《采礦學》本科專業教材建設改革與實踐

王青，顧曉薇，邱景平，孫曉剛

摘要：教材是傳授知識的主要載體，是對課程內容體系的集中反映，也是學生獲取知識的主要來源。東北大學《采礦學》教材是在過去幾十年不斷地教學研究、實踐和改革中形成的，對于采礦工程專業課的教學質量和人才培養質量的提高具有十分重要的意義。根據采礦工程學科專業培養情況，就《采礦學》本科專業教材改革與實踐做一些探討。

關鍵詞：東北大學；《采礦學》；本科專業；教材建設

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）10-0031-04

一、概述

當今世界綜合國力的競爭，說到底就是人才的競爭，只有擁有了一流的人才，才有可能擁有未來。對于高等教育，培養造就富有創新精神和創新能力的卓越工程人才，既是歷史賦予高校的重任，也是我國應對新一輪科學技術革命和知識經濟挑戰的必然選擇。東北大學作為我國設立礦業工程學科最早的地礦類高校，在總結以往人才培養實踐經驗的基礎上，圍繞如何為社會培養具有全面創造性、技術性卓越工程人才這一問題，在開展教學體系改革的同時，積極開展《采礦學》教材建設與改革工作，努力探索和實踐新的人才培養模式。本文根據采礦工程學科專業培養情況，就《采礦學》本科專業教材改革與實踐進行探討與總結。

進入二十一世紀，采礦技術發展十分迅速，發展主趨勢從之前的以機械化和大型化為主，轉向全面信息化、數字化、自動化，與采礦直接相關的理論和方法也隨之發生了深刻的變化。在發達國家，地下鏟運、鑿巖等設備的自動導航和遙控操作、露天設備的無人駕駛和自動調度、全數字化優化設計等，已經在采礦實踐中得到較廣泛地應用。近年來出現的一個最新趨勢，是高度重視采礦與生態環境的協調，盡量降低采礦對生態環境的沖擊，盡快恢復采礦損毀區域的生態功能。我國大型礦山實現了機械化開采，也實現了一定程度地信息化和自動化，如露天礦運輸系統自動調度、選礦流程自動監測和控制、采礦方案的CAD設計等。

上述采礦科學技術的發展，對采礦專業人才的知識結構提出了新的要求，對采礦專業課程的內容體系提出了新的要求，對相應教材的內容體系也提出了新的要求。采礦專業課程的教材不僅需要涵蓋基本采礦方法和工藝，而且需要涵蓋現代采礦科技要求的新理論和新方法，如礦山計算機建模理論和方法、開采方案和各種參數的優化理論和方法、礦山項目的經濟評價方法、采礦對生態沖擊的量化理論和方法以及生態恢復等。

采礦科學技術發展對相關專業知識的系統性也提出了更高的要求，采礦專業人才應是具有系統性專業技術知識的綜合人才。過去以采礦工藝過程劃分的課程與教材體系結構，難以實現各工藝環節知識的系統貫通。例如：爆破只講述爆破相關知識，沒有把什么樣的爆破參數設計應用于什么采礦方式方法和工藝環節進行有機聯系；巷道支護只講述支護方式及其在給定載荷下的設計計算，沒有把不同支護方式與它們所適用的那些采礦方法的具體巷道工程進行有機地聯系等等。因此，采礦工程的專業教材在內容體系上，必須把相關專業知識以采礦方式方法和工藝過程為主線融會貫通，實現高度地知識系統性。

我國經濟高速發展對礦產的巨大需求，需要利用越來越多的國外礦產資源。越來越多的礦業公司和采礦技術與管理人員走出國門，在國外從事礦產開采。而我國礦業在項目評價、設計、管理理念、方法和手段上與國外有較大的差別。這就需要采礦專業的知識結構能夠兼顧國內的實用性和與國際的接軌，以便我國的采礦工程技術和管理人員在國外從事采礦時，能很快適應國際技術經濟環境，促進國外資源的開發利用。因此，采礦工程的專業教材在內容體系上必須兼顧國內現實和與國際接軌。

東北大學《采礦學》教材針對上述需求并基于多年教學經驗、多方反饋和大量調查研究編寫而成，其內容體系在培養滿足現代采礦科學技術要求的綜合技術型和國際化專業人才中，正在發揮重要的作用。

二、教材改革與建設目標

《采礦學》教材總體建設目標：以教材為載體，推動教學內容體系的改革和完善，不斷提高采礦專業人才的培養質量，使之適應采礦科學技術的發展要求。

在內容上，《采礦學》融入了過去教材中沒有的、在國內外采礦實踐中應用較成熟并在高效采礦上（高經濟效益、高生產率、低生態沖擊）發揮重要作用的理論和方法，如礦床數值模型的建立、邊界品位的確定與優化、露天開采最終境界優化設計、生產計劃整體優化、地下開采“三律”（礦巖移動規律、地壓顯現規律、巖體冒落規律）、露天礦GPS調度、技術經濟評價、采礦生態壓力和生態成本等。針對我國礦業公司越來越多地走出國門開發利用國外礦產資源的需要，在知識內容上兼顧國內應用和與國際的接軌。

在體系結構上，以采礦方式方法和工藝過程為主線，把相關知識和技術融會貫通，形成一個完整地體系。例如：在論述某一地下采礦方法的結構、采準工程布置以及爆破、落礦、出礦等工藝中，有機融合相關工程的參數設計、爆破設計、支護方式和適用設備選型等的相關理論和計算方法；在論述露天開采工藝中，有機融合各工藝的參數設計、設備選型配置、自動化調度等，并講述相關的優化理論、模型和算法。

針對采礦工程機構和開采過程的時空性強、靠平面三視圖難以建立完整的時空概念這一教學難點，《采礦學》教材配發了一套采礦工藝環節的三維動畫短片，有效解決時空概念的建立問題。針對采礦工程教學有很強地實踐性的特點，《采礦學》教材配發了“露天礦優化設計軟件系統（教育版）”及實例數據庫，學生可以用來鞏固所學知識、提高知識運用能力，并可用于課程和畢業設計。

三、教材建設主要研究范圍與實踐內容

《采礦學》的編著者們長期從事采礦工程專業的教學工作，注重總結教學經驗、收集反饋信息；注重掌握和跟蹤國際、國內采礦領域的科學技術現狀和發展趨勢以及教學方法、課程設置和教學手段；注重研究總結采礦工程專業課程的教學難點和解決辦法。

在采礦工程專業的課程內容體系方面，系統收集了美國、歐洲和我國一些大學的采礦工程專業課程所用教材，認真研究其知識體系結構設計。把所有課程依據內容歸納為幾個知識板塊，分析了這些學校采礦工程專業知識體系和教材的特點、優點。與美國南伊利諾大學采礦系教授、工程學院院長合作完成了論文“A REVIEW OF THE EVOLUTION OF MINING ENGINEERING CURRICULUM（采礦工程課程設置演化的回顧與評述）”，在2011年土耳其伊斯坦布爾召開的第22屆世界采礦大會（22nd World Mining Congress）上發表，引起國際采礦界不小的反響。基于上述研究并針對我國采礦工業的特點和對人才的需求，形成了改革完善采礦工程專業課程體系的指導思想和結構框架：采礦方法、工藝技術等“硬技術”與經濟技術評價、決策和優化、生態化開采等“軟科學”并重；強化應用數學和力學基礎；國內實用與軌跡接軌兼顧。這一體系適應了現時和今后一個時期信息化、數字化、自動化、生態化采礦技術的發展對具有系統性現代專業技術知識的綜合采礦專業人才的需求。

作為采礦工程專業課的主導教材，《采礦學》在內容體系設計上充分體現了上述指導思想和體系框架，做到采礦方法、工藝技術等“硬技術”與經濟技術評價、決策和優化、生態化開采等“軟科學”并重。在硬技術方面系統全面地更新完善了典型采礦方法、工藝和技術、設備，充分體現國內外在相關領域應用較成熟的最新研發成果。在軟科學方面，系統論述了為高效采礦服務的經濟技術評價與決策、數字建模、參數和方案優化等理論、方法、模型和算法。在具體的設計和計劃程序與方法方面，既論述我國礦山設計和生產中廣泛應用的程序和方法，又介紹國際（主要是發達國家）廣泛應用的與我國有明顯區別的程序和方法。這樣，使用該教材教學，培養的人才不僅具有滿足我國現時和將來一個時期采礦業發展的需要，而且滿足走出國門開發利用國外礦產資源的需要。

在教學方法和手段方面，《采礦學》的編著者們經過深入研究總結出采礦工程專業課的教學難點：

1.三維空間概念的建立。采礦中各種工程有很強的空間性，各種工程、巷道的布置及其相互之間的銜接，相關幾何參數的設計計算，都要求學生能夠建立起一個完整的空間三維概念。過去只能借助平面三視圖憑想象來形成空間結構，教學時費時且效果不佳。

2.時序概念的建立。采礦不同于一般工廠的生產，后者的作業場地是固定的，而采礦中作業場所和對象是隨時間以一定的順序移動的。這就需要學生掌握采礦過程的時空發展程序，靠靜態圖解很難達到好的教學效果。

3.實踐性強。課堂上講采礦方法、工藝時，為了具有普遍性，用的大都是典型方案。而采礦的一大特點是地質條件千差萬別，實踐中的方案與典型方案有較大地差別。把學到的一般知識應用到實踐能力必須通過親自動手來培養，而這是難以在課堂上實現的。

針對頭兩個教學難點，《采礦學》的編著者們花費大量時間研發了一系列采礦工程結構、工藝環節的三維動畫短片，作為教學輔助手段與《采礦學》教材一起發行。應用這些動畫短片，可以在很短時間內使學生建立起三維空間概念和時序概念，而且學生需要時在課余可以反復演放。這些教學輔助手段大大拉近了教學與實踐的距離，提高了教學效果。

針對第三個教學難點，《采礦學》的編著者們專門研發了“露天礦優化設計軟件系統（教育版）”，配以真實礦山的實際地質數據庫和使用說明書，與《采礦學》教材一起發行。使用這一軟件，學生可以自己動手，應用課堂學到的知識，對露天礦山進行優化設計，做出設計、計劃方案，既深化了對所學知識的理解，鞏固了知識的掌握，又培養了應用所學知識解決實際問題的能力和獨自確定參數、方案的技術決策能力。這一軟件還可用于課程設計和畢業設計，在很有限的時間里提高設計水平，鍛煉設計能力。

四、教材改革建設創新與特色

1.教材改革建設創新。

（1）理論與內容創新?！恫傻V學》在內容上實現了重大突破，體現了采礦工程專業的專業課教學理念和模式的創新。我國一直到上世紀末，采礦工程專業的專業課教學一直沿用以工藝技術為主導的模式，只注重把礦石采出來所需要的工藝技術知識。這一模式在計劃經濟以及向市場經濟轉變的過渡時期，發揮了重要作用，培養了國家急需的采礦技術人才。當市場經濟占主導地位后，礦山企業面臨的不僅僅是按照給定產量把礦石采出來的問題，生產經營的幾乎所有方面都需要企業在國家和地方法律、法規下自主決策。是否投資于一個礦山項目、應規劃多大的開采規模、什么樣的生產計劃能帶來最大的經濟效益等等，都需要工程技術和管理人員具有經濟、技術決策和優化的知識。而且，進入二十一世紀，礦山企業不但需要關注經濟效益和技術效率，同時需要關注生態效益和社會效益?！恫傻V學》在內容體系上實現了這一重要轉變，創新了教學理念和模式，不僅更新完善了采礦方法和工藝技術等“硬技術”，而且把技術經濟評價、決策和優化、生態化開采等“軟科學”放在同樣重要的位置，并與硬技術有機融合，形成了一個適應時代需求的、新的采礦專業知識體系。

（2）結構創新。《采礦學》在上述知識體系的結構方面，以采礦方式方法和工藝過程為主線，把相關基礎知識、技術和優化決策融會貫通。例如，在論述某一地下采礦方法的結構、采準工程布置以及爆破、落礦、出礦等工藝中，有機融合相關工程的結構參數設計、爆破設計、支護方式和適用設備選型等的相關理論和計算方法；在論述露天境界設計和采剝計劃編制中，從傳統的過程與方法逐步過渡到優化理論、模型和算法，在露天開采工序中有機融合各工序的參數設計與優化、設備選型配置、自動化調度等。這樣，硬技術與軟科學之間、仍然發揮作用的傳統方法與應用較成熟的新成果之間、國內實用方法與國際的接軌之間，實現了融會貫通，形成了一個新的、完整的體系結構。

（3）實踐創新?！恫傻V學》注重教學實踐的創新。針對前述采礦工程專業課教學實踐中的難點（即，三維空間概念和時序概念難以建立、實踐性強），《采礦學》的編著者們研發了一系列采礦工程結構、工藝環節的三維動畫短片，研發了“露天礦優化設計軟件系統（教育版）”，并配有真實礦山的實際地質數據庫。這些研發成果有效解決了采礦教學三大難點問題，大大提高了教學效率和效果，培養了學生應用所學知識解決實際問題的能力。

2.教材改革建設特色?！恫傻V學》在促進采礦工程專業課教育教學改革方面，尤其是內容體系的改革上，發揮了重要作用。其特色主要有以下三個方面：

（1）內容新，具有顯著的時代特色。作為專業知識載體的教材，《采礦學》充分體現了采礦科技和社會發展對采礦專業人才的知識結構提出的時代性要求。如今的礦山企業不能單純追求經濟效益和技術效率的最大化，同時需要關注生態效益和社會效益?！恫傻V學》在內容體系上體現了這些時代性需求，把技術經濟評價、決策和優化、生態化開采等“軟科學”放在同樣重要的位置，并與硬技術相輔相成。

（2）系統性強，具有完整的體系特色?！恫傻V學》不是在過去教材的基礎上加入新東西的簡單堆砌，它是以采礦方式方法和工藝過程為主線，把相關知識、技術和方法融會貫通，形成一個完整的知識體系。例如，就爆破技術而言，除具有共性的基礎知識外，在每一采礦工序中都闡述了針對該工序具體需要的爆破參數的設計計算、器材選擇等。巷道掘進技術、地壓控制技術、落礦出礦、優化與決策方法等也類似編排。這樣，學生學習每一項單體技術和方法模型時，就掌握了其在采礦中的應用位置；在學到每一工藝、工序時，就掌握了需要用到的合適技術和理論方法。這一體系上的特色，大大提高了知識的連貫性和學生應用知識的能力。

（3）教學針對性強，具有很強的實踐性特色?！恫傻V學》十分注重采礦工程專業課教學不同于其他課程的特點和難點，有針對性地研發了一系列采礦工程結構和工藝過程的三維動畫短片，有效解決學生在建立三維空間和時序概念中的困難；開發了“露天礦優化設計軟件系統（教育版）”并建立了真實礦山的實際地質數據庫，用于培養學生的實際動手能力和知識運用能力。這些動畫短片和軟件系統是提高教學質量和人才培養質量的有力支撐。

五、教材改革建設綜合水平與成效

1.教材綜合水平。在知識結構體系上，《采礦學》不僅凝結了大量的教學實踐經驗和反饋意見，而且納入了國內外采礦工程的專業課教材及相關課程的優點。在《采礦學》的形成過程中，系統收集了美國、歐洲和我國十多所在采礦專業領域典型大學的采礦工程專業課程設置和所用教材，認真研究其課程知識體系結構和教材的特點、優點，博采眾長，形成了改革完善采礦工程專業課程知識體系的指導思想和結構框架。在此基礎上，深入研究了國內外廣泛應用的采礦技術的現狀和發展趨勢，抓住信息化、數字化、自動化、生態化開采這一采礦科學技術的時代發展主旋律，提出了一個完整的知識體系?！恫傻V學》的知識結構體系充分體現了采礦科技的新成果、新發展，實現了相關知識板塊的融會貫通，既具中國特色又與國際接軌，達到了世界先進水平。

《采礦學》不僅僅是一本書，它所承載的是具有時代性、實踐性和方向性的采礦工程專業科技的知識體系。《采礦學》的十幾次的印刷、在全國的大量使用，本身就是這一教學成果水平的證明。

2.教材改革建設成效。

（1）與教材建設相對應的教學改革及課程建設成效?！恫傻V學》教材及其承載的采礦課程內容體系，是在過去約15年中不斷地教學研究、實踐和改革中形成的。《采礦學》第一版被列入教育部普通高等教育“九五”規劃教材，得到學校的資助。2004年由該教材編著者主講的采礦學課程被評為校級精品課程，在學校的資助下經過四年的建設，2008年該課程被評為國家精品課程，獲得教育部和學校的資助，課程建設成果及其教學和課程體系改革成果于2009年獲得遼寧省教學成果一等獎。在上述課程建設項目的支撐下，針對教學和課程體系改革需求以及教學實踐與反饋，對《采礦學》實施再版，并列入教育部普通高等教育“十一五”規劃教材，于2011年4月完成改版工作，出版發行。

（2）教材應用及推廣成效。作為采礦工程專業課的主導教材，《采礦學》在內容結構體系上的時代性和系統系已經得到業界的廣泛認可。這一教學成果在全國范圍得到廣泛應用。據冶金工業出版社不完全統計，使用《采礦學》教材的有東北大學、北京科技大學、中南大學、重慶大學、昆明理工大學、西安建筑科技大學、內蒙古科技大學、遼寧科技大學、河北理工大學、山東理工大學等高等院校，以及貴州、甘肅、福建、重慶、浙江等地的學校和企業?！恫傻V學》在方法和理念上注重與國際采礦實踐接軌的特點，也適應了越來越多的礦業公司走出國門開發利用國外礦產資源需要，受到許多礦山企業管理者的青睞，把《采礦學》作為培訓教材和參考書使用。

《采礦學》第一版被列入教育部普通高等教育“九五”規劃教材，于2001年1月由冶金工業出版社出版發行，先后九次印刷，印數25000冊，發行量之高在這一時期冶金類專業教材中是少見的。基于多年的教學實踐和來自各方的反饋意見，并針對該書出版以來采礦技術的發展現狀與趨勢，2005年著手再版工作和相關教學輔助手段的研發，《采礦學》第二版被列入教育部普通高等教育“十一五”規劃教材，于2011年4月出版發行。第二版的發行速度比第一版大大增加，在短短的一年半時間內，印刷了三次，總印數達12000冊，已發行10430冊，在冶金工業出版社2011和2012年度出版的所有書籍中發行量排名第一。這充分證明了《采礦學》的應用范圍和應用程度。

在實施效果上，《采礦學》首先是更新完善了在信息時代、礦業全球化和可持續發展背景下需要的采礦工程專業知識體系，為培養符合時代要求的采礦工程專業人才提供了知識載體。其次，《采礦學》充分注意到采礦工程專業課教學的難點對教學效果的影響。一系列采礦工程結構、工藝環節的三維動畫短片在教學中的應用，可以在很短時間內使學生建立起三維空間概念和時序概念，并大大拉近了教學與實踐的距離，提高了教學效果。使用“露天礦優化設計軟件系統（教育版）”及其真實礦山的實際地質數據庫，學生可以自己動手，應用課堂學到的知識進行優化設計，做出設計、計劃方案，既深化了對所學知識的理解，鞏固了知識的掌握，又培養了應用所學知識解決實際問題的能力和獨自確定參數、方案的技術經濟決策能力，提高了教學效果和人才培養質量。

我國是礦業大國，在多種礦產的產量和需求量上都位居世界第一，但我國尚不是礦業強國。走向礦業強國需要掌握信息化、數字化、國際化、生態化礦產開發知識的大批專業人才?！恫傻V學》為適應這一需求而生，已經在全國范圍的采礦專業人才培養中發揮重要作用，必將在走向礦業強國的道路上繼續發揮作用。這一教學成果具有非常廣泛的應用前景。

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