地理空間信息技術支持下采礦工程專業實踐教學的改革研究

【摘要】 針對采礦工程專業面臨新的挑戰和發展機遇的問題，本文以國家“卓越工程師教育培養計劃”為契機，依托地理空間信息技術，對采礦工程專業的實踐教學內容體系進行了優化與重組，探索了全球定位系統、遙感和地理信息系統三種技術支撐下的采礦工程全過程優化的研究方案，并在此教學研究與改革過程中，強調堅持圍繞質量意識、精品意識和成果意識來推動采礦工程專業的發展，從而達到提升采礦工程專業學生行業應用能力的目的。

【關鍵詞】 采礦工程；實踐教學；教學研究與改革；地理空間信息技術

1 引言

采礦工程專業是培養具備礦業工程學科的寬厚基礎知識和專業基本技能，能在金屬、非金屬、化工和能源等行業從事礦物安全高效開采的科學研究、技術開發、行政管理、文化教育、項目規劃與設計、基建施工和生產經營等方面的工作，適應社會主義市場經濟發展的高級工程技術人才［1］。它具備很強的實踐性，在本科的四年培養過程實踐教學包括實驗、實習、設計等實踐環節。武漢理工大學是首批列入國家“211工程”重點建設的教育部直屬重點大學，采礦工程是學校211工程重點建設和發展的優勢學科，擁有礦業工程一級學科博士學位授權點、2個二級學科博士學位授權點、1個博士后科研流動站、1個湖北省重點實驗室。經過50余年的建設與發展，本學科總體實力進入國內先進行列，已成為促進我國礦業工程領域技術進步和高層次人才培養的重要基地。

但是，隨著采礦技術的不斷革新與發展，傳統采礦工程工藝已經產生了巨大變化［2］。特別是隨著地理空間信息技術應用的深入和滲透，它作為數字礦山的基礎核心技術，由全球定位系統（GPS）、地理信息系統（GIS）和遙感（RS）三部分組成，簡稱“3S”技術，已經在礦山開發的多個工藝環節得到應用，發揮了重要作用，取得了積極的效果［3］。因此，有必要對采礦工程專業的實踐教學培養體系進行相應的調整優化，以適應生產的需要。

2 指導思想

以地理空間信息技術為核心提升建設傳統采礦工程專業，把采礦工程專業辦成從事固體礦床開采的“大采礦”專業，培養“適應能力強、實干精神強、創新意識強”具有國際競爭力的新型采礦工程“三強人才”。即在確保現有理論課時總體平衡的前提下，以專業實踐教學內容改革為核心，根據國家對采礦學科的要求和采礦科技發展狀況，按照“寬口徑、厚基礎”的“大采礦”模式，對專業實踐教學內容體系進行整體優化和重組，課程中要充分反映地理空間信息技術對采礦工程全過程的支撐作用。新的實踐教學體系既要吸取先進采礦國家采礦專業課程體系優點，又要結合我國采礦業的實際情況，具有前瞻性和實用性。同時，在這個過程中兼顧我校另外與采礦工程關聯度較高的一級學科——安全工程的發展，形成我校采礦工程明顯的安全特色。

3 實踐教學內容優化方案

3.1 基于全球定位系統的優化方案

GPS系統作為一個空基無線電衛星導航定位系統，它利用空間衛星和對應的接收機為全球提供全天候高精度的三維坐標、三維速度和時間，共七個指標時空信息，地球表面和其上方任何地點都可以以無源方式接收并用于定位導航，主要由空間導航衛星、地面監控站和用戶設備三部分組成［4］。國內外已經將GPS技術用于露天礦開采設備的跟蹤、調度、控制，同時在礦山的高陡邊幫、排土場等區域的地質災害監測與預警也得到了充分應用。以全球定位系統為核心，輔助全站儀和數字水準儀，搭建數字礦山智能導航與實時監測實驗平臺，對“礦山測量”、“礦山提升與運輸”、“礦床露天開采”、“爆破工程”等課程的實踐內容進行優化設計。通過智能化的測量機器人、三維激光掃描儀、GPS定位系統及其配套軟件，在基礎層次上要求學生獨立完成礦山地形、開采進度及現狀、井巷等工程測量，并在此基礎上進行測量數據的處理等；在更高級層次上，則通過礦山設備定位與跟蹤實驗、運輸調度系統設計與優化實驗、鉆孔設備鉆進導航實驗，拓展并提高學生獨立完成礦山設備調度、運輸系統優化、安全監測與預警、開采量估算等能力。

3.2 基于遙感技術的優化方案

遙感技術是20世紀60年代興起并迅速發展起來的一門綜合性探測技術。它是應用人造衛星、飛機或其他探測儀器，不與探測目標相接觸，從遠處收集地物目標的電磁輻射信息，通過分析，揭示出物體的特征性質及其變化的綜合性探測技術［5］。國內外已經將遙感技術用于露天采礦活動的動態監測，可全面掌握礦產資源的開發利用現狀。以遙感影像數據處理為核心，搭建礦山環境衛星遙感監測實驗平臺，對“礦山測量”、“資源數字化技術”、“地質學”、“礦業技術經濟學”、 “資源與環境”等課程的實踐內容進行優化設計。通過高分辨率遙感影像的解譯和模式識別，將其同PSInSAR、GPS和GIS進行有效集成，形成多源遙感數據礦區環境與災害信息精準監測實驗教學體系，設計高光譜和高空間分辨率數據礦區植被退化、尾沙、廢礦堆積等多參數遙感精準提取實驗，GPS、PDA、RS和遠程數據傳輸集成的礦區野外巡查系統開發綜合實驗，以及礦業擾動區地質災害和生態環境變化監測與預警綜合實驗。在教學實踐過程中，重點是針對國家關注的礦產資源違法采礦和破壞性開采，以及由此造成的滑坡、崩塌、地面沉降、地裂縫等地質災害和植被退化等生態環境破壞重大問題，培養學生對礦業活動引發的地質災害和生態環境的多源遙感精準監測技術與提取的實際操作能力，有助于學生形成預報預警實時化、自動化的思維，提高非法采礦監測和國家重點礦山管理的技術水平。

3.3 基于地理信息系統的優化方案

地理信息系統是由計算機系統、地理數據和用戶組成，通過運用地理信息科學和系統工程理論，科學管理和綜合分析各種地理數據，提供土地利用、資源管理、環境監測、交通運輸、經濟建設、城市規劃以及政府部門行政管理等任務所需要的各種地理信息的技術系統。國內外已經將地理信息系統技術用于礦山生產的安全開采及監測管理中。以地理信息系統為核心，結合虛擬仿真技術，搭建礦山虛擬與數字化拓展實驗平臺，對“資源數字化技術”、“巖體測試技術”、“爆破工程”、“礦山設計原理”等課程的實踐內容進行優化設計，結合我校已經購買的SURPAC和3DMine軟件，通過三維虛擬仿真環境，升華露天開采課程設計、地下開采設計、工程設計數字化訓練、畢業設計等教學實踐環節。要求其掌握礦山數字化和可視化的方法，建立礦山地質數據庫、礦體塊體模型和實體模型；達到拓展學生數字化設計能力、三維視景空間理解能力，提高學生礦山數字化意識目的。

4 實踐教學相關措施

在利用地理空間信息技術對采礦工程專業實踐教學進行優化過程中，我們堅持圍繞著強化質量意識、精品意識和成果意識，強化優勢和突出特色來展開，并以此推動采礦工程專業的整體發展。

以學生創新項目形式激發學生參與實踐教學興趣。結合我校每年設立的開設創新性設計實驗、大學生科研創新計劃項目等構建創新的實踐教學體系，包括教學觀念的調整、實踐教學內容的改革和創新以及實驗技術和手段的改革和創新。

以不同層次實驗類型布局強調實踐教學側重點。將實驗分為驗證性實驗、設計性實驗以及綜合性實驗。驗證性實驗在理論教學課時內進行，設計性實驗和綜合性實驗按課群單獨開實驗課。課程設計提倡以實際系統為主，硬件設計和軟件程序設計并重。

以教師隊伍的建設切實提高實踐教學質量。堅持主講教師是實驗教學的第一責任人的制度。主講教師根據實驗平臺的建設實際，負責相關實驗或實驗課程內容的設計和實驗大綱的制訂，并且承擔至少一個班的實驗教學任務；實驗指導教師負責相關實驗教學的實施，主講教師和實驗教師密切配合，共同完成實驗教學任務。

5 結束語

采礦工程專業屬于應用型工科專業，隨著科學技術的發展，必將面臨著新的挑戰和發展機遇，要求必須能切合生產需要，將新型科技手段同傳統采礦問題進行交叉，不斷革新采礦工程本科教學的實踐教學體系，從而使學生對礦山開采過程的規劃、設計、施工及經營管理和工礦企業的安全環境檢測與監測、安全監察與管理、安全設計與生產、安全教育與培訓等方面的能力有整體的提高。

參考文獻

［1］ 吳浩、袁艷斌、黃解軍等. 復合型新專業畢業設計模式的研究與實踐［J］. 高校教育管理，2007，1（4）：86-89

［2］ 邵登陸、岳宗洪. 采礦系統工程的發展現狀與新趨勢［J］. 中國礦業，2008，17（9）：99-102

［3］ 吳立新、殷作如、鐘亞平. 再論數字礦山：特征、框架與關鍵技術［J］. 煤炭學報，2003，28（1）：1-7

［4］ 劉基余. GPS衛星導航定位原理與方法［M］. 北京：科學出版社，2008，1-35

［5］ 褚進海、彭鵬、李鄭等. 遙感技術在礦山遙感調查與監測中的應用［J］. 安徽地質，2009，19（3）：194-199

基金項目：湖北省教學研究項目《礦物資源工程專業課程數字化建設與實踐》（編號：20070096），主持人：池秀文。武漢理工大學教學研究校級重點項目《行業背景下GIS卓越工程師培養的創新實踐模式研究與實踐》（編號：2011049），主持人：吳浩。