《矿井设计》课程的教学改革研究——以湖南科技大学为例

张自政，余伟健，李青锋，于宪阳，吴海

(湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭)

一 引言

《矿井设计》是采矿工程本科教学中一门重要的专业基础课，主要介绍矿区及矿井设计的基本原理和设计方法等内容；是后续的特殊开采、南方煤矿开采技术等专业选修课程的基础，在采矿工程专业培养计划中占有重要地位。本课程主要培养学生的矿井设计知识的应用能力、探索性学习能力，加深学生对矿井设计内容的理解和掌握，初步具有设计方案达到技术先进、经济合理、安全可靠的创新与设计能力[1]。然而，随着技术经济的发展和环保理念的提升，本课程多年固定的教学内容和教学方法已经严重滞后于社会发展和行业对采矿工程专业毕业生能力的要求。根据讲授本课程的教学经验和在煤炭开采方面的科研经历，分析《矿井设计》课程教学中存在的问题，本着教学内容“全而不散”和教学目标“学以致用”的原则提出相应的课程教学改革举措，并在《矿井设计》教学实践中得到初步应用，取得良好效果。

二 课程教学中存在的问题

（一） 教学内容滞后行业技术和社会经济发展

采矿工程专业目前使用的教材为汪理全和郑西贵教授等编写的《煤矿矿井设计》（2008年的第1版和2013年的第2版），主要参考书为孙宝铮等编写的《矿井开采设计》（1986）、徐永圻主编的《煤矿开采学》（1993）、煤矿矿井采矿设计手册编写组编写的《煤矿矿井采矿设计手册》（1982）。后几者均为20年前的旧有教材或者设计手册，知识内容陈旧，滞后于行业技术现状，没有包含智能化矿山、矿山环境保护和高产高效矿井运输系统相关内容。《煤矿矿井设计》（2013版）包含了矿区中体规划设计、矿井设计、矿井开拓方案设计案例、准备方式设计及准备方式方案选择示例、井底车场设计、采区车场设计、采区硐室设计、采煤方法设计、采动治理设计、无煤柱开采设计、煤与瓦斯共采设计、巷道高效掘金与支护设计、掘进工作面/采煤工作面作业规程编制共15章内容。可以看出，虽然该版教材重点突出了矿井设计当中各组成部分这一核心问题，但对矿井开拓、准备和采煤等基础知识内容过于详细，与已有专业课程“煤矿开采学”有较多重叠，而反映矿山智能化工程问题、高产高效矿井运输系统和学科前沿的知识相对缺乏，很难让学生全面了解当前智能化建设和高产高效矿井的特点和问题[2-3]。

（二） 教学方法落后

目前，该课程的教学模式主要以“课堂面授”理论教学模式为主，即教学内容以教材为中心，通过幻灯片向学生教授，课堂互动限于传统模式；教学过程以“教”为中心，学生“学”占比较低。湖南科技大学采矿工程专业分别在2013年，2016年和2020年通过了工程教育认证,培养要求即明确了学生接受采矿工程师的基本训练，掌握矿山规划与开采设计、资源开采与管理等多方面的基本能力[4]。这一教学方法忽略了工程教育认证提出的OBE教学理念，即成果导向教育。具体来说，目前的教学方法仍然是首先设计课程体系和教学策略，最后确定教学目标，该方法与OBE工程教育理念恰恰是相反的。

（三） 教学课时分配不合理

课程结构涉及煤矿开采学、井巷工程和矿山压力与岩层控制，内容丰富广泛。一方面，学生所用教材共十五章，以32学时完成理论上不能完成的教学内容，只能压缩章节或删减部分次重要内容，使知识结构不完整，影响学生对知识的掌握和应用。另一方面，现有教材内容与煤矿开采学、井巷工程和矿山压力与岩层控制均有重叠部分，目前各课程之间重叠内容教学深度广度也不尽相同。整体来说教学课时分配不合理，前序课程和后续课程重叠内容缺少动态协调[5]。

随着煤矿智能化建设的发展、高产高效采掘运装备的提升和社会生态环境保护的加强，矿山工程领域将呈现出新技术、新装备和新理念的交叉融汇，如何在有限的课程学时内，既覆盖矿井设计的基础知识，又把这些新技术、新装备和新理念背后的矿井设计基础知识加入教材、融入课堂，并且在教学过程中切实培养学生初步具有设计方案达到技术先进、经济合理、安全可靠的创新与设计能力，这是摆在本课程教学面前迫切需要解决的重要问题。因此，“矿山井设计”课程教学改革势在必行。

三 课程教学改革措施

由于《矿井设计》课程对采矿工程本科生培养立足于掌握煤矿设计过程中矿区及矿井设计的基本原理和设计方法，培养学生的矿井设计知识的应用能力、探索性学习能力，加深学生对矿井设计内容的理解和掌握，初步具有设计方案达到技术先进、经济合理、安全可靠的创新与设计能力。因此，针对该课程存在的上述问题，从教学内容、教学方法和教学模式三个方面提出教学改革举措，具体为教学内容专题化，突出矿井设计基础知识，彰显智能化、高产高效和安全环保矿井特色，同时优化编排内容，达到主次分明；丰富教学手段，多采用知识视觉化，加快学生的感知速度，以减少因学时少对教学效果带来的影响；采用“研究探讨性”教学方法，调动和发散学生思维，使学生形成“问题与矛盾意识”，达到学以致用。

（一） 专题化教学内容和优化编排结构

首先将《矿井设计》课程内容分为基础专题和特色专题两大部分。基础专题包括矿区总体设计、矿井设计（包括安全专篇）、矿井开拓/准备和采区设计等三篇基础内容，重在强化学生对矿井设计的基本知识掌握。特色专题突出智能化、高产高效和安全环保矿井特色，选取智能化采煤工作面和智能化掘进工作面建设及其作业规程编制、井底车场和采区车场连续高效辅助运输系统选型及建设、无煤柱开采/充填开采/煤与瓦斯共采等绿色开采技术设计及应用等三大特色专题，重点面向行业技术发展和社会环保需求，培养学生掌握新时代背景下煤矿设计的新理念、新技术和新方法，各模块的章节和具体内容（见表1）。

重新编排后的基础专题中，打破了目前教材的编写结构顺序，从新时代发展背景下矿区总体规划和当下要求的智能化高产高效绿色矿井建设设计出发，对新建矿井设计的各组成部分出发，对新建矿井设计每一部分基础概念都进行讲授，更利于学生结合前述《煤矿开采学》课程掌握主要基础知识。更重要的是对每一部分内容结合采矿工程学生毕业设计要求进行扩展，不仅加深了学生对矿井设计各部分内容的掌握，还为后续最后一学期开展毕业设计打下良好基础。

在特色专题的编写中，根据现在行业技术发展态势和学科专业趋势，专门增加了矿山智能化相关内容、高产高效矿井专题、安全环保矿井专题和综合应用专题。在各特色专题内容中结合前述的基础专题知识和工程实例，把特色类的矿山设计问题建立统一的设计思路，在这种“特色”与“实例”中强化了基础，增加了知识的系统性和应用。

（二） 重点知识“动”起来，线上线下教学齐开展，丰富教学方法

目前的《矿井设计》讲授主要还是采用传统的PPT作为教学工具，辅以课堂板书。可以确认的是，课程知识的PPT演示或者板书在带领学生同步思考，引导学生思路上具有一定的优势，但也容易造成许多教学内容由于学时不足而不得不放弃，这不符合采矿工程专业对矿井设计知识的需求。再者，传统的PPT教学过程中仅仅是将众多文字内容放在演示文稿里面，缺少针对矿井设计流程或专题设计当中的专门动画演示或者现场视频演示，教学手段相对单薄。为降低学时对教学效果的限制，重点知识“动”起来，本课程主要从两个方面丰富教学方法：

（1）重点设计流程知识演示动画或者现场短视频。矿井设计当中每一部分的设计基础知识相对比较理论化，其设计流程和设计原则是严谨的，对于初次涉及矿井系统设计的学生，应淡化基础知识，重在激发学生学习兴趣，加深对矿井设计全系统流程的理解。因此，在优化改革后的PPT教学当中重点增加动画演示和现场视频展示，提高信息化教学水平，进而提高学生课堂学习的专注度，加深本专业系统设计流程的逻辑思维。如无煤柱开采设计这一节安全环保矿井专题内容，笔者上课时准备了3dmax制作的动画向学生展示无煤柱沿空留巷工艺全过程（见图1），通过重点知识动起来，让学生视觉上感受无煤柱沿空留巷工艺和其中的关键设计问题，加深学生对相关知识点的认知和理解。实践证明，重点知识动起来的教学手段能达到事半功倍的效果。

图1 无煤柱沿空留巷工艺全过程

（2）线上线下混合式教学，延长学生学习时间。

限于本课程32个学时，本课程教学时长相对较短，这就需要利用现代信息技术延长学生学习实践，突破师生互动囿于课堂的情况。因此，在课程教学期间启用了超星学习通APP进行线上教学以补充线下教学时间，通过将相关PPT和课程中间的重要动画内容上传到学习通平台（见图2），在话题讨论板块定时上线不同的讨论话题（见图2），全方位延长学生学习时间，实现“师生”和“生生”之间的长时互动。

图2 学习通平台课程资源

（三） 科研成果转化为本科课堂教学资源

一方面，教育部“关于进一步加强高等学校本科教育工作的若干意见”中明确指出：“要积极推动研究性教学，提高大学生的创新能力。”另一方面，工程教育认证所要求的成果产出导向理念，“强调专业教学设计和教学实施以学生接受教育后所取得的学习成果为导向，并对照毕业生核心能力和要求，评价专业教育的有效性”。这就促使笔者建立以“学生掌握知识”的成果产出导向思想，不再完全按照传统的教学大纲进行，而是通过引入问题激发学生学习的兴趣，培养学生掌握分析问题和解决问题的思路和方法，达到学以致用的目的。根据笔者所在研究团队多年的科研项目攻关经历，笔者将团队相关科研成果积极导入课程相关内容，如无煤柱开采设计、煤与瓦斯共采设计等安全环保矿井专题内容。如在讲解无煤柱开采设计时，首先在课堂讲授实现无煤柱开采的两种类型（充填沿空留巷和切顶沿空留巷），再具体以某个煤矿工作面充填沿空留巷为具体案例，详细向学生介绍如何设计巷旁支护关键参数、巷内加强支护参数、巷旁充填工艺和临时支护工艺，最后通过播放现场开展的实际视频工艺进一步强化学生了解无煤柱开采设计流程。

《矿井设计》是一门专业知识宽泛和理论丰富的课程，并且随着行业技术发展一直处于动态发展阶段，如何构建师生课堂内外连通互动、拓展知识平台是教学改革的目的，也是一项长期而艰巨的工作。为了追踪学科发展的前沿，保持教学内容的先进性，适应社会对人才“知识面宽、创新能力强”的要求，本课程教学改革还有许多方面需要深入研究与探索。