新工科背景下岩土钻掘工程学课程教学改革创新探索

刘永升，王 瑜，刘宝林，李国明，胡远彪

（中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083）

2015 年5 月国务院正式印发《中国制造2025》，到2025 年我国预期将迈入制造强国行列，到2035 年我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平[1]。2017 年以来，教育部组织高校深入研讨，先后形成“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”，初步确定了面向未来的工程教育发展的新理念和新模式，新工科建设应运而生。相对于传统工科而言，新工科以新经济和新产业为背景，以立德树人为引领，以应对变化和塑造未来为建设理念，以继承创新、交叉融合和协调共享为途径，旨在培养适应未来发展的创新型、多元化高素质卓越工程人才[2]。工科教育与改革备受重视，“新工科”是对传统工科的升级改造，相较于传统的工科人才，未来新兴产业和新经济需要的是实践能力强、创新能力强及具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才[3]。新工科人才既要具备运用既定知识解决现有问题的实操能力，又要能够持续学习、自我更新并跟进知识和技术的迭代，成为引领科技革新和产业发展的中坚[4]。

2020 年中国地质大学（北京）地质工程专业通过工程教育专业认证，岩土钻掘工程学课程作为中国地质大学（北京）双一流学科——地质工程专业核心主干课程，直接影响本专业学生专业知识架构的形成，同时对凸显地质工程专业特色具有重要作用。传统课堂教育与工程教育认证背景下课堂要求存在一定差距。特别是2020年以来，在新冠肺炎疫情冲击下，该课程迫切需要探索由线下课程转为线上课程，既是机遇也是挑战，一方面有利于实现课程的教育信息化，综合运用现代教育技术，提高教学质量；另一方面，该课程一直以线下教学为主，线上教学为辅，在疫情影响下转变为线上教育暴露了课程存在的诸多问题亟待解决，基于新工科人才的培养目标的教学改革势在必行。

一、岩土钻掘工程学教学目的及课程特色

（一）教学目的

地质工程是中国地质大学（北京）双一流专业建设的着力点，学校积极倡导和大力支持巩固和发展该专业的优势地位，岩土钻掘工程学作为本专业的主干核心课，旨在教授学生钻探工程的基本工序、施工工艺和设备，以及与之相关的理论知识。

目前，该课程授课学生为大三年级，在前期大一、大二基础课程之上的专业知识的拔高学习，通过课程学习，使学生了解地质工程专业发展动态和前沿技术，掌握岩土钻掘的新技术、新方法，辅以实习和实验教学环节，拓展学生思路，提高学生分析和解决复杂地质工程问题的能力，注重理论与实际相结合，培养和提高学生在深入理解有关原理的基础上实际应用的能力，使本专业毕业生适应今后面向地质矿产资源勘探、水资源的探采结合，以及城乡建设、交通规划、水利水电和油气钻采等行业的工作需要。在课程教学过程中，需着重培养学生的实践能力、创新能力和国际竞争力，开拓工程教育改革，以培养工程创新人才，为打造世界工程创新中心和人才高地贡献一份力量。

（二）课程特色

在课程教学改革创新探索中，要注重保留并发展课程特色。从基本概念入手，循序渐进讲授其所涉及的关键技术，注重将理论与实践相结合，培养学生在深入理解有关原理基础上的实际运用能力，同时在课程中要注重培养学生的实践能力、创新能力和国际竞争力。

1.保留课程传统特色

（1）紧贴工程实际。本课程教学内容实用性极强，所学专业知识紧贴工程实际，可以说岩土钻掘工程学来源于生产实际又服务于工程实际，通过本课程的学习，可以完全适应面向地质矿产资源勘探、水资源的探采结合，以及城乡建设、交通规划、水利水电和油气钻采等行业的工作需要。

（2）学科交叉性。本课程涉及高等数学、岩石力学、流体力学、材料力学、固体力学、机械工程和地球科学等相关学科，学科知识结合交融性强，能全面培养学生的专业综合知识。

（3）专业实践性强。岩土钻掘工程学专业性、工程应用性强，强调学生融会贯通理论知识于实际应用之中，所以要注重培养学生实践动手的能力。

2.发展课程特色

（1）培养学生创新能力。在课程教学中，教师通过案例教学，引导学生在工程实践教学中发现生产实际问题，并提出解决方案；通过搭建校企合作实践平台，邀请校外企业专家讲座等方式了解生产实践问题；鼓励学生参与大学生创新项目等竞赛，培养学生创新能力。

（2）提高学生国际竞争力。课程通过搜集并研习当今国内外岩土钻掘工程的先进研究文献、“双语教学”等方式培养国际化人才，提高学生国际竞争力。

二、当前课程教学存在问题

岩土钻掘工程学是中国地质大学（北京）的传统、优势课程之一，但缺乏创新动力。新工科背景下，面对固有问题及疫情下教学模式的改变，课程教学暴露诸多问题，面临改革挑战。

（一）课程内容与教学方法落伍

1.教材经典，知识陈旧

该课程仍然沿用“九五”期间兄弟院校共同参编的重点教材，虽包罗万象，但内容、知识等陈旧、落伍，无法反映本学科最新动态，亟待更新。例如，由于教材出版于2001 年，所以绪论中21 世纪的岩土钻掘工程发展概况未在课本体现，当前国内外最先进岩土钻掘工程研究及发展现状和相关案例未在课本体现。

2.电子教学资源不足

当今时代，教育信息化改革迅猛发展，在线教学成为必然。岩土钻掘工程学急需应对改革，仅凭单纯课本的讲授单调乏味，不利于调动学生学习积极性，已无法满足学生学习需求。然而，现有课程电子教学资源匮乏，电子教材、电子课件和网上课程等教学资源急需丰富。

3.教学方法单调

传统课堂采用“填鸭式”讲授法教学，教师课堂讲授为主，导致课堂死寂，学生基本以听讲为主，被动接受知识，忽略叙述主体性，不利于发挥学生的主动性。课程教学活动缺乏互动，不利于激发学生的学习兴趣。在教学模式改革背景下，教学方法亟待更新。

（二）课程成绩评定方式单一

课程成绩评定方式主要为理论知识测试，即期中、期末闭卷考试，考核方式“机械”，仅考核学生课程知识点掌握情况，部分学生可能并没有完全理解内容，靠死记硬背取得高分，无法考核学生在工程实际中问题解决能力、实践能力、思维能力与创新能力，也就无法培养适应新工科人才。

（三）实验课停摆

岩土钻掘工程学本身为实践性强的学科，2020 年疫情影响下，导致实验课无法开展，工程理论知识与工程实践脱节，导致大部分学生虽然能够掌握理论，但是遇到具体的工程问题时，无法将课堂学习的理论知识运用于工程实际。

三、课程教学改革创新探讨

课程教学改革创新，既要解决课程亟待解决的问题，又要注重保留并发展课程特色，即课程紧贴工程实际、注重学科交叉及课程实践性，注重培养学生创新能力与国际竞争力。

（一）更新教学内容及课件

1.更新教学内容

课程教学不能单纯依赖课本，课程内容需进行更新换代，系统地梳理课程架构，并追踪国内外研究进展，深度更新课程内容，使课堂展示更生动，同时使学生了解当下岩土钻掘工程学现状，提升其学习兴趣。

2.更新教学课件

早在2000 年中国地质大学（北京）就开始研究利用计算机多媒体技术编著《岩土钻掘工程学》多媒体课件的方法及过程。利用Flash、photoshop 软件制作课件，将本门课程教学难点如：岩石破碎、钻孔冲洗和钻探质量生动展现。按照传统教授式教学方法只能凭借想象，但是利用计算机技术，制作大量图片与三维动画，将抽象概念直观展现给学生，可以提高授课质量[5]。计算机辅助多媒体课件可以增加学习趣味性，促进学生对抽象内容的理解。在此基础上，除了借鉴先前课件使用的制作软件外，还将运用更加丰富的开发工具Croe、Solidworks、UnityStudio3D等制作课件，向学生展示本门课程涉及的原理。

教学课件的制作上，采用师生合作形式制作，使学生在深度掌握课本内容的同时，也掌握丰富的开发工具，便于后续深度学习。

（二）创新教学方法

1.翻转课堂与案例教学法结合

翻转课堂是一种新型教学模式，也称颠倒课堂。指重新调整课堂内外时间，教师不占用课堂讲授信息，教学流程由“先教后学”变为“先学后教”，这种逆序创新的教学模式大大提高了学生学习的主动性和积极性[6]。通过录制微课，学生自主观看，可以将理论知识移到课外，课堂内通过研讨、完成任务可以有效锻炼学生的实践能力。体现了“学习者为中心”的教学思想，有利于提升学生学习兴趣。

从课程特色来看，岩土钻掘工程学属于多学科交叉课程，具有较强理论性、综合性和实践性，比较适合理论讲解和简单案例介绍。该课程将翻转课堂与案例教学相结合，具体步骤为微课讲授理论提出任务设计、课堂案例探究及课后总结。课堂教师针对重点理论提出经典案例，引导学生进行研究型学习，学生以小组为单位进行探究，获得解决问题的能力，课后要求学生将所学内容总结内化。将翻转课堂与案例教学法相结合，课堂基于实际应用问题互动，提高学生解决工程实际问题的能力。

2.团队项目（Team project）

借鉴国外课程学习经验，设计本课程的Team project，培养学生的团队合作精神，将学生每5 人分为一组，注意“强弱搭配”，增强“生-生”互动，让学生边学边想，边想边实现，集体完成学习任务，集中体现学以致用，让学生体验合作学习的成就感。

3.中英双语教学

双语教学有利于提高学生的国际竞争力，作为双一流学科专业，应该培养国际化的人才。双语教学可行性表现在该课程授课对象为大三年级本科学生，已完成公共课英语的学习，绝大多数学生已通过四级考试，为双语教学的进行提供了重要保证。

双语教学必要性表现在运用中英双语教学便于培养国际化地质工程专业人才。英语在国际科技交流中被广泛使用，采用双语教学，提高英语交流能力对工科学生具有重要意义[7]。学生今后在钻掘工程方面产品开发、设备使用、生产科研中不可避免要接触国外先进技术，查阅参考资料或直接参加科技交流及进行相关研究都离不开英文。随着“一带一路”倡议实施，中国基建项目也在海外落地生根，地质工程专业人员须掌握英文以满足今后工作需要。

课程中将探索采取简单问题英文讲授，复杂问题中文讲授方法，编制岩土钻掘工程方面中英专业术语对照词表，提高学生专业英语能力，能够促进其读懂国外研究文献、使用设备和科技交流等问题，培养国际化地质工程专业人才。

4.鼓励学生参加竞赛

引导学生进行创新设计，鼓励学生组队参加“大学生创新项目”等竞赛。让学生学有所用，提高学习兴趣的同时，将所学知识应用于工程实际，在进行科研训练的同时使其获得成就感。

5.探索运用虚拟仿真技术

新工科背景下，虚拟仿真技术备受关注。探索运用虚拟仿真技术，增加实体教学模型，提升课堂的真实性，尽可能把实际带入课堂，让学生有身临其境之感，激发学生学习兴趣，同时，有利于学生实践动手的开展。将虚拟现实技术用于实验教学。将复杂的地质工程及钻探工艺相关知识运用形象直观的3D 图形表现出来，建立人机交互界面，把工程现场情景化，综合采用了三维动画技术、平面动画技术、虚拟现实技术及媒体交互技术等当今世界上多种最新的高科技媒体技术[8]，使得课堂生动有趣，此外运用虚拟仿真技术不仅可以解决疫情期间实验、实习困难，而且可以降低风险和成本。

（三）采用多平台混合式线上教学

课程教学改革后，采取腾讯课堂录播+直播+微信群混合式线上教学，实现翻转课堂及案例教学，提高教学与学习效率。

1.课前预习

基于翻转课堂，将教学内容设计划分10 个知识点，教师将学生分为10 个小组，每组4～5 人，要求每个小组负责一个专题讲解，教师对教学内容进行整体把控，通过引导组员对专业文献尤其是英文文献阅读和整理，网络搜集国内外行业发展动态，在此基础上录制微课上传腾讯课堂由其他班级成员自行观看。微课用语原则为，简单问题英文讲授，复杂问题中文讲授。教师辅助学生完成复杂三维动画课件，并同步将已优化更新的PPT 课件上传至百度网盘，从而师生共同完成课件更新换代。另外，腾讯课堂可以记录学生观看时长，起到监督作用。

2.课上案例讲解与Team project

腾讯课堂可以显示在线人数与听课情况，有利于学习过程监督，同时省去点名、签到等环节，节约时间，也可实时掌握学生学习动态。教师课上案例讲解通过共享屏幕及上传PPT 分享课件，并利用腾讯课堂分组功能，针对微课中所提及的课堂任务进行小组讨论，通过生-生的团队合作完成Team project。

3.课后反馈

课后作业的布置考虑中英双语，适当设置英文题目，体现双语教学。针对课后作业，为避免抄袭，要求学生将所有作业拍照上传。建立课堂微信群，便于师生、生生互动，针对学生疑惑，学生或教师在微信群进行答疑解惑，教师通过随时收集反馈信息，认真开展教学反思，及时调整教学模式。在课上有针对性地对学生知识欠缺点、盲点和遗漏点进行查漏补缺，充分发挥翻转课堂教学模式中个性化教学的特点和功能[9]，也使学生养成随时学习的习惯，营造良好的学习氛围。

（四）课程评价改革

1.学生者测评

采用综合性成绩评定方式，取消单一理论知识考核方式，仅考察理论知识不利于提高学生的学习兴趣，容易让学生“死记硬背”，机械性学习。岩土钻掘工程学作为一门实践性强的课程要最终服务于工程实践，因此应对学生理论知识、实践能力和动手能力等进行多元综合性评价。改革后的课程将通过理论测试（50%）、实践认知（15%）、动手创新（15%）、Team project（20%）四位一体综合评价学生成绩。

2.对课程本身的评价

课程进行中和课程进行后对学生进行网上问卷调查与访谈，调查与成绩无关，确保匿名，以便使学生无后顾之忧。调查学生对课程的满意度、在教学内容、教学方法、成绩评定及教师等方面的意见，通过课程中的形成性评价和课后总结性评价反馈于课程设计，以便教师对课程进行优化与调整。

（五）校企合作

产教融合、校企合作的人才培养模式是培养高素质复合型新工科人才的未来趋势。比如：该课程通过带领学生参观油气钻采公司、邀请校外专家开展讲座等方式加强校企合作，了解企业先进技术与行业现状，让学生更真实了解工程实际。校企合作一方面能够缓解高校教学硬件设施不足的缺点，另一方面可以提高人才培养质量，使学生了解工程师实际工作状态，提高学习的兴趣。

四、结束语

新工科背景下，工科教育面临教学改革，特别是疫情的影响加速了高校教育信息化的进程，作为一门一流课程必须能够成功应对复杂环境的挑战。岩土钻掘工程学作为地质工程专业主干核心课程急需针对当前课程的诸多问题，进行教学改革创新，以便为培养高质量地质工程人才提供重要保障。针对课程目标和特色，面对当前课程存在的问题，从课程的内容、教学方法、多平台混合线上教学、课程评价和校企合作等方面对该课程进行教学改革创新探索，最终使这门课程能够适应新工科培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才的要求，着力打造一门一流课程。