新工科背景下采矿工程专业智能开采人才培养探索

丁自伟，柴 敬，解盘石，孙伟博，郭卫彬，王红伟

一、智能开采人才培养的背景

自“新工科”概念提出以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”等指导性文件，就如何建设新工科提出指示：改造传统学科专业，服务地矿、钢铁、石化、机械、轻工、纺织等产业转型升级、向价值链中高端发展［1-2］。随着社会科技逐渐进步，矿产资源开采向深地、深海与深空发展，采矿工程作为传统的工科行业之一，也必然随之向少人化、无人化方向发展。因此，建设智慧化矿山、实现智能化开采，培养智能开采人才，是煤炭工业技术革命和升级发展的必然要求［3］。《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》重点任务之一就是要提升煤炭开发效率和智能化水平，研发智能化工作面并在重点煤矿区基本实现工作面无人化。产业发展与工程教育人才联系紧密、互相支撑，能源技术产业发展势必需要大量的工程教育人才来支撑，做好工程教育主动布局和深化改革，必将对经济转型升级起到推进作用［4］。

对于传统采矿工程而言，目前工程教育人才培养模式存在许多问题，培养理念、培养目标及培养模式均与能源技术发展存在一定程度脱节，已不能完全适应现代煤炭开采转型升级需求。因此，积极探索工程教育改革，面向未来培养工程人才，服务国家能源智慧矿山建设战略发展新需求，培育新时代新工科背景下智能开采人才，必将成为采矿工程人才培养的新趋势。例如，在新工科理念的指导下，武汉科技大学针对本校采矿工程专业人才培养模式与创新人才培养不协调问题，提出了采矿工程专业创新人才培养改革应该遵循交叉与融合相结合、继承与创新相结合、协调与共享相结合的三结合原则［5］；新疆大学提出了以创新人才培养为目标、优化课程体系为基础、强化实践教学为途径、培养宽采矿专业人才为特色的课改思路［6］。在智能化开采方面，传统的矿业类高校积极寻求采矿工程教育培养模式改革［7］，如中国矿业大学、北京科技大学、东北大学、山东科技大学等均在传统采矿工程基础上，开设智能开采人才培养特色班，进行了煤矿智能开采人才培养模式探索。其中，西安科技大学基于新工科背景下煤矿智能开采“金课”设计和实践进行了探索，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［8-9］；中国矿业大学采矿工程专业通过融入理论型实践、虚实结合的实验和实践教学、多元化的现场实践等形式，形成了以实践提升理论教学效果、以实验和现场实践提升实践能力、以科研活动提升创新能力的采矿工程创新人才培养“三提升”创新实践教学体系［10-13］。以上基于新时代智能化开采人才模式的探索，对于进一步研究如何培养学科基础扎实、创新能力强、综合素质高的智能开采专业人才，促进煤炭开采工业发展意义重大。

本文以西安科技大学采矿工程专业为研究对象，以国家改造升级传统行业及新工科建设为背景，以满足采矿工程基本能力培养、强化智能开采方向素质为基本思路，以解决传统采矿工程专业人才培养面临问题为切入点，探索了建立适应新时代智能开采需要的人才培养体系。

二、新工科理念下传统采矿工程人才培养存在的问题及升级路径

1.采矿工程的新工科建设内涵

采矿工程的新工科建设，即对传统的采矿工程教育进行转型升级，使之逐渐符合甚至引领世界采矿工业发展的趋势，培养能在矿山开采领域从事智能化开采设计与施工、生产与管理、科学研究等工作的应用型高级技术人才。采矿工程新工科建设内涵可从以下几方面阐释：

（1）树立新理念。充分认识到学科交叉、边缘学科等的融合创新，摸清行业发展现状，面向2030智能开采能源战略提前布局，树立培育符合行业发展需求、具有现代创新意识及综合能力的新工科智能开采人才培养理念。

（2）培育新人才。围绕新时代、新技术、新产业对工程技术人才培育需求，结合采矿工程基本能力要求，建立一批跨学科、多领域的新工科专业，以新工科的理念升级改造传统的采矿工程，力求培育能在矿山开采领域从事智能化开采设计与施工、生产与管理、科学研究等工作的应用型高级专门人才。

（3）融合新知识。以人工智能基础理论、自动化和智能采矿基本原理和技术为基础，围绕煤炭绿色智能采掘装备、煤炭无人智能开采技术等新兴产业，着眼新技术、新知识，大力发展交叉学科，逐步推进新技术发展与工程教育专业知识的融合，从而建立科学的新工科采矿工程教育人才培养知识体系。

2.传统采矿工程专业人才培养存在的问题及升级路径

依据国家政策导向、行业产业发展、高质量工程技术人才培养的新需求，传统矿业工程高等教育要在审视自身存在问题的基础上重新定位并打造升级路径，具体如图1 所示。

图1 传统采矿工程人才培养存在的问题及升级改造路径

（1）培养理念不适应。目前煤炭工业逐渐由劳动密集型升级为技术密集型，开始走智能、无人、安全开采之路，培养智能开采专业技术人才、满足煤矿安全高效智能开采需求迫在眉睫。当前，采矿工程培养模式多沿用数十年前的工程教育培养体系，培养理念与新时代智慧矿山建设背景不适应。因此，采矿工程教育应响应国家新工科改革理念，紧追采矿行业发展趋势，围绕智能开采进行人才培养，将互联网、人工智能、大数据等新技术融入教学内容，培养符合时代发展与产业行业要求的采矿工程高级专门人才。

（2）人才结构不适应。目前，传统型的采矿工程人才相对过剩，但基础、新兴、高端领域工程的科技人才相对短缺，不足以支撑煤炭行业智能开采转型升级的工程教育需求。因此，采矿工程教育要加速推进智能开采人才教育体系改革，做好工程教育的主动布局和深化改革，培育面向采矿行业发展前沿工程技术人才，否则将会延缓产业升级的进程。

（3）知识体系不适应。传统采矿工程教育知识陈旧，与行业产业发展存在一定脱节现象，学科专业仍按原有知识体系培养，灵活性不强，培养工程技术人才不具备适应新型市场环境及产业升级发展需求的创新应用技能。新工科建设背景下，应以新工科、新理念、新模式展开专项培养，通过一系列课程体系改革构建适应新时代知识框架体系，使学生成为具备可持续竞争力、丰富知识、过硬本领以及国际领先技术的创新人才。

三、西安科技大学智能开采人才培养模式探索

我国西部矿区煤炭资源丰富，煤炭产量占全国煤炭产量的50%以上。西安科技大学依托于近年西部煤炭资源大开发地理优势，学科建设取得了巨大成绩，逐渐形成了立足西部、层次完备、专业齐全的工程教育体系［14］。西安科技大学采矿工程专业是国家一流专业、国家特色专业、教育部卓越工程师计划实施专业和陕西省“一流专业”建设专业，采矿工程专业培养本科毕业生有60%以上服务于西部煤炭行业，且大多成为企业的技术与管理骨干。随着近年来企业转型升级和区域经济发展对采矿工程智能人才培养的需求不断加大，西安科技大学进行了人才培养模式探索。

1.“五育并举”设计课程体系

新工科理念指导下的智能开采人才培养课程体系既要能满足采矿工程基本能力要求，又要能强化智能开采方向的综合素质培养。西安科技大学智能开采人才培养从突出人格塑造和能力培养出发，构建了通识教育、学科基础教育、专业教育、实践教育、第二课堂教育“五大模块”，综合“大类人才培养”“本—硕—博贯通式人才培养”“卓越人才培养”等构建复合型人才培养模式，突出了针对煤炭智能开采工业发展的人才培养支撑，形成了既体现传统煤炭行业特色优势又紧扣“新工科”教育主题的人才培养课程体系（见图2）。

图2 智能开采课程体系

（1）在通识教育模块，注重了学生基本素质的培养，即满足采矿工程所需要的基本能力要求。因此，在这一模块普通采矿工程和智能开采培养方案中的课程设置是一致的。

（2）在学科基础教育模块，智能开采班在学科基础课部分删除了“岩石力学”（3 学分），将其调整到了后续课程中，增加了“机器学习导论”（2 学分）和“信号检测与自动控制原理”（2 学分）两门课，突出了智能开采相关知识的学习。

（3）在专业教育模块，将“矿山压力与岩层控制”课程（3 学分）变更为“岩石力学与岩层控制”（3.5 学分），增加了“岩石力学”方面的相关知识；将原来的专业必修课“采矿学”（4 学分）、“矿井通风与安全”（3 学分）、“井巷工程”（2 学分）以及“矿山机械”（3 学分）分别变更为“采矿学D”（4 学分）、“矿井通风与安全D”（2.5 学分）、“井巷工程D”（2学分）以及“矿山机械装备及其智能化”（3 学分），侧重对智能开采、智能通风、智能井巷建设以及智能机械等相关知识的讲解；增加了必修课“矿山开采智能感知与决策”（2 学分），选修课“矿业大数据及物联网”（2 学分）以及智能机器人导论“（2 学分），注重学习对智能开采核心技术及智能矿山建设相关知识的学习，突出对智能感知及决策、智能矿山建设、智能采掘及通风技术等相关能力的培养，使学生从理论到整体再到局部系统掌握智能开采知识脉络，培养学生从事智能开采方面的专业能力。

（4）在实践教育模块，重点突出学生智能开采理论知识在矿山应用方面的能力培养。首先，在“采矿学”及“矿井通风与安全”课程设计中加入“智能开采及通风”的设计环节，提升学生对智能矿山应用的理解；其次，在认识、生产和毕业三个实习阶段全部安排学生在具有智能开采工作面的矿山开展学习；最后，在毕业设计环节要求学生除完成设计外至少完成1 项关于智能开采方面的专题，培养学生矿山智能开采知识的应用能力。

（5）在第二课堂教育模块，学生需完成思想道德教育、专业能力拓展、体美教育、劳动教育等二级模块规定的内容和学分要求，同时必须参加学院及以上组织的矿业工程学科类竞赛至少1 次，进一步增强对学生的综合素质培养。

2.构建智能开采人才培养体系

基于对传统采矿工程人才培养模式存在的诸如培养理念不适应、人才结构不适应、知识体系不适应等问题的深入剖析，围绕智能开采人才培养目标，西安科技大学通过师资队伍建设、课程体系改革、实践基地建设等一系列举措，最终形成一套相对完善的智能开采人才培养体系，如图3 所示。

图3 智能开采人才培养体系

（1）师资队伍建设。智能开采人才培养是融合机械、电气、计算机、智能控制、信息等专业的跨专业培养，因此需要优化配置校内相关学科的专业教师资源。西安科技大学通过内培外引建设业务精湛、结构合理、充满活力的高素质专业化教师队伍。一是培养在职教师以适应智能开采的教学和科研工作为目标，结合各自承担的教学与科研任务，制定和完善具有针对性的、具体可行的在职培养计划，提高教学团队的智能采矿工程教育教学能力、指导实践能力及科学研究能力；二是通过引进具有信息技术和智能开采相关背景的、国内外著名高校工程专业博士及博士后，及聘任具有丰富工程实践经验的企业人员作为兼职教师。

（2）课程体系改革。如前所述，西安科技大学围绕智能开采人才培养进行课程体系改革，从通识教育、学科基础教育、专业教育、实践教育、第二课堂教育“五大模块”出发，通过新开课程、升级原有课程等措施调整课程体系。与之同时，统一协调校内能源、机械、电控、通信、计算机等相关专业的教师，并与其他煤炭行业特色院校一起编写相关教材。另外，通过校企联合的方式，即专任教师联合兼职教师编写指导书，建设基于现场工程实际的案例库。

（3）实践基地建设。西安科技大学在校内建立了设备先进、功能齐全的采矿工程专业智能开采实验教学中心，使之同时具备课程实验教学、科学研究和课外创新活动开展的功能；在校外与国家能源集团、陕煤、川煤等企业共建实践基地。

四、西安科技大学智能开采人才培养的成效

经过一系列探索实践，西安科技大学的智能开采人才培养兼顾了《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》与《工程教育专业认证标准（2018 修订）》的要求，形成了符合本校采矿工程专业实际的智能开采人才培养体系。

（1）形成了采矿工程专业智能开采人才培养新理念。新工科理念下的矿山开采涉及的学科，除了作为基础的力学、数学、地质学、机械制造、测量学、管理学、经济学、采矿学等学科以外，更应体现多学科的融合。西安科技大学以传统采矿学科为基础，融合社会学、自动化、信息管理与信息系统、云计算、智能信息与控制等学科专业，形成了以“专业化、国际化、智能化、无人化”为发展目标的采矿工程新工科培养体系，在明确智能开采科学内涵的基础上，按照工程教育专业认证的标准来制定详细的规划，逐一解决采矿工程新工科的培养目标、毕业要求及其达成度评价准则、课程体系及相应的知识模块、新工科工程实践基地构建与实践能力提升方式、师资队伍的培养等问题。

（2）树立了智能开采人才培养新目标。相比传统采矿工程教育而言，西安科技大学的智能开采人才培养目标是：培养具有良好的专业素养、人文素养、团队精神及国际视野，能适应社会、经济和科学技术发展要求，系统掌握人工智能基础理论、自动化和智能采矿基本原理和技术，能够在矿山开采相关领域从事智能化开采设计与施工、生产与管理、科学研究等工作，具备解决复杂采矿工程问题能力的应用型高级专门工程技术人才。

（3）优化了采矿工程专业智能开采课程及教学内容体系。基于采矿工程专业人才培养方案及提升传统采矿工业的需求，西安科技大学在传统的采矿工程专业课程内容的基础上，结合采矿工程智能开采培养目标，围绕通识教育、学科基础教育、专业教育、实践教育、第二课堂教育这五大模块，调整与优化了课程设置，更新了采矿技术装备机械化、自动化、信息化、智能化等方面的教学内容。

（4）搭建了采矿工程智能人才培养的实验教学平台与实习基地。西安科技大学先后建立了设备先进、功能齐全的采矿工程专业智能开采实验教学中心和采矿工程专业新型数字矿山实习基地。

目前西安科技大学通过制定的采矿工程智能开采人才培养方案，已经成功地开设了采矿工程智能开采特色班。西安科技大学基于新工科理念及社会需求背景、学校实际状况所探索的智能开采人才培养模式，作为传统采矿工程改造升级范例，将会不断总结经验且持续深入地进行下去。