采礦工程專業本科生畢業論文模式探索與實踐

王方田, 萬志軍, 徐 營

(中國礦業大學 礦業工程學院, 江蘇 徐州 221116)

我國成為《華盛頓協議》正式締約成員,不僅有力促進了我國工程專業畢業生走向國際,同時充分體現了工程教育面向世界與未來的新時代內涵[1-3]。《華盛頓協議》要求,通過認證的專業不僅要深入理解和把握復雜工程問題,更要按照國際實質等效原則培養學生具有解決復雜工程問題的能力[4-6]。根據認證標準,畢業要求被分解成可考核的具體指標點,每項指標點則由相關課程和實踐環節支撐。其中,本科畢業論文(設計)作為本科培養計劃中最重要的綜合性教學環節,是大學所學課程知識的系統總結,目的是培養大學生綜合運用理論知識和基本技能的能力、解決生產實踐及科學研究中復雜工程問題的創新能力[7-10]。為培養學生解決復雜工程問題的能力,我校采礦工程專業圍繞畢業論文進行了一系列改革與實踐,取得了顯著成效。

1 解決復雜工程問題能力要求

1.1 復雜工程問題的特征

《華盛頓協議》[4]與中國工程教育專業認證協會[11]制定了7條界定特征(見圖1),需要知識的深度是復雜工程問題須具有的必備特征,其余特征是可選的。

圖1 復雜工程問題的界定特征

解決復雜工程問題的能力是工科專業合格畢業生必須具備的最本質要求。對學生解決復雜工程問題能力的培養是一項系統性、全局性的工作。在具體開展能力培養工作之前,需要將能力要求予以分解和落實,將工科專業制定的每條能力要求分解和細化成對知識、能力或素質的明確、清晰和具體的要求。其中,畢業論文(設計)重點培養學生的工程意識、協作精神以及綜合應用所學知識解決實際問題的能力,是培養學生解決復雜工程問題的能力的重要途徑與集中體現。

1.2 采礦工程專業復雜工程問題特征

解決復雜工程問題能力不僅是我國高校擬認證工科專業畢業生必須具備的核心能力。畢業論文(設計)是我校采礦工程專業學生培養最重要的一項綜合性教學環節,主要是培養學生運用大學階段所學基礎理論、專業知識和基本技能,以文獻檢索、室內實驗、相似模擬、數值模擬、現場測試、理論計算與分析等研究手段中的一種或幾種(體現“需要知識的深度”這一本質特征),獨立分析和解決煤炭等能源資源開發中的復雜工程問題。例如,學生在實習礦井發現工作面區段煤柱變形嚴重,難以保障工作面通風、運輸與行人安全需要。為此,學生提出以“深井大采高工作面區段煤柱變形破壞規律及穩定性控制研究”為研究主題,通過現場調研與跟蹤觀測、文獻檢索,構建區段煤柱結構力學模型和數值計算模型,分析區段煤柱變形破壞主要影響因素及演化規律,提出合理煤柱尺寸等控制技術。該論文能夠系統鍛煉學生發現、分析和解決復雜工程問題的能力。

通過開展畢業論文,使學生鞏固所學知識、拓展認識空間,培養和提高學生掌握分析和解決煤炭等能源資源開發中的某一工程難題的能力,并能夠考慮對社會、健康、安全、法律、文化、環境、經濟、社會可持續發展的影響,知曉應承擔的責任,著力增強學生的綜合創新能力、實踐能力和協作精神。

2 傳統畢業論文存在問題

我校采礦工程專業在2017年以前,主要采用畢業設計的形式,任務下達與完成時間控制在大四下學期內。畢業設計主要包括一般部分、專題以及翻譯3部分。一般部分：結合實習礦井的地質條件,完成一個礦井初步設計的大部分內容,設計內容多,知識覆蓋面廣,能起到專業知識的系統學習與鞏固提高的作用;專題部分：圍繞礦井建設中的一個工程問題展開,要求學生廣泛調研收集現場資料與文獻檢索分析,對提高學生解決實際問題的能力具有較大幫助;翻譯部分：要求學生翻譯一篇相關外文研究文獻,有利于提高專業英語能力、開拓學生的國際視野。這種畢業設計存在以下問題：

(1) 設計內容多,較難細致深入。傳統畢業設計包含內容多,大量細節需要考慮。礦井地質賦存條件不同,相應的礦井開拓、準備與回采工藝方案等隨之改變,需要耗費學生大量的時間去合理設計。同時,專題部分需要學生查閱大量文獻,翻譯部分需要學生學習專業詞匯翻譯,每部分都需要一定時間才能高質量地完成。由于畢業設計時間有限,大量的設計內容會造成學生壓力過大、時間精力分配不均,較難細致深入完成設計內容。如果學生前期時間安排不合理,后期工作量和壓力就會日益增大,導致任務出發點好但實施效果不佳。

(2) 設計框架一致,相似度較高。一般部分設計內容框架基本一致,由于礦井數目有限,大量地質生產條件信息相近,本屆學生與往屆學生的設計題目可能一樣,加上設計思路、參考的設計規范一致,學生的畢業設計重復率較高,同時也很難保證畢業設計的質量。部分學生在設計過程中可能存在抄襲、流水作業等不良現象,缺乏獨立思考,造成畢業設計質量不高。

(3) 形式內容固化,不利于創新能力培養。傳統畢業設計規范及步驟具有高度一致性,設計內容固化,不利于鍛煉學生發散思維與自主創新能力。專題部分學生可以自由選擇專題進行探討,但由于時間和精力所限,難以深入研究,往往只是簡單論述,在一定程度上限制了學生的創新能力培養。

3 畢業論文主要改革舉措

針對傳統畢業設計存在的問題,在2017年進行了畢業論文(設計)改革,以培養學生解決實際復雜工程問題的創新能力為導向,制定了學生畢業論文(設計)的時間安排及質量要求。通過開展畢業論文(設計)改革,使學生了解常用解決生產實際問題的方法和手段,能熟練運用其中一種或多種方法,并綜合運用掌握的數學、自然科學、工程基礎和專業知識,分析、解決某一復雜能源資源開發工程問題。

3.1 畢業論文(設計)改革要求

畢業論文(設計)改革有以下4點要求：

(1) “一必備”。要求學生必備深入的工程知識和綜合運用基本原理分析方法才能解決論文研究課題,凸出了“需要知識的深度”的必備特征要求。

(2) “兩熟悉”。要求熟悉學士論文模式框架和相關文獻檢索工具,熟悉工程研究活動的基本規律和核心精神。

(3) “三掌握”。掌握文獻綜述方式和論文寫作的基本技能,掌握表達展示論文價值的主要方法,掌握工程研究學術規范。

(4) “四培養”。培養學生學習和運用新理論、新方法、新工藝、新技術解決實際問題的基本能力,培養學生基于科學原理與科學方法開展研究的科研能力,培養學生設計實驗、分析數據、得到科學結論、撰寫科技報告和提出研究成果的研究實踐能力,培養學生發現新問題、設計新構思、提出新方法、取得新成果的創新能力。

3.2 新型畢業論文模式改革舉措

(1) 自主選題方式,提高學生主動性。在選題方面,推行“學生自主選題與指導教師推薦選題”相結合的方式,畢業論文形式不拘一格,學生可自由選擇進行畢業設計或畢業論文,畢業設計可定位于采礦專項設計(如煤與伴生物協調開采設計、地表減沉設計、水資源保護設計等)。區分本科畢業論文與研究生論文的深度、難度差異,定位于解決一個復雜工程問題,采用理論分析、實驗室實驗、數值模擬、現場實測等一種或多種方法進行深入研究,還可進行團隊論文或外文論文,不拘于形式。鼓勵學生在礦山實習過程中發現問題、提出問題,同時,指導教師結合科研經歷啟示論文研究的重點內容和研究方法,點撥學生明晰研究思路。自主選題能保證學生充分結合自身興趣選擇及自己支配時間精力開展研究,提高了學生論文研究的興趣性和主動性。

(2) 合理設計論文選題,系統鍛煉學生解決復雜工程問題的能力。論文選題以培養“解決復雜工程問題”創新能力為導向,要求學生形成完整的學術論文系統,即包含選題背景、研究意義、國內外研究現狀、研究內容及方法、各章總結、結論與展望等部分,從論文選題設計出發全面培養學生發現問題、提出問題、分析問題和解決問題的系統創新能力。

(3) 與大學生創新訓練課題及導師制結合,促進創新意識培養。采礦工程專業學生自大二開始申報國家級、省部級、校級、國家重點實驗室、教育部重點實驗室及學院大學生創新訓練計劃課題,通過廣泛動員和積極組織,學生參與比例超過70%。結合學生主持或參與的大學生創新訓練課題,對研究內容進行深入剖析,應用掌握的基礎理論、實驗方法與數值軟件等自主設計研究路線,完成研究內容,提出創新性研究成果。利用大學生導師制,提前謀劃學生論文主題,及早開展論文選題與實驗設計,在交流探討過程中不斷培養學生創新意識。

(4) 強化過程考核,提高學生成績與能力培養。加強畢業論文過程考核,劃分為選題、期中、期末、答辯4個管理階段,嚴格按照畢業論文規范制定時間計劃,明確各階段所占的成績比例,量化各指標點,使畢業論文成績可準確反映學生掌握知識的程度和解決復雜工程問題的能力,更注重學生本身的過程鍛煉與能力培養。采取良好導向和適當加壓方式培養學生,在畢業論文教學考核各環節中,適當給予學生一定的緊迫感和壓力感,約束學生的惰性、提高學生的主動性。

(5) 充分利用學科專業優勢資源,強化學生實踐創新能力。國家重點實驗室是國家聚集和培養科學家、開展高水平學術研究交流的重要基地,也是高校實踐教學的主戰場[12]。采礦工程是國家重點學科和品牌特色專業,擁有國家重點實驗室和國家級實驗教學示范中心等一流平臺,為學生開展論文研究提供了優勢資源。采礦工程虛擬實驗教學中心已建成虛擬仿真實驗網絡信息平臺,實現了虛擬仿真實驗教學資源的智能化和網絡化管理,學生在進行畢業論文(設計)期間可以自由選擇實驗時間和實驗內容、自主配置虛擬實驗儀器設備、自由搭建實驗設備儀器開展實驗活動[13]。學生充分結合研究主題進行煤巖物理力學測試、微觀結構特征分析、多物理場耦合物理模擬等實驗,同時學習應用有限元、離散元等計算機軟件進行數值建模分析,提高了論文研究的廣度和深度,著力培養了學生實踐創新能力。

4 畢業論文改革實踐成效

實踐表明,畢業論文改革取得了顯著成效。第一,開放了學生的發散思維,學生可以選擇感興趣的課題,有利于調動學生的自主性和積極性。第二,部分優秀學生的畢業論文已經接近研究生畢業論文水平,很好地鍛煉了學生的專業素養,為繼續深造提供了有力支撐；第三，提高了學生解決實際復雜工程問題的能力,形成了科學的思維方式和創新意識,為獨立從事技術管理與科研等工作奠定了堅實基礎。

(1) 鍛煉了學生發現、分析與解決復雜工程問題的能力。從學生選題、現場調研、文獻分析、師生互動與小組交流討論、開展實驗室實驗、數值模擬分析、撰寫論文、PPT匯報與答辯等環節,系統培養了學生發現、分析與解決復雜工程問題的能力。

(2) 培養了學生創新意識。貫穿畢業論文各個環節,學生與指導教師頻繁互動探討、辯論,在交流碰撞中迸發創新的火花,激發了學生的創新意識。指導教師結合自身教學、科研實踐經歷,啟發學生學習新知識、發現新問題、提出新方法,培養了學生“敢為天下先”的創新意識。

(3) 提高了學生創新實踐能力。學生在完成畢業論文要求過程中,達到了培養學生綜合運用基本理論、基本知識和基本技能解決復雜工程問題的能力要求,集中培養了發散思維、獨立工作、團隊協作、分析和解決復雜工程問題等創新實踐能力。

(4) 取得了高水平畢業論文成果。學生在面對具有一定難度的復雜工程問題時,能運用基礎理論知識與實驗模擬手段提出有效的解決辦法,2/3以上學生取得了顯著的創新成果,有的論文被評為校級、省級優秀畢業論文和優秀畢業論文團隊，成績優異。

致謝：感謝采礦工程系各位教師在座談中提供的思路和建議,感謝中國礦業大學礦業工程學院采礦工程系學生王浩然、梁寧寧等提出的寶貴意見。