以“锚杆支护”综合性实验设计为例探讨“新工科”背景下综合性实验的设计方法

杜学领

（1. 贵州理工学院 矿业工程学院，贵州 贵阳 550003；2. 山东科技大学 矿业工程国家级实验教学示范中心，山东 青岛 266590）

“新工科”建设在一定程度上代表着中国高等工程教育的未来，是高等工程教育领域应对科技变革、技术进步、社会未来发展需求的主动出击[1-2]。近年来，国内学者对“新工科”建设进行了诸多研究，如杨小兵提出“新工科”背景下高校应完善创新实践教育[3]；孙康宁等认为应将知识、能力、实践、创新进行一体化培养[4]。刘湉祎基于知识生产模式视角认为“新工科”建设应重点考虑学科融合、突出实践等[5]；刘吉臻等认为行业特色型大学要想与综合性大学、地方高校呈三足鼎立之势，应立足行业促进学科交叉融合，从数量优势转向质量优势，认清“新”是“新工科”建设的本质和内涵，推动传统工科升级，将高等工程教育改革落到实处[6]。高水平的本科工程教育不仅需要系统思维，还要处理好理论与实践、课堂与现场、要素与系统的关系[7-8]。矿业类学科在我国属于行业特色学科，按传统视角还属于艰苦行业。近年来，随着机械化、智能化、数字化、绿色开采等技术的推广应用，采矿业已与传统采矿表现出不同的特征，矿业类学科表现出对机械、力学、材料等学科交叉融合的现实需求。与以往注重课本理论知识学习相比，“新工科”背景下的采矿人才要具有解决复杂工程问题的能力，在人才培养环节要以相应的综合性训练为支撑。本文以采矿工程综合性实验设计为例，探讨“新工科”背景下综合性实验的设计方法。

1 综合性实验概述

1.1 何为综合性实验？

国内对于何为综合性实验有诸多讨论。有的认为本科的教学实验可分为基础型、设计型、探究型三种，而并未将综合性实验列入其中[9]，还有的认为综合性实验应是学生在具备一定学科专业知识基础上，通过对理论知识、实验方法、实验手段等的综合来实现学生综合素质提升的一种复合型实验[10-12]。吴新开等提出，在进行综合性实验设计时，要考虑互补性、交融性、渗透性、承前启后、递进、平行、系统、发展性等原则[13]。施鼎方等认为，可通过精心设计、课程协作、企业参与等途径提高综合性实验的教学质量[14]。在2018 年发布的《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》（以下简称《国标》）中，对于矿业类专业明确提出，“实验教学在 300 学时左右（250~500 学时）……，其中综合性实验和研究性实验的学时不低于总实验学时的 50%”，并明确给出综合性实验和研究性实验的解释[15]，但该解释与前述研究存在相左之处。

笔者认为，综合性实验是由若干个实验组成的一个实验系统，系统的每一个分支都服务于该系统核心目的的达成。在该系统中，知识、手段、方法是相互影响的，不同的知识需要有不同的手段来支撑，需要有不同的方法来实现，对于不同的实验手段和方法也需要有不同的知识来解读。从教学目的而言，综合性实验希望通过系统呈现某一问题，而使学生更加深刻地认识事物本质规律，掌握科学研究方法。

与单一验证性实验相比，综合性实验的规模、广度、深度都有所提升；与研究性或设计性实验相比，综合性实验的核心问题由教师提出，而非由学生提出。但在进行综合性实验过程中，学生有可能发现问题并提出解决问题的方案，即在确立综合性实验核心问题的前提下，不排斥研究性实验，甚至综合性实验的系统中可以包含部分研究性实验，但研究性的问题应是围绕综合性实验的核心问题而展开的。研究性实验更加注重学生的自主学习，而综合性实验更加注重在教师引导下学生对某一核心问题形成更全面的认识，二者侧重点不同。

1.2 当前教学改革中综合性实验设计存在的问题

目前，在综合性实验设计方面已有一定研究基础，但也存在一些问题。

（1）将科研实验移植为教学型综合实验。如将科技支撑计划的部分内容转化为本科生的三大实验[16]，但因这些实验来源于新获批的正在进行的科研课题，部分内容尚处于研究阶段，从所需时间和精力而言，恐怕并不适合作为本科生的教学实验。重庆理工大学基于近20 年成熟的科研成果而设计的综合性实验，显然更适合作为本科生的教学型综合实验[17]。

（2）将传统实验简单拼接为综合性实验。如在大学物理中共设置20 个实验项目，学生可任选4 个完成[18]。由于所设置的 20 个实验项目之间本身内在的逻辑关系不清晰，仅由学生根据兴趣选择，可能使学生倾向于选择容易通过的项目，甚至因为这种自由选择有使实验课沦为水课的危险。类似的公共课难免与专业课教学脱节，使之对以后的专业课学习帮助甚微。例如，有学者提出“一核双翼三阶”物理实验教学体系，但其中的演示实验与专业结合不紧密，仅停留在就物理讲物理的层面上[19]。

（3）体系、平台建设对综合性实验教学的反向作用。教学模式、范式、体系等的建设在教改领域层出不穷，如果将这些建设落到实处对教学质量提升是有益的，但仔细推敲后却发现，一些体系、模式背后的细节严重缺失[19-21]。表面上的体系建设有模有样，实际上教学内容可能还是老一套，重形式、轻内涵。一些一体化实验平台也被应用到本科教学中，如在一个实验平台中连贯地完成气化实验、气相色谱分析等复杂过程[22]，这不利于学生深入理解每一实验的过程。

造成这些问题的原因主要有两方面。其一是部分教师对教学实验的实质认识不足，生搬硬套科学实验理论[23]，忽略了学生基础、软硬件条件等因素，造成所研究的内容可复制性较差、不适宜在本科教学中推广。其二是没有把“新工科”建设的“新”作为核心，造成部分综合性实验空有其形、不接地气，既不能服务于学生未来的实际需要，也不能体现“新工科”背景下的行业需求和社会发展动态，只不过是在实验室闭门造车地谈实验教学改革。

2 “新工科”背景下的综合性实验改革

2.1 “新工科”背景下综合性实验的改革方向

通过对国内“新工科”建设的现有研究进行梳理发现，从学生培养角度而言，“新工科”建设更加关注学生在新技术、学科交叉融合、人文价值、全局视角、可持续或终身学习能力等方面，与之相近的表述还包括复合型培养、价值感与使命感、空间感格局、宏思维、批判性思维、想象力、避免专业碎片化、高素质、适应力、引领作用、普适性与联通性、专业能力、跨界整合、领导力、创新能力、自主学习、变革性、超越性、贯通性等[1-8,24-26]。这些研究较为全面地论述了“新工科”背景下人才培养的美好希望，但诸如学科融合、自主学习、创新能力等早在“新工科”出现之前就已被广泛提及。是以往的教学改革疲软无力，还是这些万金油式的概念始终如一？随着中国高等教育由精英教育走向大众教育，我们真的能把每一位学生都培养成具备领导力的人才吗？本科教育不能仅是高喊“以本为本”“四个回归”，而是应做到掷地有声、脚踏实地。综合性实验作为培养学生动手能力、理论联系实际的手段，更应该全面筹谋、落到实处。

笔者认为，“新工科”背景下综合性实验改革应从下几方面着手。

（1）传统实验的升级改造。传统实验中验证性、按部就班的程序性实验数量较多，应将这部分实验按照“新工科”的“新”进行重新构思，推进传统实验的升级改造。

（2）强化实验之间的系统性逻辑。不管是知识的综合，还是实验手段或方法的综合，归根到底都是为了使学生更加全面、系统地形成对某一问题的认识，系统性是综合性实验的本质属性之一。课程群之间的综合，可以借鉴OBE 设计中顶峰成果的设计理念，将对毕业终极目标的支撑分散至各个课程，在此基础上再进一步完善课程内的综合性实验设计，强化整个人才培养体系的系统性[27-29]。

（3）在综合性实验设计中适当融入“新工科”的“新”。无论是新理念、新模式、新技术，还是新素养、新结构、新方法[24-25]，必须放在教学视角下去考量。符合教学规律、教学要求的，就可以融入；反之，则要果断舍弃或重新设计。要综合考虑学生的学业基础、对实验的接受程度、实验在不同群体间的可扩展性和可复制性、学生的未来发展需求等，而不能不加思考、简单粗暴地将科研实验直接用作本科教学实验，仅仅反映科技前沿而无助于教学的“新”，则要谨慎引入。

（4）加强和完善实验实践共同体协同共享平台建设。对于某一高校、某一专业而言，建成全面且与时俱进的平台是存在诸多困难的，实验实践平台的协同共享有助于破解这一难题。学分互认的教学共同体、基于学科专业建设的学术共同体、大学治理共同体等[30-32]，为实验实践共同体协同共享平台建设奠定了较好的基础。此外，实验实践共同体建设还可从校际平台扩展到校企平台、校研平台等，实现实验设备的合理利用、跨学科交叉融合、资源优势互补、区域协同发展等。

需要指出的是，“新工科”建设有诸多要求[1-8,24-26]，但对于某一节课、某一具体实验设计而言，可能只涉及这些要求中的某一部分，在进行教学设计时应有所选择、有所侧重，而不能求全责备。

2.2 “新工科”背景下本科教学综合性实验设计的一般过程

基于前述研究，并结合国内外已有的教学设计经验，将“新工科”背景下本科教学综合性实验设计的一般过程归纳为“一核多源递进系统反馈设计方案”，其技术路线如图1 所示。

其核心思想如下。

（1）“一核”指的是综合性实验的核心问题。该问题的提出应根据人才培养方案顶峰目标下的课程体系确定，顶峰目标的实现需要有课程体系的支撑，实验又是课程体系中的重要部分。不论是课带实验还是独立设课实验，都应该服务于人才培养的顶峰设计，而不能单纯为了做实验而做实验。这就要求顶峰设计必须清晰、准确、可行。

（2）“多源”指的是综合性实验的设计灵感来源。这些来源主要包括：①基于课本知识的经典实验升级改造；②国家、教育部、省市及行业协会科技进步奖启发；③成熟技术的实验室重构；④行业发展新动态的追踪反映；⑤跨学科、跨平台、交叉融合的新设计；⑥对社会进步新需求或未来发展新趋势的研判研发；⑦在研课题的合理渗透。“多源”为“新工科”背景下的综合性实验设计注入新内涵，但“多源”只是提供实验设计的灵感来源，并不是每个来源都要占有一席之地。应将每一来源的设计置于教学视角下去检验，只有符合教学要求的内容才能确立为综合性实验的组成部分。

（3）“递进”指的是综合性实验中各独立实验之间的逻辑关系为递进关系。在该递进关系中，前一实验为后一实验奠定基础，整个实验的先后顺序明确。递进关系的优点是有利于学生逐步理解事物的本质规律，进而逐步形成对核心问题的全局认识，缺点是对实验操作平台的数量和实验的流畅度、成功率提出一定要求。当子实验间不能全部采用递进式时，也可以局部采用平行并列式作为补充。

（4）“系统”指的是整个综合性实验的子单元构成一个围绕核心问题而展开的综合性实验系统。在进行实验时，按照递进关系顺次完成每一个子单元，每一个子单元聚焦于某一个子问题，这些子问题集又形成整个综合性实验系统。当所有实验完成后，能够通过该组综合性实验形成对核心问题较为全面、系统的认识，达到以小见大的效果。在知识爆炸的当下，学生能够集中精力高质量地完成一件事，对其能力的培养意义重大。

（5）“反馈”指的是综合性实验的效果检验。要对照综合性实验中每一子单元的完成情况，检验子单元对整个综合性实验系统的支撑情况，并对子单元作出不断调整和改进。还要检验综合性实验系统对顶峰目标的达成是否起到支撑作用、支撑强度如何、教学设计是否合理、是否达成教学目标等，以便在下一轮教学时持续改进综合性实验教学设计。“反馈”的设计保证了综合性实验处于动态调整中，从而能够不断适应“多源”的新变化。

3 “锚杆支护”综合性实验设计实例

“矿山压力与岩层控制”（以下简称“矿压课”）是采矿工程的专业核心课程，课程内容以岩层运移规律和控制技术为主，强调学生在掌握理论的基础上解决工程实际问题的能力。近年来，锚杆作为主要支护材料已被广泛应用于煤矿巷道、硐室、隧道、边坡、基坑等场合，锚杆支护问题与当前的技术发展、工程应用联系紧密，兼具专业特色和工程通用性。以下以“矿压课”中的支护部分为例，结合锚杆这种支护材料，探讨综合性实验教学的设计。

3.1 核心问题的确立

我校采矿工程专业毕业生以面向矿业领域、服务区域经济社会发展、具备高素质工程应用能力为主要特征。从顶峰设计而言，本专业培养的是矿业领域的高素质应用型人才，相应的成果产出体现为毕业设计。毕业设计应集中呈现学生对本学科理论的理解和应用能力，但近几年学生在毕业设计中对“矿压课”知识的应用相对较少，说明该核心课程对顶峰目标的支撑不够。通过对国内同行在2018 年出版的本专业实验类著作的调研发现[33-34]，两部著作合计设置实验82 个，实验总量难以达到“国标”要求，且存在系统综合性不强、课程群之间的实验构建不成体系等问题。此外，这82 个实验以演示、讲解、验证性实验为主，与“国标”中对综合性和研究性实验的导向不符。

在“新工科”建设背景下，应适应新时期的发展要求。锚杆是近年来我国煤矿巷道中采用的最主要的一种支护材料，将锚杆作为主要着眼点，并提出“锚杆支护”这一核心问题，符合学生毕业顶峰设计需要及学生未来工作的职业需求。

3.2 “多源”视角下子实验设计方向

在“多源”视角下，可开设的子实验主要有：

（1）基于课本知识的实验。本部分的核心是要求学生掌握锚杆支护的设计方法，因此锚杆支护实验必不可少。此外，还可考虑金属材料拉伸、压缩、扭转实验，锚杆锚索无损检测实验，相似材料模拟实验，岩石物理力学测定实验等。

（2）根据科技进步奖开设的实验。调研近年来国家、省、市及中国煤炭工业协会的科技进步奖情况，与“锚杆支护”这一核心问题相关的内容主要包括：新型支护材料研发，如锚固剂研发、柔模复合材料支护等；复杂地质条件下的支护问题，如深部软弱破碎围岩稳定性问题、矿井水害对围岩稳定性的影响等；高产高效的技术攻关，如大断面全煤巷道高强度锚杆锚索联合支护技术、快速掘进支护等。上述问题可在实验室条件下得到一定体现，如柔模复合材料支护可以转化为相似模拟实验的材料配比，复杂地质条件下的支护问题可以转化为不同支护材料、支护条件的对比实验及不同锚杆的拉拔试验等。

（3）成熟技术的实验室重构。与核心问题“锚杆支护”密切相关的国家标准主要有《煤矿巷道锚杆支护技术规范》[36]，其中涉及的主要问题有：不同的支护条件，如煤巷、半煤岩巷、岩巷；锚杆的种类，如注浆锚杆、预应力锚杆、树脂锚杆、玻璃纤维复合锚杆等；锚杆的性能参数，如锚固力、粘结强度、伸长率等；支护设计方法，包括工程类比、理论计算、数值模拟等；质量检测，包括钻孔质量检测、拉拔试验、安装几何参数检测、预紧力矩检测、工作载荷监测等。

（4）对行业发展新动态的追踪。近年来，行业研发推广的锚杆包括横阻大变形锚杆、可接长锚杆、高预紧力锚杆、吸能锚杆、高冲击韧性锚杆等。

（5）对跨学科跨平台交叉融合的思考。从锚杆支护本身而言，可能涉及材料、化学、模具、结构、力学、经济等方面。材料方面，可研发新型锚杆支护材料，研究材料的宏细观特征；化学方面，可研发新型锚固剂、胶结材料；模具、结构方面，可围绕锚杆杆体肋型、肋型分布等展开；力学方面，包括杆体本身的力学测试和与围岩相互作用的测试；经济方面，可对不同锚杆、支护方案进行经济分析。

（6）对社会进步新需求或未来发展新趋势的研判研发。包括轻便高效低价的支护材料、环境友好型支护材料、高效支护技术、不同条件下支护材料的适用性及回收利用问题等。

（7）在研课题的合理渗透。近年来，国家自然科学基金立项课题中相关的研究主要有全长粘结型锚杆、复合锚固类结构、锚杆应力应变监测、锚杆无损检测等，由于这些内容仍处于研发阶段，实验室缺少相应的设备、材料，一般不适合直接用作本科教学实验。

3.3 教学视角下综合性实验的选择

鉴于“多源”视角下的实验设计方向和实验内容设置较多，还需要进一步结合教学要求来确定。主要应考虑如下因素：①实验室的硬件条件，是否具备开展相应实验的设备、材料的条件；②师资条件，是否具备开展相应实验的师资力量；③教学管理，是否对实验改革给予积极支持；④学生的学习基础，是否具备接受所开设实验的学业基础；⑤学生的学习收获，通过学习相应实验是否能较大程度上获得预期的学习收获。经过教学条件的检视，符合要求的实验可以保留，而现有实验条件很难满足要求的内容一般应予以舍去，这样留下来的一般为具有较大实施可行性的实验。对于本例而言，反映社会进步新需求或未来发展新趋势及在研课题的内容等因不符合教学条件要求，在本轮教学改革中不做重点考虑。

接下来按照递进、系统性逻辑，对检视后的内容进行重新编排。首先确立与核心问题相对应的实验为“锚杆支护原理及支护设计”。该实验有助于学生理解课本的锚杆支护原理，并通过支护设计训练学生毕业设计及未来工作中的巷道支护设计能力。向前推演，进行锚杆支护需要有相应的被支护体、锚固剂，因此，在其之前可设置“相似模拟材料配比及型模强度测定”“锚固剂的调制及性能”两项实验；向后推演，进行锚杆支护后，需要对锚杆支设的质量进行检验和评价，因此可设置“锚杆支设质量检测”“锚杆无损检测”两项实验。以上选定实验的递进、系统性逻辑为：①根据相似材料配比确定工程条件；②熟悉锚固剂的性能，并根据工程条件选择锚固剂；③在给定工程条件和锚固剂的前提下，进行锚杆支护设计；④检验锚杆支设的参数及性能；⑤通过无损检测对锚杆支护进行质量评价。上述实验中的③—⑤与学生未来的职业技能需求密切相关，有助于应用型人才培养目标的达成。

3.4 细化综合性实验设计

3.3 节确定的五项实验的具体内容如下：

（1）相似模拟材料配比及型模强度测定实验。根据给定资料及要求，进行文献查阅，采用河砂、水泥、碳酸钙等材料按照相似模拟实验要求设计材料配比，并在模具中完成标准试样的制模。待型模稳定后，在压力机上测定其单轴抗压强度，分析试样应力应变曲线特点及其与课本中典型曲线存在差异的原因，对破坏后的试样编号并收集备用。

（2）锚固剂的调制及性能实验。根据给定资料及要求（富水、碱性、酸性、高温等），进行文献查阅，任选视角设计锚固剂及添加剂的比例，并据此完成锚固剂的调制。采用 SEM 方法，分别对调配前的锚固剂骨料、破坏后的相似模拟型模和调配的锚固剂进行微观形貌观察。

（3）锚杆支护原理及支护设计实验。根据给定资料及要求，进行文献查阅，并采用相似模拟实验的型模、卵石、煤块等材料，设计并完成模拟地层铺设，记录分层厚度和材料配比，并按照锚杆结构特征设计支护参数。根据实验效果，论述实验内容与锚杆支护原理的关系。

（4）锚杆支设质量检测实验。对前述实验（3）模型中的锚杆施加预紧力，并结合预紧力、锚杆直径等参数，进一步辨析锚杆预紧力矩及锚杆预应力的概念。同时，参照相似模拟材料级配等制作长方体模型，并打钻孔、安装锚固剂、装设锚杆，分别对实验（3）及此长方体中的锚杆进行拉拔试验，记录试验数据，观察实验过程中锚固结构破坏的位置，分析破坏原因。在进一步阅读文献、进行调研后，提出可能的解决方案。

（5）锚杆无损检测实验。获取实验（4）中的锚杆和同一批次未进行试验的锚杆，在长方体模型中制模，并设计不同工况，将上述锚杆应用于这些工况。采用锚杆质量无损检测仪（地面工况常用）、矿用本安型锚杆锚索无损检测仪（地下工况常用）分别进行无损检测，记录两种检测手段的监测数据，并将其与拉拔试验的破坏性检测结果进行对比。在进一步阅读文献、进行调研后，从检测原理、数据处理、无损检测准确度、检测结果与 SEM 实验的关联性、技术发展构想等方面展开论述。如有必要，可自行设计实验进行研究性验证。

4 结语

本文所列举的“锚杆支护”综合性实验设计实现了对传统相似模拟实验、单轴实验的升级改造，并强化了实验子单元之间的系统性逻辑，在教学视角下整合文献查阅、方案设计、团队合作、实验操作、数据处理、结果反思等内容，并融入SEM 微观形貌观测、无损检测等跨学科内容，在一定程度上体现了“新工科”建设对现代工具使用、学科交叉融合、新技术、新思维、高素质等方面的人才培养要求。该综合性实验的核心实验“锚杆支护原理及支护设计实验”在我校已进行了多轮教学实践。实验早期以单独的课带实验开设，逐渐改革为独立设置的实验课环节。学生参与此项实验的积极性较高，大部分学生可完成无胶结破碎煤岩块体的锚杆支护，有助于学生更为直观地理解锚杆支护理论，是理论教学的重要补充。但教学实践中在教学管理、师资队伍、工程适用性等方面出现了一些新问题，有待于在今后的教学实践中不断完善和持续改进。