基于OBE的采礦系統工程課程教學模式改革

汪朝，聶興信，顧清華，李俊平

一 引言

采礦系統工程是由系統工程學與采礦工程學相結合而形成的一門交叉學科，它是以運籌學、現代數學、信息網絡技術、計算機技術為工具，以系統工程的理論方法為指導，對礦山工程的規劃、設計、建設、生產和管理等環節進行局部或總體優化[1]。這門課是在學生學完通識基礎課與采礦工程專業核心課后開設的一門專業選修課，其目的是讓學生掌握采礦工程優化的基本理論與方法，能夠運用數學與計算機技術解決礦山設計與生產中遇到的各類優化問題。

近年來，隨著礦山數字化、智能化建設步伐逐漸加快，礦山企業的生產與管理方式與以往相比發生了很大的變化。例如開采的優化設計、裝備的自動化與遠程操控、智能調度、生產過程的可視化與集中管控等，這些改變對采礦工程專業畢業生的知識與能力水平提出了更高的要求。在這樣的背景下，國內部分高校在傳統采礦的基礎上，開設了智能采礦班，而《采礦系統工程》作為智能采礦方向的核心課程，在專業培養方案里占有重要地位。本文以該課程為例，結合我校已有課程體系， 對教學理念、教學目標、教學體系、教學方式、教學考核及評價等進行梳理，探索多元化教學模式，不斷改進教學效果[2]。

二 《采礦系統工程》課程教學理念改革

傳統的教學方法以教師為中心，老師依據教學大綱的安排在課堂授課，學生被動接受知識。在這種模式中，學生雖然可以獲得較為系統全面的專業知識，但其主觀能動性被忽略，長此以往，其自主學習和創新能力逐漸減弱，不能適應專業的發展與未來企業的要求[3]。《采礦系統工程》課程理論知識較多，教學內容比較枯燥，單純的講授學生吸收效果不佳，難以達到課程教學目的。因此，為了提高學生的自主學習能力、動手能力與解決問題的能力，作者與教研室其他教師探討了以結果為基礎（Outcome-Based Education，簡稱為OBE）的課程教學理念[4]，將它用在《采礦系統工程》的教學改革中。

OBE教學理念最早在美國和加拿大的基礎教育改革中提出并應用，它以社會和市場實際需求作為出發點，應用型人才培養為導向，構建課程的目標、體系和框架[5]。OBE理念在課程教學里面實施主要包括以下幾個方面：①確定課程的教學目標，并根據教學目標對學習成果進行量化；②以學習成果為導向，對教學內容、教學方式進行策劃，確保目標實現；③構建合理的學習成果評價體系，并根據評價結果不斷的修訂教學目標與教學方式。

三 基于OBE理念的《采礦系統工程》課程體系構建

根據OBE的教學理念，我們從三個方面對《采礦系統工程》課程的教學體系進行了重構：教學目標的設定、教學過程設計、教學效果評價。其中教學目標包括學生基礎理論與方法的掌握程度與解決礦山工程問題的能力；教學過程則是根據教學目標制定相應的教學內容、教學進度安排、教學方式、教學質量評價體系；教學效果評價主要包括學習成果考核方式與持續改進方案。課程體系構架如圖1所示。

圖1 采礦系統工程課程體系構架

（一）教學目標的設定

教學目標的設定既要與本專業的培養目標保持一致，又要體現課程的特色，教學目標實現難度不能太高，也不宜過低，確保能夠達成。

依據我校采礦工程專業培養目標，畢業生畢業時應具備12個方面的知識與能力，每個知識與能力通過不同的課程教學來實現。通過《采礦系統工程》這門課的學習，應該使學生能夠運用自然科學和工程科學的基本原理，用于解決采礦工程領域的復雜問題。由此設定本課程的教學目標為以下兩方面。

1. 掌握系統工程的基礎理論與方法，具備能夠借助計算機軟件對知識進行靈活運用的能力。

2. 掌握礦山資源評價、規劃與設計、生產工藝流程與礦山管理的優化原理，具備利用基礎理論與現代工具解決礦山工程優化問題的能力。

（二）教學過程設計

教學過程是為實現教學目標進行的一系列教學活動總和，主要包括制定教學內容、教學計劃，課程教學方式與教學質量評價等，下面結合我校《采礦系統工程》課程改革情況進行詳細論述。

1. 課程教學內容

由于采礦系統工程涉及的范疇較廣，不可能將所有的知識點納入到教學范圍。根據課程的教學目標，我們選取常用的基礎理論知識與礦山工程優化技術作為教學內容開展教學工作。將教學內容劃分成4個教學模塊，24個知識點，每個知識點對應1-3個基礎理論或方法，從而將教學內容具體化。具體來講，基礎理論與方法知識包括：線型規劃、整數規劃、動態規劃、圖論、統籌方法、地質統計學、模糊數學、排隊論、智能算法等；礦山工程優化問題分為礦山地質資源可視化評價、礦山規劃與設計優化、礦山生成工藝系統優化與礦山管理系統優化四個模塊，教學內容的詳細情況如表1所示。

2. 教學方式的多元化

OBE教學理念強調的是學生的學習結果，學生受教育后獲得什么能力是教學所要解決的問題[6]。學生作為學習的主體，如何激發他們的學習興趣、提高他們的學習能力是教學方式所要解決的問題。根據《采礦系統工程》的課程特點，我們對課程的教學方式進行了改革，主要表現在以下幾個方面。

（1）自學-討論-重點講解相結合，強調學生的主觀能動性

《采礦系統工程》這門課的教學內容多而雜，部分知識點難度大，依靠課堂時間很難講述清楚。因此我們將教學內容的24個知識點當成24個待解決的工程問題，以問題為導向，在課前讓學生自學相關理論與專業背景知識，并擬定解決方案。課堂教學時先由教師對問題進行剖析，簡單介紹理論知識；隨后學生自由發言，針對問題提出自己的見解，通過討論得到問題的解決方案，最后由教師總結，并對方案的重難點進行講解。課堂教學的關鍵在于如何讓學生主動參與到教學活動中來，而確保學生在課前完成充足的預習準備工作是參與討論的前提。為此，我們建立了基于過程的考核方式，通過布置小作業、課堂提問的方式對學生的自學效果進行考查，將并討論環節的表現計入平時成績。

表1 《采礦系統工程》課程教學內容

（2）理論與實踐相結合，注重運用專業軟件工具

采礦系統工程這門課理論知識偏多，學起來比較枯燥，因此我們在講授完基礎理論方法之后，向學生介紹如何在MATLAB中編程實現，引導學生利用計算機解決各類優化問題，這樣學生可以很快將學到的知識應用到解決實際工程問題上來，增強學習的幸福感。

在礦山工程問題優化教學方面，借助目前使用較多的SURPAC、DATAMINE、DIMINE、3DMINE等三維礦業軟件平臺。這些礦業軟件里面含有地質數據三維可視化建模、地質統計學插值、露天礦境界優化、露天礦排產與配礦、地表路徑優化、地下礦生產計劃編制等優化模塊，可以解決礦山實際工程問題。在學習完相關的理論后，在軟件中針對實際礦山數據進行演算，幫助學生理解優化原理，從而實現對知識的運用。

（3）線上與線下教學相結合，充分利用網絡教學工具

在現代教學中，課堂上傳遞的知識遠遠不能滿足學生解決實際問題的要求，在有限的課堂時間內，對知識的理解與消化也存在困難，因此需要借助網絡的力量，獲取更多學習資源。隨著信息與網絡技術的發展，慕課、微課逐漸成為現代教學的重要手段。課堂上的重難點問題，可以在課下制作微課進行講解，或者搜索相關的慕 課視頻，利用微信或QQ發送給學生，讓他們提前預習，課堂上進行討論和針對性解釋。教師的課件、教案、微課視頻，相關參考資料等都可以提前在網上通過“超星課堂”“雨課堂”給學生發布，同時也可以掌控學生的學習情況。

3. 教學質量評價

教學質量評價是指對老師的教學內容、教學方法、教學態度等，通過問卷調查的方式，在課程教學中期或末期對老師的教學質量進行打分。教學質量評價是促進教師提高教學水平，保證教學目標達成的重要環節。我們在課程教學過程中，通過網上平臺組織3次學生評教，將評教結果及時反饋給任課教師，確保教師教學質量的實時改進。同時，教研室安排專任教師或企業專家進入課堂聽課至少兩次，對教學過程中的不足之處提出建議，促進任課教師提高教學質量。

（三）教學效果評估

教學效果評估是對整個教學活動中學生的學習成果進行評價。教學效果評估結果是衡量教學目標是否達成的重要依據，也是促進教學內容、教學方式改革的重要因素。課程考核是教學效果評估的重點，優秀的課程考核體系能夠對學生起到激勵作用，促進學習目標的達成。根據OBE教學理念，我們對《采礦系統工程》課的課程考核體系進行了改革，主要內容如下。

1. 面向過程的課程考核體系建設

目前課程的考核體系都存在著評價指標單一，評價方式陳舊，評價主觀性太強等問題[7]。平時成績+期末成績是高校常用的考核方式，但大部分老師在計算平時成績時，只考慮學生的出勤率，不能對學生的真實學習狀態作出評價；期末成績也采多用卷面考試這種簡單的量化考核方式，不能全面評價學生的學習成果。我們依據OBE理念對《采礦系統工程》的課程考核體系進行了改進，采用多元化的考核方式，對教學成果進行評價。

從三個方面對學生的學習成果進行考核：平時表現、考試成績與大作業質量。平時表現包括課堂作業完成情況、課堂討論與互動、大作業匯報、上課出勤率；考試成績主要考查學生對基礎理論與方法的掌握情況；大作業是給定具體礦山工程概況，要求學生利用所學的理論與優化方法，對采礦工程問題進行分析、建模、求解，最后形成文字報告。平時表現、考試成績由任課教師根據評分標準直接給分，確保評價過程公正透明；大作業采用答辯方式，除了任課教師，再另外邀請兩名專業課老師參加答辯，從而減小打分過程中存在的局限性和主觀性，保證評價結果的準確性。最終考核成績則由三個成績加權得到，采用五級制評分，各評價指標的給分標準與權重如表2所示。

表2 課程考核評價體系表

2. 持續改進計劃

持續改進主要有兩個動力源泉，一是學生、專家對教師的評教結果。我們將評教結果與教師的年度考核、職稱評定掛鉤，對評教不通過的，評職稱時實行一票否決。從而突出了以學生為中心的教學理念。二是對課程考核方式與結果的分析，包括試卷或大作業題目質量分析、學生的成績分布規律分析、得分細節分析、歷屆成績對比分析等。通過這些分析，教師可以從細節上了解學生對知識的掌握程度，對后面教學中哪些需要再強化、哪些需要完善做到心中有數。

四 教學模式的實施與效果

西安建筑科技大學的《采礦系統工程》課程已開設近20年，積累了豐富的教學經驗。為了與工程認證接軌，我們從2017年開始在西安建筑科技大礦物資源工程專業的本科生中開始實施新的采礦系統工程教學模式。與傳統的教學模式相比，新模式要求教師和學生在教學過程中投入更多的時間與精力，但是取得的教學成果非常豐富。通過課程學習，學生不僅掌握了采礦系統工程的基礎理論與方法，而且能夠運用MATLAB、PHASE2、FLAC3d、DIMINE、3DMINE等專業軟件對采礦工程問題進行建模、求解。學生解決礦山實際問題的能力也得到了提高，達到了課程教學目標的要求。但在教改實施過程中也存在一些問題，主要表現在以下幾個方面。

1. 學生參與課程教學的積極性不高。新教學模式要求學生具有較強的自學能力與自覺性。那些學習懶散、主動學習能力不強的學生會感到很不適應，跟不上教學進度，不能很好地完成學習目標。如何提高學生主動學習的積極性，激發他們參與課程教學的興趣，是后面教學中需要解決的問題。

2. 課堂上的討論環節不容易把控，討論時間太短形成不了統一的結論，討論時間過長又影響了教學進度，同時課堂討論質量還有待提高。

3. 目前課程大作業是由任課教師出題，題目內容與礦山生產實際結合度不高，為了提高學生解決問題的興趣，礦山優化問題需要更貼近礦山實際，如何搜集相關資料是后期教學所要改進之處。

總之，實施以學習成果為導向的采礦系統工程課程教學模式改革，是遵從國際教育潮流，適應工程認證環境下創新型、應用型本科人才培養的必經之路。通過教學新模式的實施，提高了課堂教學質量，培養了學生的知識應用與解決問題的能力，獲得了良好的教學效果。