以“錨桿支護”綜合性實驗設計為例探討“新工科”背景下綜合性實驗的設計方法

杜學領

（1. 貴州理工學院 礦業工程學院，貴州 貴陽 550003；2. 山東科技大學 礦業工程國家級實驗教學示范中心，山東 青島 266590）

“新工科”建設在一定程度上代表著中國高等工程教育的未來，是高等工程教育領域應對科技變革、技術進步、社會未來發展需求的主動出擊[1-2]。近年來，國內學者對“新工科”建設進行了諸多研究，如楊小兵提出“新工科”背景下高校應完善創新實踐教育[3]；孫康寧等認為應將知識、能力、實踐、創新進行一體化培養[4]。劉湉祎基于知識生產模式視角認為“新工科”建設應重點考慮學科融合、突出實踐等[5]；劉吉臻等認為行業特色型大學要想與綜合性大學、地方高校呈三足鼎立之勢，應立足行業促進學科交叉融合，從數量優勢轉向質量優勢，認清“新”是“新工科”建設的本質和內涵，推動傳統工科升級，將高等工程教育改革落到實處[6]。高水平的本科工程教育不僅需要系統思維，還要處理好理論與實踐、課堂與現場、要素與系統的關系[7-8]。礦業類學科在我國屬于行業特色學科，按傳統視角還屬于艱苦行業。近年來，隨著機械化、智能化、數字化、綠色開采等技術的推廣應用，采礦業已與傳統采礦表現出不同的特征，礦業類學科表現出對機械、力學、材料等學科交叉融合的現實需求。與以往注重課本理論知識學習相比，“新工科”背景下的采礦人才要具有解決復雜工程問題的能力，在人才培養環節要以相應的綜合性訓練為支撐。本文以采礦工程綜合性實驗設計為例，探討“新工科”背景下綜合性實驗的設計方法。

1 綜合性實驗概述

1.1 何為綜合性實驗？

國內對于何為綜合性實驗有諸多討論。有的認為本科的教學實驗可分為基礎型、設計型、探究型三種，而并未將綜合性實驗列入其中[9]，還有的認為綜合性實驗應是學生在具備一定學科專業知識基礎上，通過對理論知識、實驗方法、實驗手段等的綜合來實現學生綜合素質提升的一種復合型實驗[10-12]。吳新開等提出，在進行綜合性實驗設計時，要考慮互補性、交融性、滲透性、承前啟后、遞進、平行、系統、發展性等原則[13]。施鼎方等認為，可通過精心設計、課程協作、企業參與等途徑提高綜合性實驗的教學質量[14]。在2018 年發布的《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》（以下簡稱《國標》）中，對于礦業類專業明確提出，“實驗教學在 300 學時左右（250~500 學時）……，其中綜合性實驗和研究性實驗的學時不低于總實驗學時的 50%”，并明確給出綜合性實驗和研究性實驗的解釋[15]，但該解釋與前述研究存在相左之處。

筆者認為，綜合性實驗是由若干個實驗組成的一個實驗系統，系統的每一個分支都服務于該系統核心目的的達成。在該系統中，知識、手段、方法是相互影響的，不同的知識需要有不同的手段來支撐，需要有不同的方法來實現，對于不同的實驗手段和方法也需要有不同的知識來解讀。從教學目的而言，綜合性實驗希望通過系統呈現某一問題，而使學生更加深刻地認識事物本質規律，掌握科學研究方法。

與單一驗證性實驗相比，綜合性實驗的規模、廣度、深度都有所提升；與研究性或設計性實驗相比，綜合性實驗的核心問題由教師提出，而非由學生提出。但在進行綜合性實驗過程中，學生有可能發現問題并提出解決問題的方案，即在確立綜合性實驗核心問題的前提下，不排斥研究性實驗，甚至綜合性實驗的系統中可以包含部分研究性實驗，但研究性的問題應是圍繞綜合性實驗的核心問題而展開的。研究性實驗更加注重學生的自主學習，而綜合性實驗更加注重在教師引導下學生對某一核心問題形成更全面的認識，二者側重點不同。

1.2 當前教學改革中綜合性實驗設計存在的問題

目前，在綜合性實驗設計方面已有一定研究基礎，但也存在一些問題。

（1）將科研實驗移植為教學型綜合實驗。如將科技支撐計劃的部分內容轉化為本科生的三大實驗[16]，但因這些實驗來源于新獲批的正在進行的科研課題，部分內容尚處于研究階段，從所需時間和精力而言，恐怕并不適合作為本科生的教學實驗。重慶理工大學基于近20 年成熟的科研成果而設計的綜合性實驗，顯然更適合作為本科生的教學型綜合實驗[17]。

（2）將傳統實驗簡單拼接為綜合性實驗。如在大學物理中共設置20 個實驗項目，學生可任選4 個完成[18]。由于所設置的 20 個實驗項目之間本身內在的邏輯關系不清晰，僅由學生根據興趣選擇，可能使學生傾向于選擇容易通過的項目，甚至因為這種自由選擇有使實驗課淪為水課的危險。類似的公共課難免與專業課教學脫節，使之對以后的專業課學習幫助甚微。例如，有學者提出“一核雙翼三階”物理實驗教學體系，但其中的演示實驗與專業結合不緊密，僅停留在就物理講物理的層面上[19]。

（3）體系、平臺建設對綜合性實驗教學的反向作用。教學模式、范式、體系等的建設在教改領域層出不窮，如果將這些建設落到實處對教學質量提升是有益的，但仔細推敲后卻發現，一些體系、模式背后的細節嚴重缺失[19-21]。表面上的體系建設有模有樣，實際上教學內容可能還是老一套，重形式、輕內涵。一些一體化實驗平臺也被應用到本科教學中，如在一個實驗平臺中連貫地完成氣化實驗、氣相色譜分析等復雜過程[22]，這不利于學生深入理解每一實驗的過程。

造成這些問題的原因主要有兩方面。其一是部分教師對教學實驗的實質認識不足，生搬硬套科學實驗理論[23]，忽略了學生基礎、軟硬件條件等因素，造成所研究的內容可復制性較差、不適宜在本科教學中推廣。其二是沒有把“新工科”建設的“新”作為核心，造成部分綜合性實驗空有其形、不接地氣，既不能服務于學生未來的實際需要，也不能體現“新工科”背景下的行業需求和社會發展動態，只不過是在實驗室閉門造車地談實驗教學改革。

2 “新工科”背景下的綜合性實驗改革

2.1 “新工科”背景下綜合性實驗的改革方向

通過對國內“新工科”建設的現有研究進行梳理發現，從學生培養角度而言，“新工科”建設更加關注學生在新技術、學科交叉融合、人文價值、全局視角、可持續或終身學習能力等方面，與之相近的表述還包括復合型培養、價值感與使命感、空間感格局、宏思維、批判性思維、想象力、避免專業碎片化、高素質、適應力、引領作用、普適性與聯通性、專業能力、跨界整合、領導力、創新能力、自主學習、變革性、超越性、貫通性等[1-8,24-26]。這些研究較為全面地論述了“新工科”背景下人才培養的美好希望，但諸如學科融合、自主學習、創新能力等早在“新工科”出現之前就已被廣泛提及。是以往的教學改革疲軟無力，還是這些萬金油式的概念始終如一？隨著中國高等教育由精英教育走向大眾教育，我們真的能把每一位學生都培養成具備領導力的人才嗎？本科教育不能僅是高喊“以本為本”“四個回歸”，而是應做到擲地有聲、腳踏實地。綜合性實驗作為培養學生動手能力、理論聯系實際的手段，更應該全面籌謀、落到實處。

筆者認為，“新工科”背景下綜合性實驗改革應從下幾方面著手。

（1）傳統實驗的升級改造。傳統實驗中驗證性、按部就班的程序性實驗數量較多，應將這部分實驗按照“新工科”的“新”進行重新構思，推進傳統實驗的升級改造。

（2）強化實驗之間的系統性邏輯。不管是知識的綜合，還是實驗手段或方法的綜合，歸根到底都是為了使學生更加全面、系統地形成對某一問題的認識，系統性是綜合性實驗的本質屬性之一。課程群之間的綜合，可以借鑒OBE 設計中頂峰成果的設計理念，將對畢業終極目標的支撐分散至各個課程，在此基礎上再進一步完善課程內的綜合性實驗設計，強化整個人才培養體系的系統性[27-29]。

（3）在綜合性實驗設計中適當融入“新工科”的“新”。無論是新理念、新模式、新技術，還是新素養、新結構、新方法[24-25]，必須放在教學視角下去考量。符合教學規律、教學要求的，就可以融入；反之，則要果斷舍棄或重新設計。要綜合考慮學生的學業基礎、對實驗的接受程度、實驗在不同群體間的可擴展性和可復制性、學生的未來發展需求等，而不能不加思考、簡單粗暴地將科研實驗直接用作本科教學實驗，僅僅反映科技前沿而無助于教學的“新”，則要謹慎引入。

（4）加強和完善實驗實踐共同體協同共享平臺建設。對于某一高校、某一專業而言，建成全面且與時俱進的平臺是存在諸多困難的，實驗實踐平臺的協同共享有助于破解這一難題。學分互認的教學共同體、基于學科專業建設的學術共同體、大學治理共同體等[30-32]，為實驗實踐共同體協同共享平臺建設奠定了較好的基礎。此外，實驗實踐共同體建設還可從校際平臺擴展到校企平臺、校研平臺等，實現實驗設備的合理利用、跨學科交叉融合、資源優勢互補、區域協同發展等。

需要指出的是，“新工科”建設有諸多要求[1-8,24-26]，但對于某一節課、某一具體實驗設計而言，可能只涉及這些要求中的某一部分，在進行教學設計時應有所選擇、有所側重，而不能求全責備。

2.2 “新工科”背景下本科教學綜合性實驗設計的一般過程

基于前述研究，并結合國內外已有的教學設計經驗，將“新工科”背景下本科教學綜合性實驗設計的一般過程歸納為“一核多源遞進系統反饋設計方案”，其技術路線如圖1 所示。

其核心思想如下。

（1）“一核”指的是綜合性實驗的核心問題。該問題的提出應根據人才培養方案頂峰目標下的課程體系確定，頂峰目標的實現需要有課程體系的支撐，實驗又是課程體系中的重要部分。不論是課帶實驗還是獨立設課實驗，都應該服務于人才培養的頂峰設計，而不能單純為了做實驗而做實驗。這就要求頂峰設計必須清晰、準確、可行。

（2）“多源”指的是綜合性實驗的設計靈感來源。這些來源主要包括：①基于課本知識的經典實驗升級改造；②國家、教育部、省市及行業協會科技進步獎啟發；③成熟技術的實驗室重構；④行業發展新動態的追蹤反映；⑤跨學科、跨平臺、交叉融合的新設計；⑥對社會進步新需求或未來發展新趨勢的研判研發；⑦在研課題的合理滲透。“多源”為“新工科”背景下的綜合性實驗設計注入新內涵，但“多源”只是提供實驗設計的靈感來源，并不是每個來源都要占有一席之地。應將每一來源的設計置于教學視角下去檢驗，只有符合教學要求的內容才能確立為綜合性實驗的組成部分。

（3）“遞進”指的是綜合性實驗中各獨立實驗之間的邏輯關系為遞進關系。在該遞進關系中，前一實驗為后一實驗奠定基礎，整個實驗的先后順序明確。遞進關系的優點是有利于學生逐步理解事物的本質規律，進而逐步形成對核心問題的全局認識，缺點是對實驗操作平臺的數量和實驗的流暢度、成功率提出一定要求。當子實驗間不能全部采用遞進式時，也可以局部采用平行并列式作為補充。

（4）“系統”指的是整個綜合性實驗的子單元構成一個圍繞核心問題而展開的綜合性實驗系統。在進行實驗時，按照遞進關系順次完成每一個子單元，每一個子單元聚焦于某一個子問題，這些子問題集又形成整個綜合性實驗系統。當所有實驗完成后，能夠通過該組綜合性實驗形成對核心問題較為全面、系統的認識，達到以小見大的效果。在知識爆炸的當下，學生能夠集中精力高質量地完成一件事，對其能力的培養意義重大。

（5）“反饋”指的是綜合性實驗的效果檢驗。要對照綜合性實驗中每一子單元的完成情況，檢驗子單元對整個綜合性實驗系統的支撐情況，并對子單元作出不斷調整和改進。還要檢驗綜合性實驗系統對頂峰目標的達成是否起到支撐作用、支撐強度如何、教學設計是否合理、是否達成教學目標等，以便在下一輪教學時持續改進綜合性實驗教學設計。“反饋”的設計保證了綜合性實驗處于動態調整中，從而能夠不斷適應“多源”的新變化。

3 “錨桿支護”綜合性實驗設計實例

“礦山壓力與巖層控制”（以下簡稱“礦壓課”）是采礦工程的專業核心課程，課程內容以巖層運移規律和控制技術為主，強調學生在掌握理論的基礎上解決工程實際問題的能力。近年來，錨桿作為主要支護材料已被廣泛應用于煤礦巷道、硐室、隧道、邊坡、基坑等場合，錨桿支護問題與當前的技術發展、工程應用聯系緊密，兼具專業特色和工程通用性。以下以“礦壓課”中的支護部分為例，結合錨桿這種支護材料，探討綜合性實驗教學的設計。

3.1 核心問題的確立

我校采礦工程專業畢業生以面向礦業領域、服務區域經濟社會發展、具備高素質工程應用能力為主要特征。從頂峰設計而言，本專業培養的是礦業領域的高素質應用型人才，相應的成果產出體現為畢業設計。畢業設計應集中呈現學生對本學科理論的理解和應用能力，但近幾年學生在畢業設計中對“礦壓課”知識的應用相對較少，說明該核心課程對頂峰目標的支撐不夠。通過對國內同行在2018 年出版的本專業實驗類著作的調研發現[33-34]，兩部著作合計設置實驗82 個，實驗總量難以達到“國標”要求，且存在系統綜合性不強、課程群之間的實驗構建不成體系等問題。此外，這82 個實驗以演示、講解、驗證性實驗為主，與“國標”中對綜合性和研究性實驗的導向不符。

在“新工科”建設背景下，應適應新時期的發展要求。錨桿是近年來我國煤礦巷道中采用的最主要的一種支護材料，將錨桿作為主要著眼點，并提出“錨桿支護”這一核心問題，符合學生畢業頂峰設計需要及學生未來工作的職業需求。

3.2 “多源”視角下子實驗設計方向

在“多源”視角下，可開設的子實驗主要有：

（1）基于課本知識的實驗。本部分的核心是要求學生掌握錨桿支護的設計方法，因此錨桿支護實驗必不可少。此外，還可考慮金屬材料拉伸、壓縮、扭轉實驗，錨桿錨索無損檢測實驗，相似材料模擬實驗，巖石物理力學測定實驗等。

（2）根據科技進步獎開設的實驗。調研近年來國家、省、市及中國煤炭工業協會的科技進步獎情況，與“錨桿支護”這一核心問題相關的內容主要包括：新型支護材料研發，如錨固劑研發、柔模復合材料支護等；復雜地質條件下的支護問題，如深部軟弱破碎圍巖穩定性問題、礦井水害對圍巖穩定性的影響等；高產高效的技術攻關，如大斷面全煤巷道高強度錨桿錨索聯合支護技術、快速掘進支護等。上述問題可在實驗室條件下得到一定體現，如柔模復合材料支護可以轉化為相似模擬實驗的材料配比，復雜地質條件下的支護問題可以轉化為不同支護材料、支護條件的對比實驗及不同錨桿的拉拔試驗等。

（3）成熟技術的實驗室重構。與核心問題“錨桿支護”密切相關的國家標準主要有《煤礦巷道錨桿支護技術規范》[36]，其中涉及的主要問題有：不同的支護條件，如煤巷、半煤巖巷、巖巷；錨桿的種類，如注漿錨桿、預應力錨桿、樹脂錨桿、玻璃纖維復合錨桿等；錨桿的性能參數，如錨固力、粘結強度、伸長率等；支護設計方法，包括工程類比、理論計算、數值模擬等；質量檢測，包括鉆孔質量檢測、拉拔試驗、安裝幾何參數檢測、預緊力矩檢測、工作載荷監測等。

（4）對行業發展新動態的追蹤。近年來，行業研發推廣的錨桿包括橫阻大變形錨桿、可接長錨桿、高預緊力錨桿、吸能錨桿、高沖擊韌性錨桿等。

（5）對跨學科跨平臺交叉融合的思考。從錨桿支護本身而言，可能涉及材料、化學、模具、結構、力學、經濟等方面。材料方面，可研發新型錨桿支護材料，研究材料的宏細觀特征；化學方面，可研發新型錨固劑、膠結材料；模具、結構方面，可圍繞錨桿桿體肋型、肋型分布等展開；力學方面，包括桿體本身的力學測試和與圍巖相互作用的測試；經濟方面，可對不同錨桿、支護方案進行經濟分析。

（6）對社會進步新需求或未來發展新趨勢的研判研發。包括輕便高效低價的支護材料、環境友好型支護材料、高效支護技術、不同條件下支護材料的適用性及回收利用問題等。

（7）在研課題的合理滲透。近年來，國家自然科學基金立項課題中相關的研究主要有全長粘結型錨桿、復合錨固類結構、錨桿應力應變監測、錨桿無損檢測等，由于這些內容仍處于研發階段，實驗室缺少相應的設備、材料，一般不適合直接用作本科教學實驗。

3.3 教學視角下綜合性實驗的選擇

鑒于“多源”視角下的實驗設計方向和實驗內容設置較多，還需要進一步結合教學要求來確定。主要應考慮如下因素：①實驗室的硬件條件，是否具備開展相應實驗的設備、材料的條件；②師資條件，是否具備開展相應實驗的師資力量；③教學管理，是否對實驗改革給予積極支持；④學生的學習基礎，是否具備接受所開設實驗的學業基礎；⑤學生的學習收獲，通過學習相應實驗是否能較大程度上獲得預期的學習收獲。經過教學條件的檢視，符合要求的實驗可以保留，而現有實驗條件很難滿足要求的內容一般應予以舍去，這樣留下來的一般為具有較大實施可行性的實驗。對于本例而言，反映社會進步新需求或未來發展新趨勢及在研課題的內容等因不符合教學條件要求，在本輪教學改革中不做重點考慮。

接下來按照遞進、系統性邏輯，對檢視后的內容進行重新編排。首先確立與核心問題相對應的實驗為“錨桿支護原理及支護設計”。該實驗有助于學生理解課本的錨桿支護原理，并通過支護設計訓練學生畢業設計及未來工作中的巷道支護設計能力。向前推演，進行錨桿支護需要有相應的被支護體、錨固劑，因此，在其之前可設置“相似模擬材料配比及型模強度測定”“錨固劑的調制及性能”兩項實驗；向后推演，進行錨桿支護后，需要對錨桿支設的質量進行檢驗和評價，因此可設置“錨桿支設質量檢測”“錨桿無損檢測”兩項實驗。以上選定實驗的遞進、系統性邏輯為：①根據相似材料配比確定工程條件；②熟悉錨固劑的性能，并根據工程條件選擇錨固劑；③在給定工程條件和錨固劑的前提下，進行錨桿支護設計；④檢驗錨桿支設的參數及性能；⑤通過無損檢測對錨桿支護進行質量評價。上述實驗中的③—⑤與學生未來的職業技能需求密切相關，有助于應用型人才培養目標的達成。

3.4 細化綜合性實驗設計

3.3 節確定的五項實驗的具體內容如下：

（1）相似模擬材料配比及型模強度測定實驗。根據給定資料及要求，進行文獻查閱，采用河砂、水泥、碳酸鈣等材料按照相似模擬實驗要求設計材料配比，并在模具中完成標準試樣的制模。待型模穩定后，在壓力機上測定其單軸抗壓強度，分析試樣應力應變曲線特點及其與課本中典型曲線存在差異的原因，對破壞后的試樣編號并收集備用。

（2）錨固劑的調制及性能實驗。根據給定資料及要求（富水、堿性、酸性、高溫等），進行文獻查閱，任選視角設計錨固劑及添加劑的比例，并據此完成錨固劑的調制。采用 SEM 方法，分別對調配前的錨固劑骨料、破壞后的相似模擬型模和調配的錨固劑進行微觀形貌觀察。

（3）錨桿支護原理及支護設計實驗。根據給定資料及要求，進行文獻查閱，并采用相似模擬實驗的型模、卵石、煤塊等材料，設計并完成模擬地層鋪設，記錄分層厚度和材料配比，并按照錨桿結構特征設計支護參數。根據實驗效果，論述實驗內容與錨桿支護原理的關系。

（4）錨桿支設質量檢測實驗。對前述實驗（3）模型中的錨桿施加預緊力，并結合預緊力、錨桿直徑等參數，進一步辨析錨桿預緊力矩及錨桿預應力的概念。同時，參照相似模擬材料級配等制作長方體模型，并打鉆孔、安裝錨固劑、裝設錨桿，分別對實驗（3）及此長方體中的錨桿進行拉拔試驗，記錄試驗數據，觀察實驗過程中錨固結構破壞的位置，分析破壞原因。在進一步閱讀文獻、進行調研后，提出可能的解決方案。

（5）錨桿無損檢測實驗。獲取實驗（4）中的錨桿和同一批次未進行試驗的錨桿，在長方體模型中制模，并設計不同工況，將上述錨桿應用于這些工況。采用錨桿質量無損檢測儀（地面工況常用）、礦用本安型錨桿錨索無損檢測儀（地下工況常用）分別進行無損檢測，記錄兩種檢測手段的監測數據，并將其與拉拔試驗的破壞性檢測結果進行對比。在進一步閱讀文獻、進行調研后，從檢測原理、數據處理、無損檢測準確度、檢測結果與 SEM 實驗的關聯性、技術發展構想等方面展開論述。如有必要，可自行設計實驗進行研究性驗證。

4 結語

本文所列舉的“錨桿支護”綜合性實驗設計實現了對傳統相似模擬實驗、單軸實驗的升級改造，并強化了實驗子單元之間的系統性邏輯，在教學視角下整合文獻查閱、方案設計、團隊合作、實驗操作、數據處理、結果反思等內容，并融入SEM 微觀形貌觀測、無損檢測等跨學科內容，在一定程度上體現了“新工科”建設對現代工具使用、學科交叉融合、新技術、新思維、高素質等方面的人才培養要求。該綜合性實驗的核心實驗“錨桿支護原理及支護設計實驗”在我校已進行了多輪教學實踐。實驗早期以單獨的課帶實驗開設，逐漸改革為獨立設置的實驗課環節。學生參與此項實驗的積極性較高，大部分學生可完成無膠結破碎煤巖塊體的錨桿支護，有助于學生更為直觀地理解錨桿支護理論，是理論教學的重要補充。但教學實踐中在教學管理、師資隊伍、工程適用性等方面出現了一些新問題，有待于在今后的教學實踐中不斷完善和持續改進。