《采矿学》本科专业教材建设改革与实践

王青，顾晓薇，邱景平，孙晓刚

摘要：教材是传授知识的主要载体，是对课程内容体系的集中反映，也是学生获取知识的主要来源。东北大学《采矿学》教材是在过去几十年不断地教学研究、实践和改革中形成的，对于采矿工程专业课的教学质量和人才培养质量的提高具有十分重要的意义。根据采矿工程学科专业培养情况，就《采矿学》本科专业教材改革与实践做一些探讨。

关键词：东北大学；《采矿学》；本科专业；教材建设

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）10-0031-04

一、概述

当今世界综合国力的竞争，说到底就是人才的竞争，只有拥有了一流的人才，才有可能拥有未来。对于高等教育，培养造就富有创新精神和创新能力的卓越工程人才，既是历史赋予高校的重任，也是我国应对新一轮科学技术革命和知识经济挑战的必然选择。东北大学作为我国设立矿业工程学科最早的地矿类高校，在总结以往人才培养实践经验的基础上，围绕如何为社会培养具有全面创造性、技术性卓越工程人才这一问题，在开展教学体系改革的同时，积极开展《采矿学》教材建设与改革工作，努力探索和实践新的人才培养模式。本文根据采矿工程学科专业培养情况，就《采矿学》本科专业教材改革与实践进行探讨与总结。

进入二十一世纪，采矿技术发展十分迅速，发展主趋势从之前的以机械化和大型化为主，转向全面信息化、数字化、自动化，与采矿直接相关的理论和方法也随之发生了深刻的变化。在发达国家，地下铲运、凿岩等设备的自动导航和遥控操作、露天设备的无人驾驶和自动调度、全数字化优化设计等，已经在采矿实践中得到较广泛地应用。近年来出现的一个最新趋势，是高度重视采矿与生态环境的协调，尽量降低采矿对生态环境的冲击，尽快恢复采矿损毁区域的生态功能。我国大型矿山实现了机械化开采，也实现了一定程度地信息化和自动化，如露天矿运输系统自动调度、选矿流程自动监测和控制、采矿方案的CAD设计等。

上述采矿科学技术的发展，对采矿专业人才的知识结构提出了新的要求，对采矿专业课程的内容体系提出了新的要求，对相应教材的内容体系也提出了新的要求。采矿专业课程的教材不仅需要涵盖基本采矿方法和工艺，而且需要涵盖现代采矿科技要求的新理论和新方法，如矿山计算机建模理论和方法、开采方案和各种参数的优化理论和方法、矿山项目的经济评价方法、采矿对生态冲击的量化理论和方法以及生态恢复等。

采矿科学技术发展对相关专业知识的系统性也提出了更高的要求，采矿专业人才应是具有系统性专业技术知识的综合人才。过去以采矿工艺过程划分的课程与教材体系结构，难以实现各工艺环节知识的系统贯通。例如：爆破只讲述爆破相关知识，没有把什么样的爆破参数设计应用于什么采矿方式方法和工艺环节进行有机联系；巷道支护只讲述支护方式及其在给定载荷下的设计计算，没有把不同支护方式与它们所适用的那些采矿方法的具体巷道工程进行有机地联系等等。因此，采矿工程的专业教材在内容体系上，必须把相关专业知识以采矿方式方法和工艺过程为主线融会贯通，实现高度地知识系统性。

我国经济高速发展对矿产的巨大需求，需要利用越来越多的国外矿产资源。越来越多的矿业公司和采矿技术与管理人员走出国门，在国外从事矿产开采。而我国矿业在项目评价、设计、管理理念、方法和手段上与国外有较大的差别。这就需要采矿专业的知识结构能够兼顾国内的实用性和与国际的接轨，以便我国的采矿工程技术和管理人员在国外从事采矿时，能很快适应国际技术经济环境，促进国外资源的开发利用。因此，采矿工程的专业教材在内容体系上必须兼顾国内现实和与国际接轨。

东北大学《采矿学》教材针对上述需求并基于多年教学经验、多方反馈和大量调查研究编写而成，其内容体系在培养满足现代采矿科学技术要求的综合技术型和国际化专业人才中，正在发挥重要的作用。

二、教材改革与建设目标

《采矿学》教材总体建设目标：以教材为载体，推动教学内容体系的改革和完善，不断提高采矿专业人才的培养质量，使之适应采矿科学技术的发展要求。

在内容上，《采矿学》融入了过去教材中没有的、在国内外采矿实践中应用较成熟并在高效采矿上（高经济效益、高生产率、低生态冲击）发挥重要作用的理论和方法，如矿床数值模型的建立、边界品位的确定与优化、露天开采最终境界优化设计、生产计划整体优化、地下开采“三律”（矿岩移动规律、地压显现规律、岩体冒落规律）、露天矿GPS调度、技术经济评价、采矿生态压力和生态成本等。针对我国矿业公司越来越多地走出国门开发利用国外矿产资源的需要，在知识内容上兼顾国内应用和与国际的接轨。

在体系结构上，以采矿方式方法和工艺过程为主线，把相关知识和技术融会贯通，形成一个完整地体系。例如：在论述某一地下采矿方法的结构、采准工程布置以及爆破、落矿、出矿等工艺中，有机融合相关工程的参数设计、爆破设计、支护方式和适用设备选型等的相关理论和计算方法；在论述露天开采工艺中，有机融合各工艺的参数设计、设备选型配置、自动化调度等，并讲述相关的优化理论、模型和算法。

针对采矿工程机构和开采过程的时空性强、靠平面三视图难以建立完整的时空概念这一教学难点，《采矿学》教材配发了一套采矿工艺环节的三维动画短片，有效解决时空概念的建立问题。针对采矿工程教学有很强地实践性的特点，《采矿学》教材配发了“露天矿优化设计软件系统（教育版）”及实例数据库，学生可以用来巩固所学知识、提高知识运用能力，并可用于课程和毕业设计。

三、教材建设主要研究范围与实践内容

《采矿学》的编著者们长期从事采矿工程专业的教学工作，注重总结教学经验、收集反馈信息；注重掌握和跟踪国际、国内采矿领域的科学技术现状和发展趋势以及教学方法、课程设置和教学手段；注重研究总结采矿工程专业课程的教学难点和解决办法。

在采矿工程专业的课程内容体系方面，系统收集了美国、欧洲和我国一些大学的采矿工程专业课程所用教材，认真研究其知识体系结构设计。把所有课程依据内容归纳为几个知识板块，分析了这些学校采矿工程专业知识体系和教材的特点、优点。与美国南伊利诺大学采矿系教授、工程学院院长合作完成了论文“A REVIEW OF THE EVOLUTION OF MINING ENGINEERING CURRICULUM（采矿工程课程设置演化的回顾与评述）”，在2011年土耳其伊斯坦布尔召开的第22届世界采矿大会（22nd World Mining Congress）上发表，引起国际采矿界不小的反响。基于上述研究并针对我国采矿工业的特点和对人才的需求，形成了改革完善采矿工程专业课程体系的指导思想和结构框架：采矿方法、工艺技术等“硬技术”与经济技术评价、决策和优化、生态化开采等“软科学”并重；强化应用数学和力学基础；国内实用与轨迹接轨兼顾。这一体系适应了现时和今后一个时期信息化、数字化、自动化、生态化采矿技术的发展对具有系统性现代专业技术知识的综合采矿专业人才的需求。

作为采矿工程专业课的主导教材，《采矿学》在内容体系设计上充分体现了上述指导思想和体系框架，做到采矿方法、工艺技术等“硬技术”与经济技术评价、决策和优化、生态化开采等“软科学”并重。在硬技术方面系统全面地更新完善了典型采矿方法、工艺和技术、设备，充分体现国内外在相关领域应用较成熟的最新研发成果。在软科学方面，系统论述了为高效采矿服务的经济技术评价与决策、数字建模、参数和方案优化等理论、方法、模型和算法。在具体的设计和计划程序与方法方面，既论述我国矿山设计和生产中广泛应用的程序和方法，又介绍国际（主要是发达国家）广泛应用的与我国有明显区别的程序和方法。这样，使用该教材教学，培养的人才不仅具有满足我国现时和将来一个时期采矿业发展的需要，而且满足走出国门开发利用国外矿产资源的需要。

在教学方法和手段方面，《采矿学》的编著者们经过深入研究总结出采矿工程专业课的教学难点：

1.三维空间概念的建立。采矿中各种工程有很强的空间性，各种工程、巷道的布置及其相互之间的衔接，相关几何参数的设计计算，都要求学生能够建立起一个完整的空间三维概念。过去只能借助平面三视图凭想象来形成空间结构，教学时费时且效果不佳。

2.时序概念的建立。采矿不同于一般工厂的生产，后者的作业场地是固定的，而采矿中作业场所和对象是随时间以一定的顺序移动的。这就需要学生掌握采矿过程的时空发展程序，靠静态图解很难达到好的教学效果。

3.实践性强。课堂上讲采矿方法、工艺时，为了具有普遍性，用的大都是典型方案。而采矿的一大特点是地质条件千差万别，实践中的方案与典型方案有较大地差别。把学到的一般知识应用到实践能力必须通过亲自动手来培养，而这是难以在课堂上实现的。

针对头两个教学难点，《采矿学》的编著者们花费大量时间研发了一系列采矿工程结构、工艺环节的三维动画短片，作为教学辅助手段与《采矿学》教材一起发行。应用这些动画短片，可以在很短时间内使学生建立起三维空间概念和时序概念，而且学生需要时在课余可以反复演放。这些教学辅助手段大大拉近了教学与实践的距离，提高了教学效果。

针对第三个教学难点，《采矿学》的编著者们专门研发了“露天矿优化设计软件系统（教育版）”，配以真实矿山的实际地质数据库和使用说明书，与《采矿学》教材一起发行。使用这一软件，学生可以自己动手，应用课堂学到的知识，对露天矿山进行优化设计，做出设计、计划方案，既深化了对所学知识的理解，巩固了知识的掌握，又培养了应用所学知识解决实际问题的能力和独自确定参数、方案的技术决策能力。这一软件还可用于课程设计和毕业设计，在很有限的时间里提高设计水平，锻炼设计能力。

四、教材改革建设创新与特色

1.教材改革建设创新。

（1）理论与内容创新。《采矿学》在内容上实现了重大突破，体现了采矿工程专业的专业课教学理念和模式的创新。我国一直到上世纪末，采矿工程专业的专业课教学一直沿用以工艺技术为主导的模式，只注重把矿石采出来所需要的工艺技术知识。这一模式在计划经济以及向市场经济转变的过渡时期，发挥了重要作用，培养了国家急需的采矿技术人才。当市场经济占主导地位后，矿山企业面临的不仅仅是按照给定产量把矿石采出来的问题，生产经营的几乎所有方面都需要企业在国家和地方法律、法规下自主决策。是否投资于一个矿山项目、应规划多大的开采规模、什么样的生产计划能带来最大的经济效益等等，都需要工程技术和管理人员具有经济、技术决策和优化的知识。而且，进入二十一世纪，矿山企业不但需要关注经济效益和技术效率，同时需要关注生态效益和社会效益。《采矿学》在内容体系上实现了这一重要转变，创新了教学理念和模式，不仅更新完善了采矿方法和工艺技术等“硬技术”，而且把技术经济评价、决策和优化、生态化开采等“软科学”放在同样重要的位置，并与硬技术有机融合，形成了一个适应时代需求的、新的采矿专业知识体系。

（2）结构创新。《采矿学》在上述知识体系的结构方面，以采矿方式方法和工艺过程为主线，把相关基础知识、技术和优化决策融会贯通。例如，在论述某一地下采矿方法的结构、采准工程布置以及爆破、落矿、出矿等工艺中，有机融合相关工程的结构参数设计、爆破设计、支护方式和适用设备选型等的相关理论和计算方法；在论述露天境界设计和采剥计划编制中，从传统的过程与方法逐步过渡到优化理论、模型和算法，在露天开采工序中有机融合各工序的参数设计与优化、设备选型配置、自动化调度等。这样，硬技术与软科学之间、仍然发挥作用的传统方法与应用较成熟的新成果之间、国内实用方法与国际的接轨之间，实现了融会贯通，形成了一个新的、完整的体系结构。

（3）实践创新。《采矿学》注重教学实践的创新。针对前述采矿工程专业课教学实践中的难点（即，三维空间概念和时序概念难以建立、实践性强），《采矿学》的编著者们研发了一系列采矿工程结构、工艺环节的三维动画短片，研发了“露天矿优化设计软件系统（教育版）”，并配有真实矿山的实际地质数据库。这些研发成果有效解决了采矿教学三大难点问题，大大提高了教学效率和效果，培养了学生应用所学知识解决实际问题的能力。

2.教材改革建设特色。《采矿学》在促进采矿工程专业课教育教学改革方面，尤其是内容体系的改革上，发挥了重要作用。其特色主要有以下三个方面：

（1）内容新，具有显著的时代特色。作为专业知识载体的教材，《采矿学》充分体现了采矿科技和社会发展对采矿专业人才的知识结构提出的时代性要求。如今的矿山企业不能单纯追求经济效益和技术效率的最大化，同时需要关注生态效益和社会效益。《采矿学》在内容体系上体现了这些时代性需求，把技术经济评价、决策和优化、生态化开采等“软科学”放在同样重要的位置，并与硬技术相辅相成。

（2）系统性强，具有完整的体系特色。《采矿学》不是在过去教材的基础上加入新东西的简单堆砌，它是以采矿方式方法和工艺过程为主线，把相关知识、技术和方法融会贯通，形成一个完整的知识体系。例如，就爆破技术而言，除具有共性的基础知识外，在每一采矿工序中都阐述了针对该工序具体需要的爆破参数的设计计算、器材选择等。巷道掘进技术、地压控制技术、落矿出矿、优化与决策方法等也类似编排。这样，学生学习每一项单体技术和方法模型时，就掌握了其在采矿中的应用位置；在学到每一工艺、工序时，就掌握了需要用到的合适技术和理论方法。这一体系上的特色，大大提高了知识的连贯性和学生应用知识的能力。

（3）教学针对性强，具有很强的实践性特色。《采矿学》十分注重采矿工程专业课教学不同于其他课程的特点和难点，有针对性地研发了一系列采矿工程结构和工艺过程的三维动画短片，有效解决学生在建立三维空间和时序概念中的困难；开发了“露天矿优化设计软件系统（教育版）”并建立了真实矿山的实际地质数据库，用于培养学生的实际动手能力和知识运用能力。这些动画短片和软件系统是提高教学质量和人才培养质量的有力支撑。

五、教材改革建设综合水平与成效

1.教材综合水平。在知识结构体系上，《采矿学》不仅凝结了大量的教学实践经验和反馈意见，而且纳入了国内外采矿工程的专业课教材及相关课程的优点。在《采矿学》的形成过程中，系统收集了美国、欧洲和我国十多所在采矿专业领域典型大学的采矿工程专业课程设置和所用教材，认真研究其课程知识体系结构和教材的特点、优点，博采众长，形成了改革完善采矿工程专业课程知识体系的指导思想和结构框架。在此基础上，深入研究了国内外广泛应用的采矿技术的现状和发展趋势，抓住信息化、数字化、自动化、生态化开采这一采矿科学技术的时代发展主旋律，提出了一个完整的知识体系。《采矿学》的知识结构体系充分体现了采矿科技的新成果、新发展，实现了相关知识板块的融会贯通，既具中国特色又与国际接轨，达到了世界先进水平。

《采矿学》不仅仅是一本书，它所承载的是具有时代性、实践性和方向性的采矿工程专业科技的知识体系。《采矿学》的十几次的印刷、在全国的大量使用，本身就是这一教学成果水平的证明。

2.教材改革建设成效。

（1）与教材建设相对应的教学改革及课程建设成效。《采矿学》教材及其承载的采矿课程内容体系，是在过去约15年中不断地教学研究、实践和改革中形成的。《采矿学》第一版被列入教育部普通高等教育“九五”规划教材，得到学校的资助。2004年由该教材编著者主讲的采矿学课程被评为校级精品课程，在学校的资助下经过四年的建设，2008年该课程被评为国家精品课程，获得教育部和学校的资助，课程建设成果及其教学和课程体系改革成果于2009年获得辽宁省教学成果一等奖。在上述课程建设项目的支撑下，针对教学和课程体系改革需求以及教学实践与反馈，对《采矿学》实施再版，并列入教育部普通高等教育“十一五”规划教材，于2011年4月完成改版工作，出版发行。

（2）教材应用及推广成效。作为采矿工程专业课的主导教材，《采矿学》在内容结构体系上的时代性和系统系已经得到业界的广泛认可。这一教学成果在全国范围得到广泛应用。据冶金工业出版社不完全统计，使用《采矿学》教材的有东北大学、北京科技大学、中南大学、重庆大学、昆明理工大学、西安建筑科技大学、内蒙古科技大学、辽宁科技大学、河北理工大学、山东理工大学等高等院校，以及贵州、甘肃、福建、重庆、浙江等地的学校和企业。《采矿学》在方法和理念上注重与国际采矿实践接轨的特点，也适应了越来越多的矿业公司走出国门开发利用国外矿产资源需要，受到许多矿山企业管理者的青睐，把《采矿学》作为培训教材和参考书使用。

《采矿学》第一版被列入教育部普通高等教育“九五”规划教材，于2001年1月由冶金工业出版社出版发行，先后九次印刷，印数25000册，发行量之高在这一时期冶金类专业教材中是少见的。基于多年的教学实践和来自各方的反馈意见，并针对该书出版以来采矿技术的发展现状与趋势，2005年着手再版工作和相关教学辅助手段的研发，《采矿学》第二版被列入教育部普通高等教育“十一五”规划教材，于2011年4月出版发行。第二版的发行速度比第一版大大增加，在短短的一年半时间内，印刷了三次，总印数达12000册，已发行10430册，在冶金工业出版社2011和2012年度出版的所有书籍中发行量排名第一。这充分证明了《采矿学》的应用范围和应用程度。

在实施效果上，《采矿学》首先是更新完善了在信息时代、矿业全球化和可持续发展背景下需要的采矿工程专业知识体系，为培养符合时代要求的采矿工程专业人才提供了知识载体。其次，《采矿学》充分注意到采矿工程专业课教学的难点对教学效果的影响。一系列采矿工程结构、工艺环节的三维动画短片在教学中的应用，可以在很短时间内使学生建立起三维空间概念和时序概念，并大大拉近了教学与实践的距离，提高了教学效果。使用“露天矿优化设计软件系统（教育版）”及其真实矿山的实际地质数据库，学生可以自己动手，应用课堂学到的知识进行优化设计，做出设计、计划方案，既深化了对所学知识的理解，巩固了知识的掌握，又培养了应用所学知识解决实际问题的能力和独自确定参数、方案的技术经济决策能力，提高了教学效果和人才培养质量。

我国是矿业大国，在多种矿产的产量和需求量上都位居世界第一，但我国尚不是矿业强国。走向矿业强国需要掌握信息化、数字化、国际化、生态化矿产开发知识的大批专业人才。《采矿学》为适应这一需求而生，已经在全国范围的采矿专业人才培养中发挥重要作用，必将在走向矿业强国的道路上继续发挥作用。这一教学成果具有非常广泛的应用前景。

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