李吉輝 黃根 黃波 馬力強

［摘 要］ 在新工科建設和多學科交叉融合教學的背景下，在專業(yè)內構建多個課程群，使相關課程的教學深度交叉融合具有重要意義。通過礦物加工工程專業(yè)“三維設計”“過程流體機械”“選煤（礦）廠設計”等課程交叉融合教學的實踐和總結，發(fā)現(xiàn)課程交叉和知識融合可以令相關課程中抽象、深奧、枯燥的知識變得形象、簡單和有趣，使得教師和學生都得到更好的教與學的體驗，提升了課程間深入融合產(chǎn)生的教與學相互促進和提升學生解決復雜問題能力的效果，為推動高校多課程交叉融合和課程群建設提供借鑒。

［關鍵詞］ 三維設計；礦物加工；課程融合

［基金項目］ 2020年度中國礦業(yè)大學（北京）本科教育教學改革與研究項目（J200405）

［作者簡介］ 李吉輝（1987—），男，河南滎陽人，博士，中國礦業(yè)大學（北京）化學與環(huán)境工程學院副教授，主要從事礦物加工原理、工藝及設備研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）32-0005-04 ［收稿日期］ 2022-10-21

引言

在國家重大戰(zhàn)略需求驅動下，多學科交叉匯聚與多技術跨界融合成為常態(tài)，并不斷催生出新學科前沿、新科技領域和新創(chuàng)新形態(tài)［1］。多學科交叉融合，是指跨學科、多學科的學科交叉融合的研究、教學、應用。在新工科建設和多學科交叉融合教學的大背景下，在專業(yè)內構建多個課程群，使相關課程的教學深度交叉融合具有另一個維度的重要性［2-4］。

三維設計具有所見即所得，可以提高設計質量、減輕設計工作量等優(yōu)勢，在科學、技術、工程、人文藝術等方面具有輔助跨學科教學的巨大潛力，有助于教師和學生將一定的想法或創(chuàng)意快速付諸實踐，并且可以貫穿教學的不同階段［5］。采用三維軟件輔助設計來逐步代替二維設計是行業(yè)未來的必然趨勢。目前常用的三維計算機輔助設計軟件有AutoCAD、SolidWorks、Bentley、3D Max、SketchUp等，可支持工程圖自動關聯(lián)、三維模型參數(shù)變化自動調整、協(xié)同工作、碰撞檢查、模型預覽與出圖等功能。對于礦物加工工程專業(yè)而言，除了三維工廠建模、可視化設計等功能外，很多軟件還具備作業(yè)過程模擬、虛擬漫游等多種功能，是提高設計過程的有效手段［6］。

本文介紹了作者在礦物加工工程專業(yè)教學實踐中探索出的一些教學方法和思考，對“計算機三維設計（SolidWorks）基礎”（以下簡稱“三維設計”）、“過程流體機械”、“選煤（礦）廠設計”等課程教學的交叉融合和促進進行闡述，以期拋磚引玉，為推動高校多課程交叉融合和課程群建設、培養(yǎng)學生解決復雜問題的能力提供借鑒。

一、三維可視化在“過程流體機械”課程中的交叉融合

礦物加工工程專業(yè)所講授的“過程流體機械”課程，主要內容包括往復式壓縮機、離心式壓縮機、離心泵等機械的典型結構、工作原理、工作特性、選用原則及選型計算等，而上述機械的典型結構和工作原理是其他內容的基礎。作者深度參考和對比了目前市面上的多本教材，發(fā)現(xiàn)不同教材對典型結構和工作原理的文字描述部分趨于成熟，但是插圖的直觀性不高，多數(shù)插圖為二維示意圖。分析其原因，不外乎實物拆解素材缺乏，導致內部結構照片難以獲得。此問題的存在，對于第一次接觸此類機械的學習者，或者渴望深入掌握相關設備內部結構與工作原理的高級學者，都造成了一定的障礙。

而三維建?？梢暂^好地解決這一問題。比如，對于壓縮和膨脹過程較抽象的往復式壓縮機工作過程，在三維基礎課程中，作者帶領學生對打氣筒這一簡單、常見的典型案例進行了拆解和建模（如圖1所示），讓學生深入了解了工作腔、活塞、活塞桿、氣閥等結構，另外通過動畫制作功能中的馬達功能，實現(xiàn)打氣筒運動部件的往復運動，使學生能夠深入了解往復壓縮機的運動過程，更加深刻地了解到工作容積與余隙容積等抽象的概念和關系，對往復壓縮機的設計調整和運行調節(jié)具有更形象的認識。

與“過程流體機械”內容較相似的還有“化工原理”“物理化學”“流體力學”等基礎課程，如果能夠在“三維設計”課程中進行建模和仿真運動，將是對學習內容非常好的反芻，可使學生重新認識學過的相關知識點，產(chǎn)生幡然醒悟一般的新高度認知。

二、三維可視化在“選礦機械”課程中的交叉融合

作為計算機輔助設計工具，三維設計軟件對機械類課程具有天然的銜接能力和輔助功能。礦物加工工程專業(yè)所講授的“選礦機械”課程，主要內容包括破碎設備、篩分設備、離心脫水設備、運輸提升設備等。主要教學目標為掌握上述機械的典型結構、工作原理、工作過程和運行調節(jié)等。

對于非機械類學生，三維可視化對“選礦機械”課程的促進效果更是顯而易見。課程中，作者指導學生進行了多種選礦設備的三維建模（如圖2所示），并實現(xiàn)了簡單的運動仿真。學生反饋，設計過程中就像親手制作零部件、組裝成整機，并且實現(xiàn)驅動一樣，印象非常深刻。學生對這些原本陌生設備的基本結構、主要部件、零部件裝配關系、工作原理和過程等有了形象的認識。通過建模和運動仿真訓練，學生更加深刻地理解和記憶了相關概念和知識點，并且能夠提出很多結構改造和優(yōu)化思路，學生的創(chuàng)新思維也得到了強化。

三、三維可視化在“選煤（礦）廠設計”課程中的交叉融合

“選煤（礦）廠設計”是礦物加工工程專業(yè)的核心必修課，是本科教育中的重要組成部分。設計過程涉及大量數(shù)據(jù)計算、圖形繪制、設計規(guī)范和設計經(jīng)驗的應用。計算機輔助設計的熟練掌握是提高設計效率和設計質量的基礎。但是實踐表明，傳統(tǒng)二維設計存在模塊化、設計規(guī)范和經(jīng)驗處理不成熟、設備配置自主化和可視化程度低、信息傳達抽象且局限、沉浸感缺乏等缺點［7］，這不僅會限制設計質量與速度的提升，而且容易造成信息傳達的錯誤。

近年來，在畢業(yè)設計環(huán)節(jié)，作者指導學生對選煤（礦）廠的三維可視化設計進行了初步探索。學生在“三維設計”課程當中掌握的建模、裝配設計、工程圖等知識為這一環(huán)節(jié)打下了良好的基礎。畢業(yè)設計中，學生在“三維設計”空間內按照規(guī)范構建廠房，然后根據(jù)自己的資料整理與計算、制定和優(yōu)選的分選工藝流程對選定設備進行統(tǒng)籌布置及不斷優(yōu)化。在傳統(tǒng)的二維設計過程中，同一設備的三個視圖間的布置關系轉換對很多學生是個考驗，對多個設備在空間布置的合理性、上下設備之間物流的通順性、設備周邊預留檢修空間等指標更是難以判斷。而在“三維設計”空間內（如圖3所示），類似上述一些之前很困難的操作都變得非常簡單：對于不同視角設備的外形圖的確定與布置已然不用考慮；設備的空間關系是否合理也可以通過剖視圖的定性判斷和各種虛擬測量工具定量分析和調整；物料流通和運輸?shù)目尚行砸部梢酝ㄟ^虛擬管道和溜槽鋪設等實現(xiàn)可視化評估。類似超越二維設計的便利之處不勝枚舉。

作者發(fā)現(xiàn)，在三維可視化技術輔助下的“選煤（礦）廠設計”，可很好地融合設計過程數(shù)字化與集成化，解決傳統(tǒng)二維設計方法難以實現(xiàn)的多專業(yè)協(xié)同設計、計算與繪圖難以有效結合、可視化設計過程不強等實際問題。“三維設計”更直觀和清晰地反映工程設計結果，但從二維圖形設計到三維圖形設計，不僅僅是軟件、模型和數(shù)據(jù)的進步，還有設計流程和模式的變革?！叭S設計”使選礦設計結果更加精確和合理，設計成果無碰撞情況，材料統(tǒng)計更精確，可減少因設計而產(chǎn)生的返工次數(shù)［7-9］。

“三維設計”更加直觀的表達方式可讓學生更快克服繪圖本身帶來的干擾，利于將精力更多地投入“選煤（礦）廠設計”的核心工作，以更好地實現(xiàn)“選煤（礦）廠設計”的教學目標。

四、課程深入交叉融合有利于學生解決復雜問題能力的提高

本科專業(yè)課堂應該培養(yǎng)學生學習的方法，對學習過程的享受，以及辯證地、全面地分析問題和有效地解決問題的能力。要解決一個問題、完成一件作品，依靠單一的課程知識往往是不夠的。跨課程能力是指面對無法靠單一課程知識來解決的真實復雜問題時，綜合運用兩個或多個課程知識和思維分析情境來解決問題的能力，是21世紀的重要高階思維能力，關乎學生如何應對現(xiàn)實生活和工作中非常規(guī)情景下的復雜、綜合問題。

三維建模逐漸替代二維制圖，成為當代學生所需要掌握的一項基本技能，有助于學生提升解決復雜問題的能力。真實問題場景中，很多問題并不是只屬于一個學科，而是綜合性的問題。這種真實問題的解決不僅可以提升學生抽象問題、解決問題的能力，還可以全方位地培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，推動新認知、新產(chǎn)品的出現(xiàn)，能夠在此基礎上完成創(chuàng)新與創(chuàng)造，這也是課程群建設的初衷。作者通過實踐發(fā)現(xiàn)，“三維設計”有利于相關課程之間的融會貫通，以專業(yè)課程中出現(xiàn)的現(xiàn)實問題的研究和解決為依托，帶領學生超出單課程研究的視野，全面認識與解決復雜問題或課題，使任課教師和學生共同培養(yǎng)出明確的、整合的研究方法與思維范式。

五、課程交叉融合與相互促進是課程群建設的基礎

相關課程之間能夠有機結合，融合之后彼此促進，產(chǎn)生化學反應，收到“1+1＞2”的成效，是實現(xiàn)課程群建設的基礎。筆者將“三維設計”課程與“過程流體機械”“選礦機械”“選煤（礦）廠設計”等課程相互交叉的嘗試，實現(xiàn)了將“三維設計”課程中習得知識立即轉為專業(yè)應用的目的，讓學生對“三維設計”產(chǎn)生更加濃厚的興趣和認同感，也讓相關機械和設計類課程中原本抽象、深奧、枯燥的知識變得形象、簡單和有趣，以實踐驗證了課程間的深入融合產(chǎn)生的效果。

結語

通過礦物加工工程專業(yè)“三維設計”與“過程流體機械”“選煤（礦）廠設計”等課程的交叉融合的論述與分析，發(fā)現(xiàn)通過課程交叉、知識融合，令相關課程中抽象、深奧、枯燥的知識變得形象、簡單和有趣，使得教師和學生都得到更好的教與學的體驗，以實踐驗證了課程間的深入融合產(chǎn)生的相互促進效果，并且有助于學生解決復雜問題能力的培養(yǎng)，為推動高校多課程交叉融合和課程群建設提供借鑒。

參考文獻

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Integration and Promotion of 3D Visualization to Mineral Processing Specialty Course Teaching

LI Ji-hui， HUANG Gen， HUANG Bo， MA Li-qiang

（School of Chemical & Environmental Engineering， China University of Mining and Technology -Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract： Under the background of “Emerging Engineering Education” construction and interdisciplinary teaching， it is of great significance to construct multiple course groups within the major so that the teaching of relevant courses has deep integration and promotion. From the teaching integrations practice and summary of Three-dimensional Design， Process Fluid Machinery， and Coal Preparation （Mine） Factory Design of mineral processing engineering， found that course cross and knowledge fusion can make relevant courses in the abstract， profound， boring knowledge become image， simple and interesting， make teachers and students experience a better experience of teaching and learning. It verifies the mutual promotion of “teaching and learning” and the improvement of students ability to solve complex problems by the deep integration of courses. This paper provides a reference for promoting the cross-integration of multiple courses and constructing courses group in colleges and universities.

Key words： three-dimensional design; mineral processing; course integration