中增加模型教学实践,增加师生互动,按照“实践——认识——再实践——再认识”的认识论规律,创立“课内学习观摩——课后建模——课外学习制作——习题讲评”的模型实践教学模式,即课堂内教师利用丰富的三维模型进行讲解,学生组装采矿积木教具,教师布置课后建模作业,学生自由组合小组,课后各小组自行设计三维模型,并利用业余时间合作完成。三维模型可以是物理模型,也可以是数字模型,要求三维空间关系表达清楚,且易于实现。

通过课堂模型实践,教师课堂讲解达到学生认知,再通过学生制作模型进行再实践,利用采矿学习网站和手机APP论坛,增加师生交流和互动,习题课讲评使认识水平得到提高,整个过程学生起主导作用,教师起辅助引导作用。

4 煤矿开采学教学改革效果及成果

基于实践型创新人才培养的《煤矿开采学》教学方法研究采用系统工程的方法进行,综合运用三维可视化建模、互联网和虚拟现实等高新技术,以及采矿积木化教具游戏化实验手段,进一步强化了课堂空间教学方式,丰富教学手段,充分发挥学生的主动性和创造性,提高学生空间想象的能力,培养学生的综合素质。理论和实践相结合,提高了学生的认识水平和学习积极性,收到了良好的教学效果[9-10]。

“基于实践型创新人才培养的《煤矿开采学》教学方法研究”成果主要内容表现在:

1)创立“课内学习——课后建模——课外制作——习题讲评”的模型实践教学模式;

2)开发采矿三维可视化模型。采矿三维可视化模型通过计算机课堂再现三维采矿形体,创建采矿空间;

3)开发综采工作面虚拟生产系统模型。采矿虚拟模型辅助学生详细掌握综采工作面生产过程中的各项工艺配合过程,并能够在井下巷道中漫游、操作采煤机、操纵液压支架,真正理解综采工艺的内涵,为将来的现场工作打下扎实的基础;

4)制作采矿工程教具模型。积木化教学模具能够补充课堂和实验教学手段,使学生深入体会矿山井巷空间关系。学生利用积木化教学模具可以拼接出井田开拓、采区巷道布置、工作面采煤方法等模型,寓教于乐,学生的动手能力得到锻炼;同时在拼接模型的过程中能充分理解井下巷道的三维立体关系,培养学生的立体思维;学生对课堂讲授的内容有更深刻的理解,提高解决实际问题的能力;

5)合理整合多媒体课件、积木化教具、矿井三维教学模型、矿山虚拟系统等多种教学资源;

6)借助互联网技术手段,开发采矿学习网站和手机APP论坛,为教师与学生之间、学生和学生之间提供交流平台,教师也能及时掌握学生的学习状态,了解学生的需求,进一步改进教学方法,提高教学效果,保证教学质量。

5 成果的应用与推广

“基于实践型创新人才培养的《煤矿开采学》教学方法研究”成果自2012年7月在太原理工大学矿业工程学院采矿工程专业进行教学实践以来,到现在已经连续应用于采矿工程专业2009级、2010级、2011级、2012级和2013级五届学生,并在矿业工程学院的安全科学与工程、地下工程、地球科学与工程、测绘科学与技术、煤矿机电等专业的采矿课程中应用。

采矿三维可视化模型和工作面虚拟生产系统、煤矿开采方法积木化教学模具在教学实践中均受到了广大学生和教师的好评,取得了显著的教学效果。2012-2016年期间,太原理工大学采矿工程专业学生参加全国地矿类高等院校大学生实践作品大赛,取得6个一等奖,10个二等奖和12个三等奖的优异成绩,充分说明了该成果的直接应用效果。几年来,学生学习积极性得到了很大提高,拓展了思维空间,培养了动手能力,深受用人单位的好评。2012-2016年期间,采矿工程专业毕业生研究生入学率达到历年最高,最高班升学率达40%。

该项成果目前在我校矿业工程学院的采矿工程、安全工程、地下工程等专业《煤矿开采学》课程教学中得到全面应用,每年直接受益学生达600多人。随着应用的深入,该教学成果可以拓展到其它矿业类专业,并将向其它兄弟院校采矿工程专业进行推广应用。目前,我校计划在其它矿业类专业的《矿业工程概论》课程中进行推广。预计该项研究成果在近十年里将会得到广泛应用,单就我校而言,直接受益学生人数就达10 000多人,间接受益的相关专业学生人数更多,具有非常广泛的应用前景。

6 结论

在教学过程中,以课堂教学为切入点,增加课堂模型实践环节,创立了“课内学习观摩——课后建模——课外学习制作——习题讲评”的模型实践教学模式,按照“实践——认识——再实践——再认识”的认识论规律,引导学生自己动手组装矿山模型、自行设计制作三维物理和数字模型。通过教学方法改革,彻底改变课堂教学手段和课后作业的模式,课堂教学气氛活跃,学生学习变得积极主动,提高了课程的教学水平和质量,解决了《煤矿开采学》课堂教学中多年来存在的问题。同时,使用便携式积木化采矿模具和可视化的计算机采矿模型,使得采矿工程空间问题易于理解,教学占用学时少,效果好,保证了采矿专业后续课程的学习。

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