矿业工程专业开放式实验教学模式研究

张开永，马尚权，石常省

(华北科技学院环境工程学院，北京东燕郊 101601)

0 引言

华北科技学院隶属国家安全生产监督管理总局，是一所为安全生产领域培养高级专门人才以及解决关键科技问题的一流教育培训基地的高校。作为安全特色为主的高校，包括采矿工程、矿物加工工程、安全技术及工程的矿业工程类专业起着重要的作用。矿业工程学科的发展对国民经济建设和社会发展极为重要，并将不断推动和促进国民经济的可持续协调发展。

矿业工程一级学科设置的采矿工程、矿物加工工程、安全技术及工程二级学科之间存在相互依赖、共同发展的内在联系。采矿工程场所大多处在错综复杂的环境中，采矿工程依赖安全技术及工程提供安全保障。安全技术及工程学科的对象是工矿企业的安全技术问题，但其突出研究对象是矿业领域的重大灾害事故和安全问题。采矿工程开采出的矿产资源，通常需要经过矿物加工才能成为冶金、能源、化工、建材等行业的原料。

华北科技学院作为培养人才的基地，目标是培养德、智、体、美全面发展，知识、能力、素质相互协调，具有安全意识、实践能力、创业精神，适应社会发展需求的应用型高级专门人才。在此情况下，学生的理论知识固然重要，而锻炼实际操作技能和分析解决问题能力的实验教学更加重要，实验开放教学愈加必要。

1 实验开放教学的目的及意义［1］

1)与学校培养学生的目标相符合。学校的目标是培养应用型高级人才，而开放性实验能够充分发挥实验室在培养学生成长成才方面的作用与地位，充分挖掘开放性实验室资源的独特潜力，对于培养优秀人才意义深远。

2)学生的实践技能、分析问题和解决问题的能力得以提高。学生利用课余时间，结合所学知识，处理实验过程中遇到的各种问题，掌握实验技能和方法，熟悉设备的使用，学会融会贯通。

3)学生的科研能力和社会实践能力有极大的促进。通过开放式实验与教师的科研相结合，一些能力较强的学生在教师指导的基础上进行研究，不仅提高动手和实践能力，而且培养大学生吃苦耐劳的品质，培养大学生的团队精神，有助于大学生自主创业［2］。

4)可以最大限度地发挥学生在实验教学中的积极性和创造性，能很好的培养学生的创新能力、实践能力和创业精神。

5)开放实验还可以提高设备使用率，大型设备能够进行共享。

2 实验开放教学的来源及范围

2.1 实验开放教学来源

1)实验课程中实验项目进行开放

在设置课程实验内容时，可把一些实验项目设置为开放项目，让学生根据课堂所学理论知识，自己进行自主设计，教师给予指导。如矿物加工专业课程《试验研究方法》中实验项目正交试验10学时，学生根据所学的设计知识，提前设计实验方案，教师在实验前给予预先审查，实验中给予指导，学生对实验后得到的数据，自己根据数理统计知识进行分析，得出结论。

2)每学期申报批准的项目进行开放

任课教师在每学期开学初填报项目开放申请，申请开放的项目属于课程教学内容拓展性的实验，原则上不能与本专业教学大纲实验项目相重复，经学校审批后可列入开放实验范围。对项目感兴趣的学生可书面提出申请，由教师选择人数，在正常课程教学安排的时间外预约开放实验。矿业工程类专业申批的主要开放实验项目有《岩石力学参数测定》、《厚煤层分层放顶煤开采覆岩运动规律相似模拟研究》、《高温高湿及有风环境对人体乳酸含量、听力及反应能力影响的研究》、《爆炸管道内冲击波压力及火焰速度参数测定》、《可燃性混合气体爆炸极限参数的测定》、《硅藻土擦洗－离心分选研究》、《三产品干扰床粗煤泥分选实验》等。

3)学生科技创新或教师科研开放

大学生科技创新活动是以学生为主设计实验过程，教师辅导学生进行的一项创新性实验环节，大学生创新活动从学生选题、设计实验方案到进行实验、结果处理和撰写论文各个环节都为学生提供了创新能力培养的机会。学生则利用课余时间来完成［3］。

大学生参与教师的科研项目是指大学生在有科研课题的教师指导下，从查阅资料，了解学科研究前沿，到设计实验方案，进而得出实验结果，直到学会撰写学术论文的过程。整个过程对大学生实践能力的锻炼价值是很大的。

大学生科技创新项目和教师的科研项目都是激发学生兴趣、开拓学生思维，加深理论知识，锻炼学生动手能力，同时教师能够有时间进行教学，达到教学和科研两不误，如矿物加工专业国家级科技创新项目《德兴矿区石煤综合利用分析及其提钒方法研究》、校级科技创新项目《中煤再选研究》、《三产品液固流化床粗煤泥分选机的研制》等。

4)毕业设计(论文)开放

每年毕业班级的学生很多，学生除去做毕业设计外，还有部分学生做毕业论文。在经过开题和指导教师审核后，学生进入实验室工作，在方案制定的情况下进行实验，指导教师根据学生的实验情况给予指导，如实验数据的可靠性、影响因素的作用，产生的原因等，并对下一步工作提出意见或建议。

5)计算机上机开放

计算机上机开放主要包括毕业设计过程中学生预约绘图画图和认识实习前2－3天到机房观看厂房的动态演示，形成初步感性认识，然后再去现场实习。

6)虚拟实验平台的开放

虚拟实验是一种基于Web技术、VR虚拟现实技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。开设各种虚拟实验为学生提供了全新的教学环境。

目前虚拟实验项目主要有:矿井通风摩擦阻力与摩擦阻力系数测定、井巷爆破掘进过程及围岩应力状态虚拟实验、材料拉伸和压缩时的力学性能测试虚拟实验、煤炭发热量测定虚拟实验研究、通风机性能鉴定虚拟实验、采区巷道布置虚拟实验、基于VRP平台的煤样碳氢元素测定虚拟实验研究、人的反应能力测试虚拟实验、岩石巷道炮掘参数确定虚拟实验、岩石单轴抗压实验的虚拟实验、矿井开拓方式虚拟实验。

2.2 开放时间

上述六种开放方式的实验对学生的开放时间各有不同，有的项目开放时间严格，有的项目开放时间灵活。大学生科技创新和教师的科研以及虚拟实验一般跟随项目计划书中要求完成的进度进行，计算机机房开放一般在毕业学期末和认识实习前进行，毕业论文、实验课程中实验项目的开放和每学期申报的开放项目则是随学期完成。

2.3 开放范围

开放范围也不相同，有面向全校学生的，也有针对本学院学生的。面向全校学生的，一般为每学期申报的开放项目，但绝大多数是面向本专业学生开放。

2.4 开放程序和要求

开放的程序为:教师申报或实验室提供实验项目——专家审批(建议资助经费)—— 实验室立项发布——学生提出申请——开放实验室接受申请——学生进入开放实验课题——在教师指导下完成——撰写总结报告和发布成果——实验室组织专家验收——资料归档。

开放要求:1)教师和学生必须提前预约，一方面实验室老师根据开放实验的性质和内容，结合理论课程实验课表，合理安排开放实验时间和开放地点，另一方面实验耗材的准备可有的放矢，减少重复购置。2)指导教师和学生必须遵守实验室的管理制度，包括教师管理制度、学生管理制度、实验室管理制度。各类开放实验室的管理制度应有学生守则，应有学生参与的管理机制，既可优化管理结构，促进学生科研和学习积极性，同时也提高了实验室和设备的利用率，增加产出比。3)实验过程必须登记，具体到实验时间、实验内容、实验学生、指导教师等，除养成科学严谨的作风外，还可对实验倒查，了解开放进展。4)开放实验结束后必须检查验收。主要是仪器设备使用完好情况，安全卫生情况，损失赔偿情况等。

3 开放费用来源

开放实验的费用主要采取下述方式来解决，一是开放课题与教师科研工作结合的方式，如教师科研、大学生科技创新、虚拟实验项目;二是对于某些与科研项目无关的课题，试剂耗材从实验室维持费中支出，分析测试则由指导教师负责筹集，如课程中实验项目的开放、每学期申报的开放项目、计算机机房开放。其研究成果由老师和学生协商和共享。

4 实验室开放效果

1)学生参与的积极性明显提高，如每学期申报的开放项目，一般为16学时，学生不仅锻炼了动手能力，而且可修得1个学分。

2)产生成果，如科技展览、论文发表。

在第三届全国高校采矿工程专业学生实践作品大赛中我校两项作品“新型基点快速安装顶板离层仪”获二等奖，作品“综放工作面端头液压支架模型”获三等奖。

每年坚持进行科技成果展览、科技创新座谈等活动环节。科技成果展览面向全校广大师生，将科技创新作品直观的展现人们面前，每次举办该活动都能吸引众多的学生、教师、周围居民的参观，并给予大量的信息反馈，这些反馈意见可促使科技创新作品达到更高的水准。学生的毕业论文、学生参与教师科研等都有论文发表。

3)虚拟实验共享

用切合实际，合理选择开发技术实现教学型虚拟实验的建设，不仅更新了实验教学观念，重新认识了虚拟实验室的重要作用，解决了场地和实验器材等硬件问题，而且完整的虚拟实验的成功应用实现了资源的共享，全面体现出知识的再现性、在线性和更新性。学生的好奇心、主动性、互动性得到极大的提高。

4)得到相关单位的认可

作为应用型人才培养的高校，华北科技学院一直重视实践教学、突出培养能力把能力培养放置首位，开放实验教学正好与之契合，矿业工程类专业培养出的学生得到相关单位的认可。在研究生入学面试、企业现场实际考核方面，得到了高校和用人企业的肯定，研究生面试学生都被高校录取、工厂认可度令人欣喜。

5 实验室开放存在的问题及其措施

5.1 问题

1)管理难度加大

与传统实验室相比，开放实验室在运行过程中，存在着实验时间不确定、实验项目更多、实验内容日趋复杂、实验对象的多层次和多专业等许多问题。开放实验是学生自主进行实验，相对较为分散，这样给实验室的安全、有效管理带来了新问题。

2)经费

实验室的全面开放，必然会涉及到经费问题，包括实验室的运行管理、仪器设备的保养维护、实验用品消耗等费用，以及开放性实验中的不确定性因素导致增加的费用等。此外，还涉及到指导教师的酬金问题。但开放实验形式灵活多变，并且往往和正常实验共享实验室资源，因此难以统计开放实验的经费投入量，加上学校很少为开放实验设置专项经费，而现有的实验室运转经费已不能适应实验室开放的需要，资金不足。资金的不到位直接影响到实验教师和实验人员参与开放实验教学工作的积极性，影响了实验质量和开放的效果。

3)实验室安全问题。实验室开放以后，使用实验室的时间几乎是全天候的，个别实验需要昼夜持续进行，同时使用实验室的人员在经验、技能、安全意识上参差不齐，带来的安全隐患就更大，实验室的安全管理工作量大大增加。

4)设备管理问题。设备管理是开放实验室最突出的问题，如管理不当，不但容易发生设备故障，还能引发实验人员之间的矛盾和摩擦。与此同时，由于不同学生的知识水平和操作技能存在较大差异，而开放实验中指导教师直接参与指导或引导的力度减少，这在一定程度上更易造成仪器设备的损坏，使得对仪器设备的维护保养任务重、难度加大。

5.2 措施

针对实验室开放以上存在的问题，采取以下措施加以解决:

1)师生要严格遵守实验室开放管理办法、仪器设备管理办法、低值消耗品领用办法、开放实验室安全使用规定等一系列规章制度，对进入开放实验室进行实验的学生提出具体要求或条件限制，如提前提出申请，由实验室老师带领对各项管理制度进行学习，并通过巡查对开放实验室进行监控管理，以确保实验室运行的安全性、有序性和高效性［7，8］。还要建立一系列鼓励师生参与科技创新活动的奖励政策和制度，促进实验室开放搞活。

2)实验用品的消耗可以从每年学校划拨到院部的实验教学经费给予支出，大型设备测试费用出台相应标准，因使用不当造成的设备损坏由学生按照仪器设备管理办法给予一定赔偿，因不可抗力引起的设备损坏由公用设备维修费支出。由于开放实验指导教师的工作量大大增加，应根据实验指导教师的职称适当提高对应的报酬，以充分调动其积极性和主动性，为实验室开放的可持续发展创造条件［4－7］。

3)必须采取措施对实验室安全加以保证，一是要进行岗前安全培训，所有参与实验的学生由实验室专职人员先进行集中培训，然后在专职教师的指导下，用一周的时间熟悉实验室;二是实行值班制，正常上班时间由实验室专职人员负责值班，业余时间按值班表由指导教师轮班巡查;三是实行至少2人在场操作，以便在有安全事故时互相救应。

4)必须加强管理，一是建立完整的设备档案资料，严格操作程序;二是在设备上挂牌或标注警示标记或安全操作要点，杜绝错误操作;三是实行设备使用登记和交接制度。设备使用前由前一次使用设备的人员或专职实验人员现场交接和开机操作，如设备有故障，使用方可拒绝接受，也可进行协商，明确责任并在使用记录上书面记录责任后，可以接受该设备，维修由造成损失的一方负责协调解决，通过这些办法，大大减少了设备故障率，杜绝了使用人员之间的矛盾。

6 实验室开放教学模式图

开放性实验教学模式，不能只停留在开放了几个实验室、是否采用了预约选课系统等简单层面上。而是要求学生在开放实验过程中，不仅要提高逻辑思维和动手操作的能力，还要提高文献查阅、数据处理、技术总结、甚至社交等各方面的综合素质和能力［9］。

根据以上并结合学校实际，制定了矿业工程类开放实验教学模式图，如图1所示。

图1 矿业工程类实验开放教学模式图

7 结语

矿业工程类学科实验开放教学必将极大促进学生自主学习，勇于创新的积极性，并将兴趣爱好与所学专业融为一体，理论与实践紧密结合，更好地为社会提供技术积累，，更好地促进教学质量的提高，更有助于向社会输送有工程实践能力且有科技创新能力的合格人才。

［1］ 陈百玲，廖全斌，潘家荣，孔凌云.高校开放式实验教学的探讨［J］. 陕西教育，2009，10:258.

［2］ 宋远明，徐惠忠，王波，王志娟.大学生参与教师科研课题对促进综合素质发展及就业的作用［J］.吉林省教育学院学报，2013，29(1):12 －13.

［3］ 郑春龙，邵红艳，钟振余，丁爱侠.创新性开放实验项目建设的探索与实践［J］.实验技术与管理，2009，10:15－20.

［4］ 霍文兰.高校实行开放式实验教学存在的问题及对策［J］.榆林学院学报，2010，2:105 －107.

［5］ 刘明远，张立山，孟德光.高校实验室开放管理体制研究［J］.实验室科学，2008，4:114－116.

［6］ 彭龙生，蓝军.高校实验室开放的问题［J］.实验科学与技术，2006，4:98－100.

［7］ 王勇，关斌斌.开放实验室管理模式初探［J］.中国科教创新导刊，2009，11:219－220.

［8］ 陈华絮，杨素娇.开放实验室模式与管理探讨［J］.技术与创新管理，2007，28(3):55－57，60.

［9］ 王少刚.开放性实验教学模式探索与实践［J］.高校实验室工作研究，2010，3:71 －74.