基于OBE理念的采矿工程专业实验教学体系构建

2020-05-28张源万志军严红马文顶张磊

高教学刊 2020年10期

张源万志军严红马文顶张磊

摘要：在工程教育专业认证背景下，以中国矿业大学采矿工程专业为例，将OBE工程教育理念引入到采矿工程专业实验教学中;以学生为中心，以培养具有解决复杂采矿工程问题能力的人才为导向，明确了专业实验教学的功能和目标定位，分析了目前专业实验教学中存在的问题，探讨了基于解决复杂工程问题为导向的实验教学方法，重构了采矿工程专业实验教学体系，为采矿工程专业实验教学改革提供了新的方法和途径。

关键词：采矿工程;实验教学;教学体系;专业认证;OBE

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2020）10-0082-06

Abstract： In the context of engineering education certification， taking the mining engineering major of China University of Mining and Technology as an example， the concept of OBE engineering education is introduced into the experimental teaching of mining engineering specialty. Student-centered and guided by training talents with the ability to solve complex mining engineering problems， the function and goal orientation of professional experimental teaching are defined， and the problems existing in professional experimental teaching are analyzed. In this paper， the experimental teaching method based on solving complex engineering problems is discussed， and the experimental teaching system of mining engineering specialty is reconstructed， which provides a new method and way for the experimental teaching reform of mining engineering specialty.

Keywords： mining engineering; experimental teaching; teaching system; professional certification; OBE

OBE（Outcomes-Based Education）是一種基于学习产出为导向的教育模式，也称能力导向教育或目标导向教育[1-2]。在OBE教育模式中，一改以往的以教师、教室、教材为中心的教学体系，而是以学生为中心，以学生学习产出为导向，同传统的内容驱动和灌输式的教育模式形成了鲜明的对比。目前，《华盛顿协议》各成员国大多数采用了基于产出导向理念的工程教育专业认证标准。

高等教育的任务是培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才，而实验教学是高等教育过程中培养学生创新和实践能力的重要环节[3]。对照工程教育专业认证标准，实验教学对培养目标达成的支撑作用非常明显。积极推动实验教学改革对提高工程教育质量意义重大。目前，国内一些高校在实验教学中探索了OBE的教育模式，取得了一些实践经验，对工程专业人才培养起到了积极作用[4-6]。中国矿业大学的采矿工程专业于2008年通过工程教育专业认证，其一级学科矿业工程入选“双一流”建设学科，拥有国家级实验教学示范中心和国家级虚拟仿真实验教学中心，其实验教学条件和水平处于国内行业高校前列[7]。仔细梳理目前采矿工程专业实验教学体系，发现“以学生为中心”理念体现还不够彻底，人才培养产出导向作用还不够明显，实验教学改革步伐仍需加快。

基于OBE教育理念，本文论述采矿工程专业实验教学的功能和目标定位，梳理目前实验教学中存在的问题;以学生学习产出为导向，制定实验教学目标、教学内容、课程体系、教学方法和考核方式，重构采矿工程专业实验教学体系，以期推动实验教学理念转变，提高专业实验教学质量。

一、实验教学功能及目标定位

采矿工程专业的培养目标是培养厚基础、强能力、高素质，具备一定国际竞争力的采矿高级专门人才[8]。实验教学在强化专业基础知识，培养创新能力和科研素质方面，对采矿工程专业人才培养目标能够起到有力的支撑作用。经过多年的实践和总结，采矿工程专业实验教学形成了明确而合理的定位，即依托矿业工程学科优势，以矿业工程国家级实验教学示范中心为平台，以实践与创新能力培养为目标，以学生为主体、教师为主导，使实验教学成为大学生掌握理论与学科前沿知识、从事创新活动的主要人才培养环节[9]。该定位准确而科学，符合采矿工程专业实验教学规律和工程教育专业认证标准，对推动高质量采矿工程专业人才培养发挥了重要作用。

对照工程教育专业认证标准，采矿工程专业本科生毕业时应达到12个方面的要求（即毕业要求或学习产出），分别是工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究、使用现代工具、工程与社会、环境和可持续发展、职业规范、沟通、项目管理和终身学习[10]。实验教学的功能、目标定位与毕业要求之间的对应关系如图1所示。从中可以看出，毕业要求大体包括三个方面，分别是工程能力、社会责任和职业发展潜力。

工程能力主要体现在解决复杂工程问题时所表现出来的对工程知识的综合运用和创新性思维，具体对应工程知识、问题分析能力、设计开发能力、研究能力和使用现代工具的能力共5个方面，主要反映实验教学的工程技能教育功能;社会责任主要体现在工程及工程人才的社会属性，具体对应社会责任感、环保和可持续发展意识和职业道德规范3个方面，主要体现实验教学的社会教育功能;职业发展潜力是一个综合性的目标，主要对应工程人才的团队协作能力、沟通交流能力、项目管理能力和终身学习的能力等方面，主要体现实验教学的职业教育功能。

二、传统实验教学存在的问题

要指出目前采矿工程专业实验教学中存在的问题，必须先回答两个问题，首先是培养什么样的人，另一个是现在的教学体系能否为所需人才的培养提供足够的支撑。根据工程教育专业认证标准，第一个问题对应的是培养目标和毕业要求，第二个问题对应的是教学体系。实验教学体系主要包括课程质量标准、实验课程、实验条件、实验室制度、实验教师队伍等方面。

（一）课程质量标准中产出导向需要加强

课程质量标准是课程规范化、科学化管理的指导性文件，是教师引导学生学习、学生自主学习、学生学习效果评价和教务部门进行监督、检查和评估教学质量的依据，对保障教学质量具有重要意义[11]。相较于传统的课程教学大纲，课程质量标准的主体发生了变化。教学大纲更强调教师教什么、怎么教和怎么考核学生，而课程质量标准更加关注学生需要学什么、如何学，以及课程学习后会获得怎样的能力，侧重学习产出。课程质量标准不仅是对传统教学大纲的具体化，更是对教学大纲内涵的升华，更加适用于全面提高学生素质、培养创新型人才的今天[12]。采矿工程现有的实验课程质量标准中过多地强调了教学过程和学生对工程知识和实验方法的掌握，实验教学的主体仍然是教师，实验内容、形式大部分是固定的，学生的学习被动居多，更像是规范教师教学的“紧箍咒”，而非学生学习的“指明灯”。

（二）实验课程需要紧跟人才培养需求

过去认为，采矿是一门经验的学问，科学的成分较少，所以采矿工程专业教学的主要任务是向学生传授技术经验，科学探索和创新的内容较少，实验教学更是没有受到很好的重视，实验课时比重低，实验项目少，实验教学形式单一。课程实验项目之间的联系很少进行梳理，存在实验教学内容重复或者缺失的问题。近些年，采矿活动中遇到的问题越来越多，完全靠经验已经无法满足采矿工业可持续发展的需要，大家逐渐意识到科学技术对采矿工业的重要意义，科学采矿和采矿科学的理念逐渐为大家接受，采矿学科也有了很大的发展。新的形势下，已有的實验课程，包括教材、内容和教学形式等，已经无法满足高质量采矿人才培养的需要，急需要推进改革。

（三）实验教学条件有待进一步提高

实验室是实验教学的主要场所，其条件优劣直接关系到实验教学质量。实验室条件包括的内容比较多，主要有实验室空间、实验仪器设备、实验材料、安全保障、规章制度、实验室开放程度等。一般来讲，教学实验室长期作为教辅单位，养成了规范化管理的思想惯性，教学过程中执行规定性动作，这在传统的实验教学模式下适用性较强。但是，从另外一个角度来看，这种传统的实验室运行模式没有把实验室作为人才培养的主战场，主动承担人才培养的意识不够强。实验教学过程中，规定实验时间、地点、实验仪器、材料、内容、步骤、报告格式等是普遍现象，实验过程明显教条化。在基于OBE理念的教育模式下，实验教学的主体不再是专任教师、实验教师或者实验技术人员，而是学生。实验室的管理不能再按照教师的要求运行，而是要根据学生的需求而改变，这必然产生多元化的实验室使用需求，比如在实验教学时间安排上可能相对分散，实验仪器的功能上可能更需多样化，实验耗材可能不再是通用的，安全保障需要考虑更多，规章制度需要更完善，实验室开放程度要求更高。

三、OBE理念下实验教学体系重构

在OBE教育理念下，实验教学体系的构建应采取“反溯式”方法，即先明确目标，分解指标，寻找和构建支撑条件。在实验教学体系构建过程中，需要体现以学生为中心，以学生学习产出为导向，明确教师的引导作用，从实验教学目标、实验课程体系、实验教学方法、考核和评价反馈机制等方面开展设计[13]。

（一）专业实验教学目标

采矿工程专业实验教学的目标是培养学生通过实验方法解决复杂采矿工程问题的实践和创新能力，具体可以分解为以下指标：1. 专业领域科学实验方法;2. 实验现象与数据分析;3. 理论联系实际认识自然现象和工程原理;4. 现代实验仪器仪表和现场作业工具;5. 科学研究思维;6. 实验成果撰写;7. 学术道德;8. 社会责任;9. 团队分工与协作;10. 专业沟通交流;11. 实验过程组织管理;12. 终身学习意识。这些目标需要实验课程来支撑。

（二）实验课程体系

课程是支撑人才培养目标的关键。采矿工程的专业知识大致可以分为资源开发与规划、采矿方法、岩层控制、灾害防治、环境保护、法律法规、科研方法等几个方面。2016版采矿工程专业本科培养方案中设置了40门专业理论课。通过对专业理论课的知识点进行梳理，大致可以设置14门相应的实验课程，如表1所示。表中所列的大部分为理论课程的配套实验课程。对于实验项目间关联性强，能够独立成体系，或者需要多门课程支撑的实验项目，整合到4门独立设置的实验课程中。

按照实验教学形式，14门实验课程大致可以整合为实验室参观、模型教学、科学实验、上机实验、虚拟仿真与编程共5大类。这种划分方式遵循了“认知-探索-创新”三个递进的实验教学内容层次，其中，实验室参观和模型教学属于认知层次，科学实验属于探索层次，而上机和虚拟仿真与编程则属于创新实验教学层次。同时，在新的课程体系中，“虚实结合、能实不虚”的实验教学理念也有所体现。

在构建的实验课程体系中，实验教学达到288学时，其中，上机实验中的4门课程中融入了理论教学内容，同样也在实验室完成。相较于以前的实验课程体系，新体系中增加了智能开采模型与编程、大数据与物联网、虚拟仿真等方面的实验课程。新构建的课程体系完全覆盖了实验教学的12个目标，支撑作用明显，尤其是科学实验部分，涵盖了所有的实验教学目标。

总体来看，对照现有实验教学体系中存在的问题，除实验室条件外，其余问题的解决在新课程体系中都有响应，充分体现了实验课程体系对实验教学目标达成的重要支撑作用。

（三）复杂工程问题导向式实验教学方法

解决复杂工程问题是工科专业学生学习的主要任务之一，需要贯彻于人才培養的各个环节。问题导向式教学模式是把“问题”作为驱动力，把学生作为教学过程主体，开展问题分析与解决的创新性教学方法[14]。在实验教学过程中，采取以解决复杂工程问题为导向的方法来组织教学，教学目标就更为明确;实验方法与工程实际相结合更能体现课程的必要性和重要意义;工程问题的复杂性会让学生调动更多的知识储备来完成实验;解决问题的过程会让学生更多地展现自身的价值，体会到科学探索的成就感。这种教学方法虽然会给教师的教学设计、教学组织、成绩评定带来挑战，但是只有以学生为中心，以培养具有解决复杂工程问题能力的高水平人才为导向，创新实验教学方式方法，才能够切实提高实验教学质量。下面以采矿工程专业中的 “岩石力学性质测试”实验项目为例，介绍复杂工程问题导向式的教学设计。

1. 教学目标

岩石力学性质测试是采矿工程专业实验教学的重要内容，测试项目主要有岩石的抗压强度、弹性模量、泊松比、抗拉强度、粘聚力和内摩擦角。在实验教学中，如果仅仅把学生掌握岩石力学的实验方法作为教学目标，这门课的人才培养功能就会很单一。对于毕业后从事科学研究的学生，掌握必要的岩石力学实验方法的确很重要，但是对于毕业后进入工程现场或其他行业的同学来说，实验过程的附加功能更不能忽视。因此，以学生为中心的实验教学方法，必然要体现大部分同学所需。

2. 预设问题

图2是煤矿采场老顶的受力模型，老顶厚度为a，上覆载荷q，请根据力学实验结果，按照两端简支梁老顶受力模型，计算老顶的初次来压步距L。

采场老顶初次来压对煤矿工程现场非常重要，需要提前预测，以防安全事故，所以，老顶初次来压步距计算是非常重要的工作，计算过程也比较复杂。针对这一复杂工程问题，学生需要充分利用所学的矿压理论和力学知识来寻找问题的突破口。突破口就是岩层的物理力学性质，主要有岩石的容重、弹性模量和抗拉强度。这些参数需要通过岩石的物理力学实验来获取。

3. 教学组织

实验课之前，题目提前布置;学生通过查阅资料和讨论，分析问题的解决方法，并制定实验方案。实验课上，教师讲解试验机使用方法和岩石力学参数测试方法，之后学生自主分组开展实验。实验课后，学生采用计算机对实验数据进行分析，使用实验数据计算老顶初次来压步距，并撰写实验报告。这一实验教学设计对目标达成的支撑作用如表2所示。从中可以看出，基于复杂工程问题导向式的“岩石力学性质测试”实验教学设计对教学目标的达成有很强的支撑作用。

（四）考核方式及评价反馈

以学生为中心，并不意味着要给学生高分;以学生学习产出为导向，并不意味着只关注课程学习成绩。课程考查的是学生学习效果，核定的是学生获得的能力水平。学生的学习效果不等同于实验结果，是更为广泛的能力产出。能力的培养体现在实验教学过程的各个环节，如实验技能水平、工程知识掌握程度、创新能力、纪律性、团队合作意识、撰写规范性等方面。考核需要对照培养目标，归根结底是评价培养目标的达成度。对于每一门课，需要根据课程设置的功能和人才培养的目标来制定不同的考核方式，不能一概而论。

实验教学的评价反馈机制需要与传统的学生评教区别开来，不是单方面的学生评价教师。基于OBE教育模式所建立的评价反馈机制，其主要目的是评价教学的产出，即学生能力的提高，落地到课程质量标准中规定目标的达成度、实验教学内容与人才培养要求的契合度、实验教学条件的保障程度等方面的评价。因此，建议建立自评和他评多向的评价机制。自评要求教师根据学生学习过程表现和物化成果，来评价实验教学的目标达成度，以及学生本人评价自身能力的提高程度;他评是指教师评价学生学习效果，以及学生评价教师教学质量。这是一个三方的多向评价机制，评价的结果应该通过相应的渠道进行反馈，以利于持续改进。自评与他评相互对照，有利于发现实验教学短板，提高实验教学质量。

四、实验教学保障

（一）教师队伍

在信息社会中，尽管学生获取知识的途径异常丰富，但是教师仍然是教学活动的组织者，是课程质量标准的贯彻者，在实验教学中仍然要发挥重要作用。在实验教学过程中，教师要明确自身定位，发挥引导作用，以学生为中心开展实验教学设计和组织教学活动。以学生为中心，并不意味着实验教师作用的弱化。在以OBE理念制定的实验教学体系中，每一个组成部分的作用都是强化，而不能仅仅理解为教师、教学、教材作用的弱化。教师在知识结构上需要更广泛、内容上需要更深入，对教学规律需要更好把握，教学设计需要更全面，对教学组织有更高要求。另外，实验室的建设、安全保障、仪器操作等方面，实验技术人员更具优势。因此，专任教师与实验技术人员共同协作，对于高效组织实验教学大有裨益。

（二）实验条件

这里所指的实验条件主要是指实验室环境、仪器设备配套情况、实验室制度建设等方面。在传统的实验教学中，实验所需要的仪器设备、材料、步骤都是确定的;实验之前，已经准备好了所有实验所需，学生只是重复、验证，这对实验条件要求较低，实验教学活动固然容易组织。但是，学生在实验设计和实验过程中，思路是发散的，验证理论的同时也会有新的想法、新的探索需求。这就需要实验室充分考虑学生所需，改善实验室条件。首先，建立学生、教师与实验室之间的沟通途径，实验室要建立对外联络窗口;其次，形成实验教学的预约机制，并纳入学校的教学管理制度;三是完善专任教师和实验技术人员的管理和考核制度，充分调动他们的工作积极性;四是保障实验仪器设备数量充足，功能相对完善，所需材料充足;五是构建实验室全时开放机制，保障实验室的高效运转。

（三）教材建设

传统实验教材信息量相对较少，实验内容固化，很难满足目前的实验教学要求。这就需要在教材编写过程中注重启发，给出规范，推荐多样化的参考资料，比如在线课程、慕课等网络资源。如果允许学生自主设计实验，教材就必须具有一定的开放性，不能够固定实验内容和实验步骤。核心内容要在教材中有所体现，也要给学生一定的发挥空间。同时，传统教材作为纸质媒介，能够展现的信息量有限，需要发挥网络视频、虚拟仿真等新媒体手段。针对采矿工程专业实验教学，建议增编《采矿工程虚拟仿真实验》（数字教材）、《采矿工程专业综合实验》、《采矿工程数值仿真》等教材。

五、结束语

当今社会，各行各业日新月异，矿业发展进入新时代，社会对高质量采礦人才需求的呼声也越来越高。中国矿业大学是采矿工程师的摇篮，寄托着国家和社会对矿业人才培养的希望。采矿工程专业将迎来第三次工程教育专业认证，以此为契机，把OBE教学模式引入到采矿工程专业实验教学中，以学生为中心、以学生学习产出为导向，重构了实验教学体系，以期为培养具备解决复杂工程问题的创新型采矿人才提供支撑。

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