新工科背景下突显模拟矿井特色的实验实践教学体系构建

摘  要：基于新工科背景下的“强实践”人才需求，传统实验实践教学已不能满足要求，该文提出突显模拟矿井特色的实验实践教学体系，有望成为解决实验实践瓶颈的有效手段。通过基于模拟矿井特色的实验实践教学体系的构建，有助于提高教学效果和人才培养质量。第一，能保障学生实验实践安全，使用模拟矿井开展实验实践教学，将学生置身于虚拟事故矿井发生地，解决实习环境危险和学生难以深入现场的问题；第二，能高效助力实验实践效果，模拟矿井主要服务于采矿工程和安全工程等专业，培养学生现场生产操作技能，提高教学质量和效果；第三，由于模拟矿井具有多模块化的特性，能丰富传统的教学方法和实验内容，实现实践工程的直观呈现性；第四，能调动学生学习主动性，通过模拟矿井实验实践教学系统，可将采矿工程和安全工程专业的课程理论教学和实验教学有机融合。最终，可提高学生运用知识的综合能力和解决问题的能力，激发学习主动性和创造性。

关键词：模拟矿井；实验实践；教学体系；新工科；煤矿

中图分类号：G641      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）31-0116-05

Abstract： Based on the demand for "Strong Practice" talents in the context of "New Engineering"， traditional experimental practice teaching can't longer meet the requirements. This paper proposes an experimental practice teaching system highlighted the characteristics of "simulated mine" is expected to become an effective means to solve the bottleneck of experimental practice in this paper. The construction of an experimental practice teaching system based on the characteristics of "simulated mine" helps to improve teaching effectiveness and talent cultivation quality： Firstly， it can ensure the safety of student during the experimental practice. It can place students in the birthplace of virtual accident mines， and solve the problems of dangerous internship environments and difficulty for students to go deep into the field by simulated mine. Secondly， it can efficiently assist in the effectiveness of experimental practice， simulate mine mainly serving majors such as Mining Engineering and Safety Engineering， and cultivates students' on-site production and operation skills， and improve teaching quality and effectiveness. Thirdly， due to the multi- modular nature of simulate mine， it can enrich traditional teaching methods and experimental content， and achieve intuitive presentation of practical engineering. Fourthly， it can mobilize students' learning initiative. The theoretical courses and experimental teaching of Mining Engineering and Safety Engineering can be organically integrated by "simulated mine" experimental practice teaching system. Finally， It can enhance students' comprehensive ability to apply knowledge and problem-solving abilities， stimulate their learning initiative and creativity.

Keywords： simulated mine; experimental practice; teaching system; new engineering; coal mine

新工科产生的背景主要源于新经济的发展对传统工程专业人才培养提出的严峻挑战[1-2]。“世界新一轮科技革命和产业变革同我国转变发展方式的历史性交汇”为推进我国领跑型社会主义新型工业化建设提供了历史性机遇，构成了以新工科建设为标志的工程教育改革创新的外在机遇和内在动力[3]。相对于传统的工科人才，未来新兴产业和新经济对新工科人才的需求将偏向于“工程实践能力强、创新能力强、具备较强竞争力的高素质复合型人才”[1-3]。新工科人才的培养是在总结卓越工程师教育培养计划、CDIO等工程教育人才培养模式改革经验的基础上，开展深化产教融合、校企合作的机制和人才培养模式的不断改革与实践[4-6]。这对煤炭行业的人才培养也提供了良好机遇和严峻挑战。

煤炭资源是国家能源安全的重要保障，中国工程院《中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究报告》中明确提出“煤炭在相当长时期内，仍将是保障我国能源安全稳定的基础能源”。由此可见，煤炭资源在相当长的时期内仍将是我国的主要能源[7-8]，煤炭资源不仅为我国经济社会发展提供了60%以上的基础和支柱性能源保障，同时也是长期以来国家工业的支柱行业，煤炭行业的转型升级可以说对于我国整体的产业升级都具有重要作用[9]。然而我国煤层赋存条件差异大[10]，且高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层多[11]。煤炭开采的各个环节与流程都面临严峻挑战。而煤炭高效开采离不开新工科背景下的“工程实践能力强、创新能力强”的复合型技术人才，也离不开专业化设备与装备的支持。随着我国矿山企业发展壮大，对技术人员实践实操能力需求也日益增加。

贵州煤炭资源丰富，素有“西南煤海”之称[12-13]，煤炭资源的高效开发离不开高等院校的“工科”人才培养。贵州理工学院（以下简称“贵州理工”）作为省内一所工科优势高校，在本科人才培养上，具有以工科为特色，理工文复合的新型人才培养体系的特征，逐步形成“重工厚理、强管兴文、交叉融合、突出特色”的学科建设思路。为适应新时代新工科宏观背景下的人才培养要求，结合贵州煤炭资源丰富的省情与贵州理工的办学特色，贵州理工矿业工程学院以新工科建设为重要抓手，积极探索符合采矿工程和安全工程专业人才培养模式，提出从人才培养理念、课程体系、实践教学方式等多方面入手，尤其是实验实践教学的改革与探索显得极其重要，在人才培养中占有举足轻重的位置，而煤炭行业属于高危行业，要坚守弘扬生命至上、安全第一的思想，为了确保煤炭领域的学生能高效开展实验与实训，对矿业类专业（采矿工程、安全工程）的实验实践教学体系的探索迫在眉睫，具有重要的研究价值。

一  采矿工程和安全工程实验实践教学现状与存在的问题

（一）  实验实践教学现状

采矿工程和安全工程都是系统性、专业性、复杂性的学科[14]，其中采矿工程专业涉及煤矿开采、巷道掘进、巷道支护等环节，需要学习的理论课程包括煤矿开采学、井巷工程、矿山压力与岩层控制、煤矿地质学等；安全工程专业涉及安全工程设计、安全风险评估、安全评价、安全监察与监管、安全检测与监控、安全生产组织管理、安全教育与培训和应急救援等方面，需要学习的理论课程有灾害学、安全系统工程、通风与安全、应急救援理论与技术等。目前实验实践教学的主要实施方式是指导老师先讲解课程实验原理，然后讲台上给学生示范实验过程和仪器使用步骤，学生分组进行简单操作得出实验数据，填入实验报告表格，因此，这种方式会导致学生实际动手参与的机会偏少、互动性较差、教学效果不佳。

现场（矿井）实践教学是采矿和安全工程本科教学阶段的重要一环，学生需要在指导教师陪同下深入煤矿一线矿井下进行实践，由于较多客观因素也会影响实践教学效果。例如2023年3月笔者带领安全工程专业学生到黔西青龙煤矿开展毕业实习（图1），深深感受到目前的实践教学环节模式比较单一，主要是由于矿井一线井下地质条件复杂，进入一线采煤工作面后，基于安全考虑，学生在生产现场无法操作设备，仅仅是短暂的参观，更不能实操互动，学习效果较差。

然而，采矿和安全工程的相关专业课程的高效教学，不仅需要学生掌握理论知识，更需要培养综合能力，尤其是实操和创新能力，但是目前的专业课程实验实践教学单调，学生兴趣普遍不高，因此，教师需要在实验、实践环节中挖掘出更加创新的手段和方法，充分结合贵州理工学院正在建设的“模拟矿井”综合实验平台，可把采矿工程和安全工程专业学生带到模拟矿井中开展学习，能让学生互动、实操，提高学习兴趣，提升教学水平和质量。

（二）  存在的问题

基于采矿工程和安全工程实验实践教学现状分析，目前的实验实践教学体系主要存在以下问题。

1）教学模式单一化：实验室教学环节，学生在指导老师讲解后按照实验要求开展“流程化”实验，一般采矿工程和安全工程专业的实验教学是参观模型，大部分是教师讲解、学生听课，传统的实验教学手段、方法与实验内容相对单一，无法很好地调动学生的积极性。

2）安全风险大：校外的现场（矿山）实践环节中，学生要深入煤矿一线实地学习，但目前由于矿井一线条件欠佳、光线暗及环境复杂（图2），基于学生安全考虑，且学生未经过专业的培训，面对矿井下复杂多变的环境要素，安全风险较大，因此，学生只能参观生产设备，无法参与操作，更不能互动，导致学习效果差。

3）学生参与感低：长期以来由于受到办学条件和实验平台等因素的影响，采矿工程和安全工程的实验实践课程目前主要以讲授为主、学生参与为辅助，教师在讲台上讲课、演示，学生被动地听，简单模仿，甚至到现场（矿山）实践环节，很多矿山规定不让女学生下井，导致女学生在本科学习全过程中都无法感受煤矿生产场景（图3）。可见，目前的实验实践过程常出现师生交流缺乏、没有活跃的学习讨论氛围，学生参与感较低。

4）学生心理负担重：因为矿井环境的复杂性和采矿施工的危险性，在现实生产中不乏发生爆炸、中毒和矿井塌陷等事故，不仅事故本身给下井工作者带来损害，也给采矿和安全工程专业的学生在现场（矿井）实践学习时带来一定的心理负担。

5）现场（矿山）实践时间和设备资源有限：一方面采矿工程和安全工程的专业实验课时和现场矿山实习机会相对较少，不利于学生实验操作[15]；另一方面矿井下大多数设备价格昂贵，且一直在正常运转，导致在有限的时间内能参观到的煤矿开采和安全管理设备都很少。由于资源有限，学生往往只能简单观看煤矿企业的技术员操作，这限制学生对知识的拓展，学生难以真正理解设备的工作原理和过程，那么就会影响学生专业抽象思维的形成和理论知识的巩固。

综上，采矿和安全相关专业在当前煤矿实习中总会遇到各种各样的问题，同时实习成本居高不下，造成实践实操困难，矿井实际生产条件复杂，安全风险大，而矿井又不可能停止生产活动来让学生进行真实实践，导致实习效果差，远远达不到预期效果。这就迫切寻找一种既能达到教学效果，又安全可靠方便的实习模式。在面临此种“实验实践瓶颈”的情况下，模拟矿井应运而生了。为了提高采矿工程和安全工程等相关专业实践教学效果，增强人才培养的社会适应性，贵州理工学院筹建了“模拟矿井”。