燕碧娟+王志霞+李自貴

[摘 要] 針對礦山機械設(shè)備工作場所的特殊性及現(xiàn)有教學存在的問題，基于建構(gòu)主義學習理論，對在礦山機械課程體系中進行仿真教學進行了探討。通過仿真，對各種礦山設(shè)備及其工作場所等進行造型，結(jié)合聲音、動畫和圖片，可實現(xiàn)鉆、采、裝運等過程的逼真模擬，從而為學生提供一個接近實際的學習“情境”，加深學生對礦山機械設(shè)備的理解，達到預(yù)期的教學目標，同時可以實現(xiàn)學校教育與對口企業(yè)工作崗位零距離對接。

[關(guān)鍵詞] 礦山機械；仿真教學；建構(gòu)理論；課程體系

[中圖分類號] G642.0 [文獻標志碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）04-0077-03

0 引言

作為重型機械行業(yè)傳統(tǒng)特色專業(yè)，太原科技大學礦山機械專業(yè)開設(shè)于1975年，1996年根據(jù)教育部本科專業(yè)調(diào)整目錄重新更名為現(xiàn)在的機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)礦山機械方向。本科階段開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課幾乎涵蓋了礦山各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中需用到的設(shè)備，該課程體系主要包括《裝載與挖掘機械》、《提升機械》、《選礦機械》、《采掘機械》、《專題講座》等。通過相關(guān)課程的學習，力求讓學生掌握礦山生產(chǎn)一線主要生產(chǎn)設(shè)備（裝載機、挖掘機、提升機、破碎機、振動篩、牙輪鉆機等）的工作原理、主要結(jié)構(gòu)設(shè)計計算、性能特點等知識點，從而為將來盡快融入工作打下堅實的基礎(chǔ)。因該專業(yè)課程設(shè)置特色鮮明，歷經(jīng)歲月變遷在同行中依然享有較高盛譽，同時保證了學生畢業(yè)后的高就業(yè)率。另外，社會生產(chǎn)的不斷變革，為專業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了新的機遇，同時也提出了新的挑戰(zhàn)。只有根據(jù)生產(chǎn)實踐的具體要求，確定自身的發(fā)展目標和教學特色，才能提升專業(yè)的整體水平和競爭力。然而，基于安全方面的考慮，本專業(yè)學生到大型露天或地下礦進行認識生產(chǎn)實習（包括各種現(xiàn)場教學）的機會有限，因此學生對礦山機械設(shè)備尤其是其工作環(huán)境的認識大多停留在書本上，缺乏感性認識，這制約了學生在本專業(yè)方向上的創(chuàng)新性發(fā)展，從而導致學生的課程設(shè)計基本處于閉門造車的狀況。

所謂仿真教學，是借助半實物裝置或計算機技術(shù)進行零部件的設(shè)計、拆裝、實際動作模擬等過程的教學方式[1，2]。隨著計算機技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用，計算機仿真在教學中的作用日漸突出。采用計算機建模、交互設(shè)計等手段，對礦山機械課程體系中涉及到的各種礦山設(shè)備及其工作場所等進行造型設(shè)計，結(jié)合聲音、動畫和圖片，可實現(xiàn)礦物鉆、采、裝運、破碎等過程的逼真模擬，從而加深學生對礦山機械設(shè)備的理解，同時彌補了教學設(shè)備及現(xiàn)場教學缺乏的不足，并為相關(guān)課程的進一步改革提供一定的幫助。更重要的是，通過仿真，在教學中能更好的融入相關(guān)知識，保證了學校教育與對口企業(yè)工作崗位“無縫對接”。

1 建構(gòu)主義學習理論

心理學家皮亞杰提出的建構(gòu)主義理論為仿真教學的實現(xiàn)奠定了良好的理論基礎(chǔ)[3，4]。仿真教學中充分應(yīng)用和體現(xiàn)了該理論的“情境”、“協(xié)作”、“會話”和“意義建構(gòu)”四大要素。

“情境”：不同于常規(guī)課堂教學，仿真教學其典型的優(yōu)點在于為學生提供了一個接近實際的學習情境，從而幫助學生更好地認識其面臨的學習任務(wù)，并將新的內(nèi)容消化吸收到已有知識結(jié)構(gòu)中[5]。比如，在地下鏟運機工作機構(gòu)教學時，通過對其各個桿件的三維建模，再進行裝配，可以很好的實現(xiàn)地下鏟運機實際工作時各個動作的模擬，另外學生也可以進行整個機構(gòu)的拆裝，從而加深對課堂講授內(nèi)容的理解。

“協(xié)作”：仿真軟件在教學過程中進行實際操作運用時，“協(xié)作”會體現(xiàn)在各個過程中。比如，在傳授學習內(nèi)容、分派學習材料時，就需要代課教師和學生一致協(xié)作；在分組實驗時，就需要同學之間互相協(xié)作；在對每位同學搜集到的資料進行整理評價、匯總時，協(xié)作同樣體現(xiàn)在其中。以上各種協(xié)作有助于提高學生的團隊意識以及解決問題的能力。

“會話”：在進行仿真教學時，“會話”有助于加快學生重建其認知結(jié)構(gòu)，其包括代課教師與學生、學生與學生、學生和網(wǎng)絡(luò)之間的會話等。

“意義建構(gòu)”：進行虛擬仿真時，學生在上述各環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上，已循序漸進地理解了“情境”中的任務(wù)，因此，最終實現(xiàn)了“意義建構(gòu)”目標，并進一步更新知識結(jié)構(gòu)、提升個人解決實際問題的能力。

因此，基于建構(gòu)主義學習理論，結(jié)合礦山機械課程體系中各門課程的特點，在傳統(tǒng)教學中靈活運用計算機仿真輔助教學，是實現(xiàn)預(yù)期教學目標的一個行之有效的方法。

2 傳統(tǒng)課堂教學模式存在的主要問題

《裝載與挖掘機械》、《提升機械》、《選礦機械》、《采掘機械》、《專題講座》等課程多年來一直沿用傳統(tǒng)的課堂模式。對于一些典型設(shè)備的構(gòu)造，教師經(jīng)常結(jié)合教材采用掛圖的方式進行講解，這樣，遇到某些復雜結(jié)構(gòu)組成問題，即使有相當教學經(jīng)驗的教師，也很難講清楚；另外，對于一些零部件的設(shè)計，如何讓學生根據(jù)已有的知識結(jié)構(gòu)分析零部件的受力特點、危險截面位置以及應(yīng)力分布情況是一個教學難點，采用常規(guī)的教學方法，內(nèi)容枯燥，很難收到良好的教學效果。

礦山機械專業(yè)所開設(shè)課程都具有很強的實踐性，考慮到礦山環(huán)境的特殊性，從當下的教學情況來看，學生實踐經(jīng)驗明顯不足。當僅僅利用上述媒體（包括教材和掛圖等）進行教學時，由于未能給學生提供一種更加接近實際現(xiàn)場的“情境”，學生對其學習任務(wù)含糊不清，不知道自己將來畢業(yè)以后究竟去干什么，換句話說，不理解課堂上講的內(nèi)容在實際工作中的作用，時間久了，也就失去了對本專業(yè)學習的興趣。集中表現(xiàn)是上課曠課情況時有發(fā)生，到課的也有個別同學玩手機、看閑書等。因此，如何改革傳統(tǒng)課堂模式就顯得非常迫切。

3 礦山機械課程體系仿真教學探究

3.1 仿真教學的特點

引入計算機“仿真”教學，其主要優(yōu)點可整理歸納如下：（1）學生的沉浸感，如同電腦游戲一樣，學生可以整個身心投入到虛擬的機器設(shè)備作業(yè)環(huán)境中；（2）感知性，借用人體的眼睛、耳朵等知覺通道，師生能夠直接獲取虛擬設(shè)備的相關(guān)知識；（3）交互性，借用人機界面，信息可以在虛擬設(shè)備和學生間流動，提高學生解決實際問題的能力；（4）安全性，礦山機械課程體系中的各門課程，均安排了一定量的現(xiàn)場實踐教學，如采用仿真軟件進行演示教學，將會解決一些后顧之憂。

然而，需要指出的是，仿真教學對于學生的知識建構(gòu)起到了很大的幫助作用，但其絕對不可以替代一切實踐環(huán)節(jié)。因此，要為學生盡可能地提供多種學習渠道，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，提高教學效果。

3.2 仿真教學在礦山機械課程體系的應(yīng)用

為了讓學生更好地了解所學專業(yè)設(shè)備的工作環(huán)境、工作性能及在教學中引入的一些相關(guān)技術(shù)的最新知識，礦山機械教研室的教師利用節(jié)假日深入到各地礦山、井下、礦山機械廠、洗煤廠等進行實地考察學習，拍攝了大量的礦山設(shè)備的真實外部面貌，并錄制了逼真的相關(guān)機器的作業(yè)視頻畫面，把搜集到的大量資料整理后插入到多媒體課件中，從而一定程度上豐富了課程內(nèi)容。同時，為各門課程高質(zhì)量的講授工作提供了有力保障。

另一方面，針對掘進機、纏繞式提升機等大型礦山設(shè)備，充分利用周圍的研究生資源和仿真技術(shù)，將設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)組成及故障診斷等知識動態(tài)的虛擬到電腦中，讓學生置身于計算機還原出的虛擬設(shè)備中，不需要去真實的礦山，就完全可以體驗到地下或露天的作業(yè)環(huán)境，并可以解剖開整個設(shè)備，了解、掌握其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各個組成零部件的結(jié)構(gòu)特點，彌補了上述拍攝相片或視頻中只有機器外部輪廓的不足，從而讓一些抽象知識直觀化。這樣，借用各種手段，教學形式更為生動，顯著提高了課程的教學效果。

1）現(xiàn)代化礦井仿真模擬系統(tǒng)。通過幾年的教學探索，引入了現(xiàn)代化礦井仿真模擬系統(tǒng)，其主要涵蓋了井下巷道布置系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)和地面工業(yè)廣場布置系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)融合了計算機、PLC可編程控制、多媒體等先進技術(shù)，實現(xiàn)了理論與實際相結(jié)合，動作、文字、聲音相結(jié)合的完美效果。利用該系統(tǒng)，可以向?qū)W生動態(tài)展示礦井火災(zāi)、透水以及采煤工藝過程等。具體為：（1）通過仿真，向?qū)W生演示各種采煤法，如急傾斜柔性掩護支架法、走向長壁法、傾斜長壁法等，并介紹相對應(yīng)的巷道布置情況；（2）在高仿真的井下環(huán)境中，以人機交互的形式進行掘進機的割煤、轉(zhuǎn)載工作實驗教學，鑿巖鉆車前、后行走和工作過程的虛擬仿真，包括鉆孔過程、鉆具受力、鉆機整機穩(wěn)定性等的虛擬仿真，為學生提供一種逼真的工作“情景”；（3）讓學生在多維度的仿真環(huán)境中，體驗地下鏟運機的工作過程，包括鏟運機轉(zhuǎn)載、運輸與卸載過程，并仿真研究其平移特性和卸料特性；（4）為學生提供礦井提升機提升過程虛擬仿真過程，其功能主要包括物料自動裝載過程、自動卸載過程，提升過程的操作控制，假設(shè)“故障”下的自動報警等。

2）露天礦布置模型。露天礦山開采主要包括鉆孔、爆破、鏟裝、運輸?shù)裙に嚟h(huán)節(jié)。經(jīng)過高維度計算機仿真模型系統(tǒng)，能夠向?qū)W生立體展示出露天礦開采工作面的布置情況以及動態(tài)演示上述鉆孔等幾個工藝過程，從而讓學生體驗露天采礦的全過程，與將來從事的工作零距離對接。和井下礦相比，露天礦山用的設(shè)備類型較少，但其生產(chǎn)能力都較大，最典型的代表就是太重生產(chǎn)的WK-55機械式礦用挖掘機。通過仿真平臺，建立了WK-55的多自由度數(shù)字模型，從而實現(xiàn)了其各種動作，包括挖掘、回轉(zhuǎn)、行走等的逼真模擬。

3）零部件圖形庫。經(jīng)過幾年教學的積累，利用Pro/ENGINEER 三維造型軟件建立了礦山設(shè)備零件庫，從而滿足了學生對設(shè)備進行裝配的教學要求。在計算機模擬仿真環(huán)境下進行各個零件的組裝，同時，可對裝配完成的零件進行干涉分析、運動分析。

上述各仿真模型的應(yīng)用，基本上可以滿足太原科技大學礦山機械專業(yè)各門課程、認識實習、生產(chǎn)實習的教學要求；當然也可以為其他相近專業(yè)（比如工程機械）的教學提供一定的幫助。

4）實施效果。通過在礦山機械課程體系中滲透仿真教學，改善了以往課程內(nèi)容枯燥乏味的局面，經(jīng)過不斷的摸索、學習、實踐，一方面，教師從該過程中收獲很多；另一方面，學生的學習主動性、積極性也調(diào)動了起來，改變了教師“滿堂言”的狀況，通過采用各種情景式、啟發(fā)式教學方法，引導學生參與課程的討論，把新的知識整合到已有的知識結(jié)構(gòu)中，最終達到了意義建構(gòu)的目的。另外，通過對礦山機械專業(yè)的畢業(yè)生及其工作單位進行走訪調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學生能夠很快適應(yīng)新的工作環(huán)境，解決問題的能力強，得到用人單位的一致好評，實現(xiàn)了學校教育與工礦企業(yè)的零距離對接。

4 結(jié)束語

本文基于建構(gòu)主義學習理論，針對礦山機械課程體系的特點，提出在傳統(tǒng)教學中滲透穿插仿真教學的觀點。通過在教學中向?qū)W生展示各種現(xiàn)代化礦井、露天礦模型，讓學生能夠感受到礦山企業(yè)“真實”的工作環(huán)境；通過礦山設(shè)備組成零部件圖形庫的建立，可以讓學生在一種模擬的環(huán)境中對設(shè)備進行裝配。上述各仿真模型的應(yīng)用實施效果明顯。

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