基于大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程教學方法探析

楊德傳

摘 要：根據采礦工程專業(yè)本科生培養(yǎng)目標和礦山特殊開采技術課程特點，首先理清課程脈絡，分析課程教學的重難點。其次，結合我國五大區(qū)域（即華東、東北、華南、晉陜蒙寧甘和新青區(qū)）不同地質資源環(huán)境條件差異化、開采技術多樣性特點，通過案例分析“三下一上”開采影響及其防治技術；最后，闡述我國煤炭的綠色開采、能源的清潔高效利用和可持續(xù)發(fā)展方向。在教與學過程中教師除了發(fā)揮自身的主導作用，確立學生的主體地位外，在課程教學方面還應注重啟發(fā)式、案例教學和解剖式教學的綜合運用，運用理論與工程實踐相結合，著重培養(yǎng)學生解決工程問題的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

關鍵詞：礦山特殊開采技術；課程脈絡；教學重難點；教學方法；工程實踐；創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）19-0101-04

Abstract： According to the training objective of mining engineering specialty undergraduate and the course characteristics of special technology for coal mining， this paper firstly makes clear the curriculum context， and analyzes the emphasis and the difficulties of curriculum teaching. Secondly， based on the differentiation of different geological resources environment and diversification of mining technology of five regions in China， it analyzes the influence of "three unders and one above" （under water body， building and rail， and on karst water body） mining and the technology of prevention through cases. Finally， it expounds environmental protection for coal mining， efficient utilization energy resources， and the direction of sustainable development. In the process of teaching and learning， the teacher should play a dominant role and establish the students' subjective position； besides， the teacher should lay emphasis on comprehensive application of the heuristic teaching， case teaching and anatomic teaching， combine theory and practice， and stress the training of students' innovation awareness and ability of solving engineering problems.

Keywords： special mining technology； course structure； teaching difficulties； teaching methods； engineering practice； innovation ability

礦山特殊開采這門課是安徽理工大學采礦工程專業(yè)高年級學生開設的專業(yè)必修課，安排在第六學期計32學時，它是在修完主要專業(yè)課“煤礦地質”和“煤礦開采學”的基礎上進行。伴隨著經濟全球化和我國經濟運行的新常態(tài)，能源領域也一樣面臨供給側改革，“十三五”提出的創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放和共享五大發(fā)展理念，高校人才培養(yǎng)的根本目標就是培養(yǎng)具有國際競爭力的創(chuàng)新型復合人才，包含創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。我國從1999年開始的擴招以來，人才培養(yǎng)的批量化產出勢必導致畢業(yè)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的下降，難以適應我國新時期供給側改革對創(chuàng)新型復合人才的需求。為了實現工業(yè)4.0中國制造2025，培養(yǎng)創(chuàng)新型復合人才日益成為高校生存和發(fā)展的使命。目前，我國高校教育工作者在這方面已進行了一些有益探索，針對我校《礦山特殊開采技術》是一門理論與實踐相結合比較強的課程[1]，傳統(tǒng)填鴨式的講授方法不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。為了扭轉這種局面，因而在教學中有意識地運用啟發(fā)式教學、案例分析式教學、任務驅動式教學、問題情景式教學等教學方法[2，3]，有意識地調動學生思維的主動性，多方面提高學生創(chuàng)新地解決工程問題的能力。本文擬從課程脈絡、課程教學的重難點等方面入手，結合我國不同區(qū)域地質資源條件、環(huán)境與社會發(fā)展的差異化、開采技術多樣性特點，對“三下一上”開采提出了不同的要求，為此，在講授礦山特殊開采這門課時要綜合運用多種教學方法。

一、課程脈絡簡述

《礦山特殊開采技術》這門課主要圍繞不同地質條件地下開采引起地表移動變形的基本規(guī)律，在建筑物和構筑物下、鐵路和公路下、水體下和承壓水上（簡稱“三下一上”）開采的地表變形規(guī)律、判別方法和應采取的防護技術措施，開采沉陷的預計和地表移動變形的觀測；最后，介紹深部開采面臨“高應力、高瓦斯和高巖溶水壓和開采擾動”影響，及深部開采的巷道布置、開采部署和巖爆等礦壓控制對策；高瓦斯條件下的卸壓抽放及煤與瓦斯突出的防治及高地溫的防治措施；難采煤層開采的途徑，以及水力采煤、充填采煤及煤層氣開采特色和清潔能源的綜合利用。

《礦山特殊開采技術》課程的脈絡是以地下開采引起工作面覆巖運動形成的地表下沉盆地規(guī)律為主線，通過分析不同傾角下煤層開采引起主斷面內地表移動變形的一般規(guī)律，對“鐵路和公路下、水體下”采煤的特點，如何加強建筑物、構筑物的保護，對水體下采煤探討導水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律，尋求如何在水體下采煤時提高開采上限確保資源最大安全利用。在承壓水上采煤時，分析不同地質條件底板覆巖的破壞深度和承壓水導升高度，分析隔水層的隔水能力是否滿足安全開采要求，確定安全開采下限。

二、結合礦山開采現狀，分析課程教學的重難點

根據我國五大區(qū)域煤層地質條件和環(huán)境的差異性、復雜性和經濟社會發(fā)展不同程度等特點，在煤炭開采區(qū)，一般遵循由近及遠、先淺后深、先易后難、先優(yōu)后劣的開采原則。近年來，隨著我國華東、東北進入深部開采將面臨諸多技術難題，華東地區(qū)由于人口密集、經濟發(fā)達有更多三下壓煤難以采出，華南地區(qū)水患嚴重對開采不利。

目前，我國“三下一上”壓煤量多達140億噸以上，東北和華東地區(qū)大部分礦井已進入深部開采，同時可采資源量日益減少，開采成本和環(huán)境代價高。晉陜蒙寧甘和新青區(qū)資源量豐富，但是環(huán)境保護的壓力大，需要我們采取綠色開采方法，最大限度地保護生態(tài)環(huán)境。我國不同地區(qū)的各異性，要求我們選擇靈活合理采礦方法，在經濟、環(huán)境和社會發(fā)展三者之間取得最佳平衡，這也是我們學習這門課程的意義所在。

這門課程各部分教學重難點如下：

1. 地下開采地表移動盆地的變化規(guī)律，涉及到地下開采覆巖的垮落、斷裂破壞形式，工作面上下“三帶”空間形態(tài)及開采巖層移動的影響因素分析為教學重點。而上下“三帶”的形成及其空間形態(tài)和巖層移動變形影響因素也是教學難點。

2. 描述地表移動與變形的五大指標，地表移動盆地的特征、地表移動盆地在主斷面內移動變形規(guī)律，地表移動盆地三類邊界的確定，工作面推進過程中的超前影響、地表下沉速度及地表移動變形的規(guī)律是重點。其中地表移動盆地邊界的確定、工作面推進過程中地表移動變形規(guī)律也是難點。

在“三下”開采方面，重點是掌握鐵路、公路路基移動變形特征，鐵路、公路下采礦的技術措施及保護煤柱的合理留設。在水體下采煤要貫徹防水煤（巖）柱合理留設的具體原則，防水防砂安全煤（巖）柱留設，開采近距離煤層群時垮落帶和導水裂隙帶的高度計算。對協(xié)調開采、條帶開采、平行長軸開采、對稱背向開采、分層開采，房柱法開采，礦山充填體的作用機理，充填法開采地表沉陷控制的影響因素，膠結充填法和非膠結充填法管理頂板，覆巖離層帶注漿充填法，開采沉陷地面建（構）筑物的損害及其分級和預防加固措施。難點是水體下工作面開采垮落帶高度計算和近距離煤層群開采時垮落帶和導水裂隙帶的高度計算及礦山充填體的作用機理。

3. 在承壓水上開采方面，重點是掌握煤層底板突水的影響因素，承壓水上煤炭開采過程中底板下“三帶”演化特征及突水的動態(tài)機理，底板突水破壞深度的觀測與計算、承壓水導升帶高度的確定、有效隔水帶厚度計算及其阻水能力的確定，帶壓開采方案和帶壓采煤綜合治理技術方案。其中承壓水上采煤過程中底板破裂突水的動態(tài)機理，底板突水破壞深度的觀測與計算，承壓水導升帶高度和有效保護層帶厚度計算及其阻水能力的確定也是教學難點。

4. 在深部開采中，重難點是分析高應力、高瓦斯和高巖溶水壓和開采擾動影響，分析巖爆、沖擊地壓和煤與瓦斯突出機理，加強深部開采的巷道圍巖控制和高地溫防治是深部開采的技術難題；在構造復雜地帶開采重點是分析斷層與突水的關系，加強預防斷層突水和巖溶陷落柱突水技術措施。

5. 在開采沉陷和損害監(jiān)測這部分中，對“三下一上”地下開采引起地表移動變形測站的布置原則、布置方法及建（構）筑物下采煤時的觀測工作等是這部分教學的重難點。

6.在煤炭地下氣化部分中，重點掌握煤炭的地下氣化是能源清潔高效利用的發(fā)展方向，但目前尚處于實驗階段。同時，結合我國“十三五”時期煤炭的綠色開采、新能源開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展問題進行拓展講授。使學生總體上對我國能源發(fā)展現狀和發(fā)展方向有更清晰的認識。

三、課程的教學方法與實踐

《礦山特殊開采技術》涉及內容較多，不同地質條件下開采引起地表移動變形特征及描述地表移動曲線的變化規(guī)律，水力采煤法和充填采煤法已經成熟，條帶采煤法、深部開采、承壓水上開采與難采復雜煤層開采面臨的主要問題，煤炭地下氣化仍然是我國科學研究的前沿。根據礦山特殊開采技術這門課程特點，在課程教學方法選擇上應注重再現式教學、案例分析啟發(fā)式教學和任務驅動、解剖式教學，注重增強大學生掌握知識的主動性，同時引領學生自學能力的培養(yǎng)[4]。通過課程理論與實踐結合、版書和多媒體相結合多種教學手段，增強學生知識的遷移和開拓創(chuàng)新能力，這門課程在講授過程中應注重以下幾個方面：

（一）理論教學方法的多樣化

課程教學的目的應體現在如何提高大學生的實踐能力和創(chuàng)新地解決礦山工程實際問題的能力。基于上述教學目的，教學中有意識地設置問題情景，充分調動學生思維的主動性。針對具體工程問題先讓學生提出解決方案，然后點評各種方案優(yōu)缺點，增強“教”與“學”的互動性。對地下開采引起地表移動變形規(guī)律是研究建筑物下、鐵路下和公路下開采的技術理論基礎，在講授時，通過‘教使學生掌握不同地質條件下的地下開采對地表建（構）筑物、鐵路和公路造成的危害；在水體下采煤盲目提高開采上限而導致的透水事故案例，結合我國不同礦區(qū)的開采引起損害的大量圖片和視頻資料，加深學生對采動損害的直觀性認識。通過地下開采引起從開采空間到覆巖的“上三帶”和“下三帶”，結合PPT圖片直觀顯示上、下“三帶”的形成與發(fā)育特征。并通過突出“三帶”理論實測詳細討論不同條件下垮落帶和裂隙帶高度的計算公式，激起學生學習興趣。通過教師有“啟發(fā)性”創(chuàng)造性地教，搭起知識的階梯。通過‘學使教師了解學生學習上述相關知識的能力，通過對教材理論問題和工程實踐結合的探討，增強學生的實踐和創(chuàng)新能力；這些能力的提升要求學生主動地“學”、積極地和探知性地“學”。學生主體性體現在‘教與‘學過程中的主體地位，既體現在教學內容、教學深度和教學方法上以學生為主體，也體現在學生是教學活動的主角，教師在‘教與‘學過程中起主導作用，要求教師能駕馭礦山特殊開采技術這門課程，對本課程教材的知識結構、體系、內容章節(jié)加以梳理，厘清課程脈絡和主線，培養(yǎng)學生創(chuàng)新地處理復雜工程問題的能力。

（二）再現式、案例式教學，促進學生知識的融會貫通

礦山特殊開采技術是一門實踐性很強的課程，其主要內容涉及到開采沉陷的一般理論外，還涉及到協(xié)調開采、條帶采煤法、充填采煤法、水力采煤和煤的地下氣化等特殊開采方法[5，6]。這些開采方法通過視頻、案例進一步增強學生對這一部分知識的理解。對于煤層透氣性差可采用上行開采順序，利用卸壓抽放保護層瓦斯進行安全回采，實現礦井煤氣共采綠色發(fā)展；礦區(qū)煤炭開采引起的地表塌陷和生態(tài)環(huán)境惡化，在一定程度上是和垮落開采連在一起的，隨著我國“十三五”能源領域綠色開采和可持續(xù)發(fā)展理念，堅持煤炭的精準開采和煤氣共采是煤炭綠色開采的發(fā)展方向。在“三下”開采時盡量利用矸石或高水材料充填采煤法和條帶采煤法；在深部開采面臨的“高應力、高瓦斯和高巖溶水壓”和開采擾動誘發(fā)沖擊地壓、煤與瓦斯突出事故以及深部開采面臨的高地溫，分析其產生的機理，并加以防治。這些內容結合現場大量視頻和圖片展示，增強學生對采動損害有直觀性認識。在教學中輔以動畫再現式教學，從而促進學生掌握新知識取得較好的教學效果。綜上所述，再現式和案例式教學增強學生對新知識的融會貫通。

（三）以教學任務驅動，進行解剖式教學

在《礦山特殊開采技術》這門課程‘教與‘學過程中，考慮到學生群體中存在個體差異性，因而在教學中注重教學內容難與易的選擇，講授進度快與慢的選擇，以及采用教學方法的選擇。針對教學效果對不同個體存在的差異性，為了減少這種偏差，要求教師在教學過程中及時感知學生的個體差異性，以教學任務為綱， 通過解剖式教學對個體差異性進行有效地感知。在礦山特殊開采技術這門課程的教學中，通過對學生設置一些礦山開采的案例分析和工程階段性設計任務，使學生在完成這些任務過程中，通過對各知識點的梳理和運用，完成用所學知識解決具體工程問題，從而達到一定的教學目標。首先，通過任務的完成情況檢驗學生對所學知識的掌握程度，感知學生的個體差異性，從而調整相應的教學方法； 其次，通過學生對案例分析題或階段性工程設計中發(fā)現和提出的問題，為課程‘教與‘學提供有效對接的實在之‘物；最后，通過對學生提交的案例分析報告和具體工程設計說明書中存在的共性問題進行解剖式分析，進一步加深學生對所學知識的理解和鞏固，通過對具體工程問題進行思考和設計，使學生不僅掌握了相應的理論知識，而且鍛煉其積極思考解決具體工程問題的能力。

（四）通過課程教學，引領與拓展學生解決實際工程問題的創(chuàng)新能力

《礦山特殊開采技術》這門課所涉及都是煤礦企業(yè)在生產中遇到的工程問題[7]，因此，在講授這門課基本原理時，注重聯系煤礦企業(yè)生產作業(yè)現場的工程實際。

在礦山協(xié)調開采、條帶采煤法、保水開采、深部開采和煤炭地下氣化這部分章節(jié)內容的講授過程中，結合兩淮地區(qū)煤炭開采中遇到的實際工程問題以及國內其他礦區(qū)的工程實際，把礦山開采中的工程問題作為課題的研究背景、分析課題的技術路線、需解決的關鍵技術和取得相關的實測結果，作為這門課程教學過程中的素材傳授給學生，并根據礦山開采的實際條件和課程教學內容布置一定數量的課后作業(yè)，比如讓學生設計工廠的保護煤柱、水體下采煤合理開采上限的確定及在特殊與困難條件下的開采方法選擇等等。這些內容也是與學生畢業(yè)設計是緊密的相關的，介紹它們的原理、原則和可能的方法，通過完成相應的課后作業(yè)，使學生在課程學習過程中就對畢業(yè)設計有了一些大體認識，通過課程的“教”與“學”，引領和提升采礦專業(yè)學生在解決具體工程問題時的實踐創(chuàng)新能力。

（五）把學生領向深部復雜條件下開采和我國能源綠色開采、可持續(xù)發(fā)展的前沿

隨著我國煤礦主體已進入深部開采，深部開采面臨更加復雜的地質構造和“三高一擾動”影響，出現巖爆、高地溫熱害和煤與瓦斯的動力災害，同時，承壓水上開采有很多需要解決的技術難題——這些問題都是科研的前沿。在講授特殊開采技術這門課時，既講授其基本原理，讓學生掌握分析具體問題的方法和思路，對深部開采和復雜條件下開采面臨的難題，指明應解決的關鍵技術，有意識地把學生引向深部開采、復雜條件和煤炭地下氣化技術問題研究的前沿。

面對煤礦地下開采對礦山及其周圍環(huán)境造成嚴重的破壞，首先要實行水資源保護——形成“保水開采”；其次，是“煤與瓦斯共采”技術，它是我國礦山綠色開采的發(fā)展之路；再次，就是利用殲石充填有效控制和減輕地下開采形成的地面塌陷問題[8，9]。根據煤礦礦區(qū)地形、水文地質條件和建、構筑物抗變形能力，土地與建筑物保護，采用條帶開采技術和對開采形成的離層注漿[10]，減小地表變形破壞程度。

在我國進入十三五時期，我國能源領域的供給側改革，要求礦山企業(yè)走煤氣共采的綠色發(fā)展之路，促進能源的高效清潔利用[11]。同時，還要積極開發(fā)新能源和可再生能源，更加注重經濟效益與環(huán)境保護并重的發(fā)展之路，實現能源的可持續(xù)發(fā)展。

四、結束語

《礦山特殊開采技術》這門課程的‘教與‘學，都是以對方互為存在的條件，是一對相互依存的對立統(tǒng)一體。通過對礦山特殊開采技術課程的“脈絡”內容、教學重難點、教學方法和工程實際，教學過程中講授我國能源發(fā)展的現狀和前沿，使學生了解我國能源發(fā)展中存在的問題和發(fā)展戰(zhàn)略，從課程教學實踐中得到了如下結論：

1. 首先是在明確教學目標的基礎上，厘清課程脈絡、明確課程各部分重難點是教好礦山特殊開采技術這門課程的基礎，把握課程內容的理論與工程實際相結合是教好礦山特殊開采技術這門課程的保證，領會課程教學目的是教好礦山特殊開采技術的關鍵。

2. 在礦山特殊開采技術這門課程的整個教學過程中，應始終堅持一個教學目標，即引導學生掌握礦山特殊開采技術中的理論知識，以及應用這些知識去解決具體工程問題。為了達到上述教學目的，要求教師在教學方法上采取多種教學方法相結合，增強教學的互動性、學生主體性和知識建構性等教學理念運用，而且還要求在教學內容、教學目標上加強與工程實踐相結合，通過案例和具體工程問題的設計，提高大學生的解決具體工程問題的能力。

3. 礦山特殊開采這門課程內容主要涉及地下開采引起地表移動與變形的規(guī)律，以及“三下一上”特殊開采技術、深部開采和煤炭地下氣化技術，結合我國五大區(qū)域差異化的開采現狀和特點，以及特殊開采技術與學生畢業(yè)設計具有緊密的聯系性，因而，在教學過程中要注重培養(yǎng)學生學會綜合運用所學知識處理復雜工程問題的創(chuàng)新能力。

4. 結合礦山特殊開采技術這門課程的特點，在課程教學方法的選擇上應注重采用案例再現式教學、啟發(fā)式教學和任務驅動、 解剖式教學方法的綜合運用，對個體差異的學生注重因材施教。同時，結合我國五大區(qū)域煤炭開采差異化的現狀，探討我國煤炭開采的綠色發(fā)展方向、能源領域的清潔高效利用和可持續(xù)發(fā)展問題，拓展學生的知識視野，適應社會發(fā)展對高層次、復合型人才的需要。

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