“虚实结合”的矿山开采安全实验教学模式研究.pdf

120/矿业装备 MINING EQUIPMENT管 理0 引言采矿技术装备智能化、信息化的快速发展，改变了传统的矿山开采方式，对安全工程专业人才工程实践能力提出了新的要求1。同时，相对其他专业而言，安全工程作为传统高危行业，其实验教学涉及大量高成本、高消耗、不可逆的实验项目，实验教学开展困难2。教育部高等教育司吴爱华等人在高等工程教育研究上发表题为加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济的文章3，正式提出发展和建设“新工科”的观点。要求高校从课程体系建设、教育教学方式改革、学生创新创业能力培养等多个角度着手，实施工程教育人才培养的“新模式”。因此，以新旧动能转换为契机，以支撑新技术、新业态、新产业、新模式为目标，改革实验教学模式，培养满足行业发展需求的新型工科人才是高校安全工程专业亟待解决的问题4。由此，围绕“新工科”建设要求，紧扣安全行业信息化、自动化、智能化发展趋势，通过有效利用在线课程平台、虚拟仿真教学平台等信息化教学手段，并与传统实验教学方法紧密结合，总结出了针对采矿中安全问题的一套行之有效“虚实结合”实验教学模式。1 矿山开采安全实验课程特点1.1 涉及知识面广矿山开采分为露天开采和地下开采两类。一种露天煤矿端帮采排充开采方法与流程如图 1 所示，露天开采流程具体有穿孔、爆破、采装、运输和排土等。相比与露天开采，地下开采作业流程更为繁琐，开采过程中必须综合考虑地质、丈量、开掘、爆破等各类因素，合理“虚实结合”的矿山开采安全实验教学模式研究 贾新磊 许兰娟（山东滨州学院安全与工程学院，山东滨州 256600）摘要：采矿流程繁琐，安全隐患众多，开采安全问题一旦发生，会给人民的生命财产安全造成重大损失。根据“新工科”建设要求，以安全工程专业及矿山开采安全技术管理需求和技术发展为导向，有效利用在线课程平台、虚拟仿真教学平台等信息化教学手段，并与传统实验教学方法紧密结合，总结出一套行之有效的“虚实结合”实验教学模式。完成虚-实教学内容分配，设计课前-课上-课后现场及虚拟平台教学方法与教学手段，并建立与之配套的实验课程考核体系。新教学模式的研究有助于安全工程专业知识体系和人才培养模式更新，对于提升实验课程教学质量、提高学生的工程实践能力具有重要意义。关键词：虚实结合；实验教学；矿山开采安全；教学模式改革基金项目：滨州学院 2021 年度校级重点实验技术项目“新工科背景下安全工程专业虚实结合的实验教学模式改革与探索”（编号：BZXYSYXM202104）图1 一种露天煤矿端帮采排充开采方法与流程2023.9 矿业装备/121选择开采方式，保证矿山安全开采5-6。每种开采方式的安全隐患有一定的相关性，同时也存在着巨大差异。由于矿山开采方式及影响因素的多样性，实验课程涉及知识体系庞杂。1.2 实验教学开展困难安全实验教学主要以演示型/验证型实验为主，设计型实验较少；由于专业实验尤其是非独立设课实验课时的限制，学生无法进行系统学习；矿山开采作为传统高危行业，其实验教学涉及大量高成本、高消耗、不可逆的实验项目，实验教学开展困难7-8。1.3 教学模式和方法单一现有的实验课程教学完全采用传统的实验教学方式，通过教师现场讲解、演示、指导来完成教学过程，或者完全依赖虚拟仿真系统，教师无法很好的把控学生学习质量。另外，现有实验课程的考核方式一般采用出勤和成绩作为衡量学生的评定标准，忽视了学生自身的操作性及创新能力的培养。1.4 实验设备有限由于采矿安全实验所需设备种类繁杂、价格昂贵、占地面积大且利用率低，因此只能购买有限设备用于教师实验演示或学生分组教学时使用。受到实验设备和实验课时数的限制，无法保证每个学生均有动手操作的机会，致使学生对相应实验操作只停留在理论认识阶段，难以领会实验操作的关键点。2 采用“虚实结合”实验教学的必要性2.1 传统实验教学优势和局限虽然传统实验教学模式简明、清晰，有利于学生对相关结论的认可、理解和记忆，也有利于教师对整个教学过程的控制9，但其弊端显而易见：第一，传统实验教学中老师起主导作用，学生通过老师讲解演示实验流程进行学习，由于课时有限，学生无法动手实操，极大抑制了学生的主观能动性和自身的创造力。第二，学生按照规定步骤进行机械操作，造成学生无法在新知识中获得新奇感，降低学生学习的兴趣。第三，传统实验教学重结果轻过程，在实验教学中更加重视实验结果的准确性，往往忽视培养学生的观察问题、发现问题、解决问题的能力。2.2 虚拟教学优势和局限虚拟仿真教学系统可以通过各种仿真软件模拟整个开采工艺流程，可实现真实场景的可视化，从而加深学生对知识的理解，提高学习效率；虚拟仿真实验可以打破时间和空间限制，学生可以在任何时间和地点设计并完成安全设计性实验，进行相关安全性知识的学习10；整个实验过程无需接触任何危险设备，实验安全性得到保证。虚拟教学虽然具备很多优势，但仍存在一定局限性：第一，虚拟仿真软件过于系统化的设计，难以模拟真实情况下的各类突发情况，不利于学生应急能力的培养。第二，学生通过线上各类仿真软件进行学习时教师无法掌握各位学生的学习状态和进度，师生之间缺乏互动使得课堂枯燥乏味，严重影响教学进度。第三，虚拟教学时学生脱离小组群体，作为独立个体进行操作，不利于学生团队合作意识的培养11。2.3 实践教学采用“虚实结合”模式的必要性通过开展矿山开采安全“虚实结合”的实验教学将虚拟仿真实验、在线课程教学与传统实验教学深度结合，充分发挥虚拟实验的优势，弥补传统实物实验的不足。选取安全工程专业部分实验课程或实验项目开展混合式教学模式探索，将实验步骤、仪器设备使用方法等内容安排在课前通过在线学习平台完成，从而充分利用现场实验教学时间进行师生交流，实现知识的内化和提升。同时，该教学模式围绕“新工科”建设“问产业需求建专业”、“问技术发展改内容”、“问学生志趣变方法”的行动方案，根据“新工科”建设要求，改革安全工程专业实验教学模式。助于安全工程专业知识体系和人才培养模式更新，对于提升实验课程教学质量、提高学生的工程实践能力具有重要意义。3 虚实结合实验教学体系构建在分析安全工程专业现有实验课程体系的基础上，根据实验项目的特点确定实验教学方式，并针对虚拟平台教学建立学习质量监控和保障机制，确保“虚-实”教学均取得预期效果。“虚实结合”的实验教学模式具体研究内容包括实验课程体系构建、实验教学方法构建、实验课程考核体系构建三方面，如图 2 所示。3.1 “虚实结合”实验课程体系构建课前通过查阅相关文献，在充分调研矿山行业需求的基础上对现有采矿工程专业实验课程进行分析，系统梳理安全工程专业现有实验内容，适当调整、新增实验122/矿业装备 MINING EQUIPMENT管 理项目，按地下矿、露天矿开采工艺分别整合为两个综合实验课程模块。对每个模块的实验项目进行分类，将对实验场地、仪器设备要求不高、实验内容简单、危险性低的实验项目安排在实验室进行；而高危、高成本、高消耗、大型或综合训练等类型的实验则通过虚拟仿真软件或半实物仿真系统来完成。通过实验项目分类和整合，形成“虚实结合”的实验课程体系。3.2 “虚实结合”实验教学方法构建针对目前专业实验学时普遍偏少的问题，探索线上-线下混合式教学方法。课前，学生需使用在线学习平台或手机 APP 完成仪器设备使用方法、实验步骤等内容的学习并完成简单的线上作业；实验课上，通过实际操作、师生讨论、提问等环节实现知识的内化；课后，学生还需在线上完成某些实验项目的虚拟仿真操作，以确保每个同学都有动手操作的机会。通过课前-课中-课后从线上到线下再回到线上的混合式教学，实现教学方法的“虚实结合”。3.3 “虚实结合”实验课程考核体系构建传统的非独立设课的实验成绩评定一般以学生的实验报告作为主要依据，而独立设课的实验则通常抽取 1个实验项目作为考核内容，考核方法相对单一，无法全面考查学生的工程能力。本课题拟按照“基于产出的教育”（Outcome-based Education，OBE）理念，以毕业要求达成度为主要评价依据，将学生课堂操作、实验报告与虚拟仿真操作考试、现场实操考试等环节相结合，探索“虚实结合”的实验课程考核评价体系。4 结束语围绕“新工科”建设要求，紧扣安全行业信息化、自动化、智能化发展趋势，利用在线课程平台、虚拟仿真教学平台等信息化教学手段，并与传统实验教学方法紧密结合构建了“虚实结合”实验教学体系，将虚拟仿真实验、在线课程教学与传统实验教学深度结合。“虚实结合”实验教学体系的构建将学生难以想象和理解的平面图示转换为可操控的软件模型，加深学生对知识的理解，提高学习效率，形成以学生为主导的交互式学习氛围。教学研究成果不仅有助于安全工程专业知识体系和人才培养模式的更新，对于安全工程、地质工程及相关工科专业的实验教学均具有较高的参考价值。参考文献1 盛建龙,叶义成,刘晓云,等.基于新工科的安全工程专业创新人才培养模式初探-以武汉科技大学为例 J.高等工程教育研究,2018(5):83-87.2 徐剑坤,王晓振,周蕊,等.安全工程实验实践教学虚拟仿真软件的开发与应用 J.教育教学论坛,2019(37):109-110.3 吴爱华,侯永峰,杨秋波,等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济 J.高等工程教育研究,2017(1):1-9.4 任保平,宋雪纯.“十四五”时期我国新经济高质量发展新动能的培育 J.学术界,2020(9):58-65.5 刘海滨.露天采矿工程中的采矿技术实践研究 J.世界有色金属,2020(23):27-28.6 王宏达.露天矿采空区与火区作业环节安全控制与监管J.露天采矿技术,2016,31(9):119-121.7 徐剑坤,王晓振,周蕊,等.安全工程实验实践教学虚拟仿真软件的开发与应用 J.教育教学论坛,2019(37):109-110.8 张曦,马衍坤,刘健,等.安全工程专业实验教学新体系的构建研究 J.实验室科学,2022,25(2):120-122+126.9 刘银萍,彭端,蒋力立.创新实验教学与传统实验教学的比较 J.广东工业大学学报:社会科学版,2010,10(5):27-30.10 付百学,朱荣福.新工科背景下虚实结合的实验教学模式研究 J.黑龙江教师发展学院学报,2021,40(5):40-42.11 丁保淼,常慧玲,高梦祥,等.基于虚实结合的食品工艺学实验教学模式探索 J.轻工科技,2020,36(12):122-123.图2 “虚实结合”实验教学体系