基于OBE的采矿系统工程课程教学模式改革

汪朝，聂兴信，顾清华，李俊平

一 引言

采矿系统工程是由系统工程学与采矿工程学相结合而形成的一门交叉学科，它是以运筹学、现代数学、信息网络技术、计算机技术为工具，以系统工程的理论方法为指导，对矿山工程的规划、设计、建设、生产和管理等环节进行局部或总体优化[1]。这门课是在学生学完通识基础课与采矿工程专业核心课后开设的一门专业选修课，其目的是让学生掌握采矿工程优化的基本理论与方法，能够运用数学与计算机技术解决矿山设计与生产中遇到的各类优化问题。

近年来，随着矿山数字化、智能化建设步伐逐渐加快，矿山企业的生产与管理方式与以往相比发生了很大的变化。例如开采的优化设计、装备的自动化与远程操控、智能调度、生产过程的可视化与集中管控等，这些改变对采矿工程专业毕业生的知识与能力水平提出了更高的要求。在这样的背景下，国内部分高校在传统采矿的基础上，开设了智能采矿班，而《采矿系统工程》作为智能采矿方向的核心课程，在专业培养方案里占有重要地位。本文以该课程为例，结合我校已有课程体系， 对教学理念、教学目标、教学体系、教学方式、教学考核及评价等进行梳理，探索多元化教学模式，不断改进教学效果[2]。

二 《采矿系统工程》课程教学理念改革

传统的教学方法以教师为中心，老师依据教学大纲的安排在课堂授课，学生被动接受知识。在这种模式中，学生虽然可以获得较为系统全面的专业知识，但其主观能动性被忽略，长此以往，其自主学习和创新能力逐渐减弱，不能适应专业的发展与未来企业的要求[3]。《采矿系统工程》课程理论知识较多，教学内容比较枯燥，单纯的讲授学生吸收效果不佳，难以达到课程教学目的。因此，为了提高学生的自主学习能力、动手能力与解决问题的能力，作者与教研室其他教师探讨了以结果为基础（Outcome-Based Education，简称为OBE）的课程教学理念[4]，将它用在《采矿系统工程》的教学改革中。

OBE教学理念最早在美国和加拿大的基础教育改革中提出并应用，它以社会和市场实际需求作为出发点，应用型人才培养为导向，构建课程的目标、体系和框架[5]。OBE理念在课程教学里面实施主要包括以下几个方面：①确定课程的教学目标，并根据教学目标对学习成果进行量化；②以学习成果为导向，对教学内容、教学方式进行策划，确保目标实现；③构建合理的学习成果评价体系，并根据评价结果不断的修订教学目标与教学方式。

三 基于OBE理念的《采矿系统工程》课程体系构建

根据OBE的教学理念，我们从三个方面对《采矿系统工程》课程的教学体系进行了重构：教学目标的设定、教学过程设计、教学效果评价。其中教学目标包括学生基础理论与方法的掌握程度与解决矿山工程问题的能力；教学过程则是根据教学目标制定相应的教学内容、教学进度安排、教学方式、教学质量评价体系；教学效果评价主要包括学习成果考核方式与持续改进方案。课程体系构架如图1所示。

图1 采矿系统工程课程体系构架

（一）教学目标的设定

教学目标的设定既要与本专业的培养目标保持一致，又要体现课程的特色，教学目标实现难度不能太高，也不宜过低，确保能够达成。

依据我校采矿工程专业培养目标，毕业生毕业时应具备12个方面的知识与能力，每个知识与能力通过不同的课程教学来实现。通过《采矿系统工程》这门课的学习，应该使学生能够运用自然科学和工程科学的基本原理，用于解决采矿工程领域的复杂问题。由此设定本课程的教学目标为以下两方面。

1. 掌握系统工程的基础理论与方法，具备能够借助计算机软件对知识进行灵活运用的能力。

2. 掌握矿山资源评价、规划与设计、生产工艺流程与矿山管理的优化原理，具备利用基础理论与现代工具解决矿山工程优化问题的能力。

（二）教学过程设计

教学过程是为实现教学目标进行的一系列教学活动总和，主要包括制定教学内容、教学计划，课程教学方式与教学质量评价等，下面结合我校《采矿系统工程》课程改革情况进行详细论述。

1. 课程教学内容

由于采矿系统工程涉及的范畴较广，不可能将所有的知识点纳入到教学范围。根据课程的教学目标，我们选取常用的基础理论知识与矿山工程优化技术作为教学内容开展教学工作。将教学内容划分成4个教学模块，24个知识点，每个知识点对应1-3个基础理论或方法，从而将教学内容具体化。具体来讲，基础理论与方法知识包括：线型规划、整数规划、动态规划、图论、统筹方法、地质统计学、模糊数学、排队论、智能算法等；矿山工程优化问题分为矿山地质资源可视化评价、矿山规划与设计优化、矿山生成工艺系统优化与矿山管理系统优化四个模块，教学内容的详细情况如表1所示。

2. 教学方式的多元化

OBE教学理念强调的是学生的学习结果，学生受教育后获得什么能力是教学所要解决的问题[6]。学生作为学习的主体，如何激发他们的学习兴趣、提高他们的学习能力是教学方式所要解决的问题。根据《采矿系统工程》的课程特点，我们对课程的教学方式进行了改革，主要表现在以下几个方面。

（1）自学-讨论-重点讲解相结合，强调学生的主观能动性

《采矿系统工程》这门课的教学内容多而杂，部分知识点难度大，依靠课堂时间很难讲述清楚。因此我们将教学内容的24个知识点当成24个待解决的工程问题，以问题为导向，在课前让学生自学相关理论与专业背景知识，并拟定解决方案。课堂教学时先由教师对问题进行剖析，简单介绍理论知识；随后学生自由发言，针对问题提出自己的见解，通过讨论得到问题的解决方案，最后由教师总结，并对方案的重难点进行讲解。课堂教学的关键在于如何让学生主动参与到教学活动中来，而确保学生在课前完成充足的预习准备工作是参与讨论的前提。为此，我们建立了基于过程的考核方式，通过布置小作业、课堂提问的方式对学生的自学效果进行考查，将并讨论环节的表现计入平时成绩。

表1 《采矿系统工程》课程教学内容

（2）理论与实践相结合，注重运用专业软件工具

采矿系统工程这门课理论知识偏多，学起来比较枯燥，因此我们在讲授完基础理论方法之后，向学生介绍如何在MATLAB中编程实现，引导学生利用计算机解决各类优化问题，这样学生可以很快将学到的知识应用到解决实际工程问题上来，增强学习的幸福感。

在矿山工程问题优化教学方面，借助目前使用较多的SURPAC、DATAMINE、DIMINE、3DMINE等三维矿业软件平台。这些矿业软件里面含有地质数据三维可视化建模、地质统计学插值、露天矿境界优化、露天矿排产与配矿、地表路径优化、地下矿生产计划编制等优化模块，可以解决矿山实际工程问题。在学习完相关的理论后，在软件中针对实际矿山数据进行演算，帮助学生理解优化原理，从而实现对知识的运用。

（3）线上与线下教学相结合，充分利用网络教学工具

在现代教学中，课堂上传递的知识远远不能满足学生解决实际问题的要求，在有限的课堂时间内，对知识的理解与消化也存在困难，因此需要借助网络的力量，获取更多学习资源。随着信息与网络技术的发展，慕课、微课逐渐成为现代教学的重要手段。课堂上的重难点问题，可以在课下制作微课进行讲解，或者搜索相关的慕 课视频，利用微信或QQ发送给学生，让他们提前预习，课堂上进行讨论和针对性解释。教师的课件、教案、微课视频，相关参考资料等都可以提前在网上通过“超星课堂”“雨课堂”给学生发布，同时也可以掌控学生的学习情况。

3. 教学质量评价

教学质量评价是指对老师的教学内容、教学方法、教学态度等，通过问卷调查的方式，在课程教学中期或末期对老师的教学质量进行打分。教学质量评价是促进教师提高教学水平，保证教学目标达成的重要环节。我们在课程教学过程中，通过网上平台组织3次学生评教，将评教结果及时反馈给任课教师，确保教师教学质量的实时改进。同时，教研室安排专任教师或企业专家进入课堂听课至少两次，对教学过程中的不足之处提出建议，促进任课教师提高教学质量。

（三）教学效果评估

教学效果评估是对整个教学活动中学生的学习成果进行评价。教学效果评估结果是衡量教学目标是否达成的重要依据，也是促进教学内容、教学方式改革的重要因素。课程考核是教学效果评估的重点，优秀的课程考核体系能够对学生起到激励作用，促进学习目标的达成。根据OBE教学理念，我们对《采矿系统工程》课的课程考核体系进行了改革，主要内容如下。

1. 面向过程的课程考核体系建设

目前课程的考核体系都存在着评价指标单一，评价方式陈旧，评价主观性太强等问题[7]。平时成绩+期末成绩是高校常用的考核方式，但大部分老师在计算平时成绩时，只考虑学生的出勤率，不能对学生的真实学习状态作出评价；期末成绩也采多用卷面考试这种简单的量化考核方式，不能全面评价学生的学习成果。我们依据OBE理念对《采矿系统工程》的课程考核体系进行了改进，采用多元化的考核方式，对教学成果进行评价。

从三个方面对学生的学习成果进行考核：平时表现、考试成绩与大作业质量。平时表现包括课堂作业完成情况、课堂讨论与互动、大作业汇报、上课出勤率；考试成绩主要考查学生对基础理论与方法的掌握情况；大作业是给定具体矿山工程概况，要求学生利用所学的理论与优化方法，对采矿工程问题进行分析、建模、求解，最后形成文字报告。平时表现、考试成绩由任课教师根据评分标准直接给分，确保评价过程公正透明；大作业采用答辩方式，除了任课教师，再另外邀请两名专业课老师参加答辩，从而减小打分过程中存在的局限性和主观性，保证评价结果的准确性。最终考核成绩则由三个成绩加权得到，采用五级制评分，各评价指标的给分标准与权重如表2所示。

表2 课程考核评价体系表

2. 持续改进计划

持续改进主要有两个动力源泉，一是学生、专家对教师的评教结果。我们将评教结果与教师的年度考核、职称评定挂钩，对评教不通过的，评职称时实行一票否决。从而突出了以学生为中心的教学理念。二是对课程考核方式与结果的分析，包括试卷或大作业题目质量分析、学生的成绩分布规律分析、得分细节分析、历届成绩对比分析等。通过这些分析，教师可以从细节上了解学生对知识的掌握程度，对后面教学中哪些需要再强化、哪些需要完善做到心中有数。

四 教学模式的实施与效果

西安建筑科技大学的《采矿系统工程》课程已开设近20年，积累了丰富的教学经验。为了与工程认证接轨，我们从2017年开始在西安建筑科技大矿物资源工程专业的本科生中开始实施新的采矿系统工程教学模式。与传统的教学模式相比，新模式要求教师和学生在教学过程中投入更多的时间与精力，但是取得的教学成果非常丰富。通过课程学习，学生不仅掌握了采矿系统工程的基础理论与方法，而且能够运用MATLAB、PHASE2、FLAC3d、DIMINE、3DMINE等专业软件对采矿工程问题进行建模、求解。学生解决矿山实际问题的能力也得到了提高，达到了课程教学目标的要求。但在教改实施过程中也存在一些问题，主要表现在以下几个方面。

1. 学生参与课程教学的积极性不高。新教学模式要求学生具有较强的自学能力与自觉性。那些学习懒散、主动学习能力不强的学生会感到很不适应，跟不上教学进度，不能很好地完成学习目标。如何提高学生主动学习的积极性，激发他们参与课程教学的兴趣，是后面教学中需要解决的问题。

2. 课堂上的讨论环节不容易把控，讨论时间太短形成不了统一的结论，讨论时间过长又影响了教学进度，同时课堂讨论质量还有待提高。

3. 目前课程大作业是由任课教师出题，题目内容与矿山生产实际结合度不高，为了提高学生解决问题的兴趣，矿山优化问题需要更贴近矿山实际，如何搜集相关资料是后期教学所要改进之处。

总之，实施以学习成果为导向的采矿系统工程课程教学模式改革，是遵从国际教育潮流，适应工程认证环境下创新型、应用型本科人才培养的必经之路。通过教学新模式的实施，提高了课堂教学质量，培养了学生的知识应用与解决问题的能力，获得了良好的教学效果。