教育教学论坛_2022年2期

曹建立 姜元勇

[关键词] 矿井通风；混合式教学；课程改革；教学模型；虚拟仿真

[基金项目] 2020年度东北大学教师发展专项“‘矿井通风与安全’课程混合式教学模式的构建与实践”

[作者简介] 曹建立（1980—），男，河南民权人，博士，东北大学资源与土木工程学院讲师，主要从事崩落法放矿、采空区探测及处理研究；姜元勇（1978—），男，山东即墨人，博士，东北大学资源与土木工程学院副教授，主要从事矿井通风与安全研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）02-0089-05 [收稿日期] 2021-04-20

引言

当前在国家创新驱动发展、“互联网+”等一系列重大发展战略的实施背景下，在新工科发展的推动下对工科人才培养提出了全新的要求[1，2]。“矿井通风与安全”是采矿工程专业的主干专业课程，是面向工程实际的一门实践性工程科学。该课程以往的讲授形式主要为课堂讲解和实验室操作，是以教师为主导，以教材大纲知识体系讲解和传授方式进行教学。这种教学模式的不足逐渐凸显，如学生缺乏兴趣，学习积极性不高、学习效果不显著，动手能力差，解决复杂工程问题能力欠缺等。同时，目前的教学模式难以将教师的工程实践经验与实际教学过程有机融合，导致学生对于矿山实际问题难以有效把握，不利于培养具有实践应用能力强、创新能力高、具备国际竞争力的高素质复合型人才[3]。同时，随着OBE教育理论、PBL教学方法的提出以及互联网技术的发展，为课程教学模式、方法改革提供了契机[4，5]。因此，本课程在充分考虑自身特征的基础上，以新的教育理念为指导，充分利用互联网技术、虚拟仿真技术等，旨在构建“课堂演示、现场测试、课程设计、虚拟仿真”多位一体的课程教学体系。

一、目前课程教学存在的问题

“矿井通风与安全”课程以往的教学模式的不足主要表现在以下方面：（1）学生缺乏学习兴趣。教师讲授的绝大部分知识是按照教材知识体系按部就班讲解和传授，大部分知识点学生可以提前预习或者自己主动学习掌握，课堂教学时，难以引起学生学习兴趣，没有挑战性，无法调动学生主动思考，因此学生学习积极性不高、学习效果不显著。（2）知识点较多，课时有限，学生获取知识的能力没有得到培养。该课程知识点涉及流体力学，燃烧学，化学反应动力学等多个知识体系，在有限课时（48学时）内难以将每个知识点讲解透彻。同时，在工程教育认证的十二条毕业要求中明确提出，要培养学生自主学习和终身学习的意识，培养学生不断学习和适应发展的能力。在以往的课堂教学模式中，学生只是被动地接受知识，缺少有挑战性问题的思考和讨论，难以激发学生的主未能学生没有机会带着问题主动去查阅资料，获取知识的能力得不到培养。（3）学生解决复杂工程问题的能力较差。该课程是面向工程实际的实践科学，课程的最终目标是培养学生解决矿山通风实际问题。目前的教学模式使得学生仅掌握了通风的基本概念、基本理论和设计思路，学生实习中一般也仅能够听取矿山工作人员对于矿井通风系统的介绍和通风设备的初步了解，缺少对于整个矿井通风网络的整体把握，更难以涉及实践操作。学生对于矿山通风系统的认识基本上停留在理论和虚拟阶段，缺少操作经验，对于实际矿山的复杂通风网路关键问题没有切身的体验，难以形成解决复杂工程实际问题的能力。（4）教学手段单一。仅以理论教学为主，物理实验只能完成简单的风速、压力、风阻等参数测定，仅是对理论的驗证和实验手段、方法的基本介绍，缺少具有创新性的实验项目和条件，缺少完善的矿井通风实验系统条件和专业通风模拟软件，缺少井下通风实测环节的教学训练。

二、混合式教学模式构建

针对目前课程教学过程中存在的上述问题，结合课程特点和已有条件，以培养创新型高级复合人才为目标，重点从以下几方面构建课程教学模式。

1.充分调动学生自主学习积极性，制作演示模型，购置演示设备，增加课堂实验演示。中学的物理、化学课程有许多实验课和课堂演示实验，这些演示实验总能够吸引学生的兴趣和注意力。即使进入了大学，学生的理解能力和想象能力都有了较大提高，但同时所学知识的难度也相应提高，实验演示教学方法仍然是一个十分有效的方法[6]。在课程教学设计中，凝练课程知识尽可能将复杂的公式、原理转化为演示实验，以增加学生的学习兴趣，提高学习效果。为此，本课程在学校教学项目经费支持下购置了多套通风测试仪器、仪表，包括：风速计、微型风机、皮托管、气压计、微压计等（图1）。

同时，使用亚克力等材料制作通风管路、通风构筑物、以及创新性实验模型，配合测试仪器仪表完成课堂演示实验。如风流基本参数测定、气压测定、能量方程式的验证、风机性能曲线测定、风流基本定律验证等，一方面极大地提高了学生的学习兴趣，同时加深了学生对基本概念、基本原理的理解和掌握，还能够激发学生研究兴趣，提高创新能力。

2.充分利用网络教学资源和信息平台，探索PBL教学法，提高学生学习自主性，创新教学模式。2020年新冠肺炎疫情肆虐。为全面落实教育部关于学校“停课不停学”的政策方针，本课程积极开展线上教学，线上实时授课平台以腾讯会议、钉钉、ZOOM为主，辅以东北大学BB平台、QQ群、微信群（图2）。教师授课前精心准备PPT，提前与学生通过微信群建立联系，将PPT、慕课资源等推送给学生进行预习。授课过程中，尝试以PBL目标教学法。课前布置问题，学生课前组内分工，查找资料，制定方案，组内讨论后形成结果（模型、汇报PPT、实验方案等），课堂分组汇报，共同点评方案优缺点，课后分组完成总结，包括问题解决方案总结，学习资源获取方法、分工协作经验总结等。在实践过程中不断总结PBL方法的实施要素，实施原则，总结存在问题和易犯错误，对PBL方法进行评估与改进，以便将该方法更好的用于教学实践。课后通过微信群、QQ群等交流平台与学生及时沟通，解决学习过程中遇到的问题。通过以上措施，顺利完成了课程的线上教学任务，取得了良好的教学效果。

3.強化实践教学，增加案例教学，录制现场通风测试视频。“矿井通风与安全”课程是实践性很强的一门工程科学。在教学实践中，通过以下方面加强课程实践教学：首先，将本课程所涉及的基本概念和知识点融入认识实习、生产实习中。在实习过程中请矿山技术人员开展矿井通风专题讲座，介绍矿山通风系统、通风设备和通风过程中遇到的主要问题，使学生对矿井通风的基本概念和原理有个初步认识；带领学生参观地表和井下的通风设备、通风构筑物等设施，使学生具有直观印象。其次，课堂教学中，采用翻转课堂教学方法实施案例教学，将矿山实际案例作为课程设计的题目分配给各组学生，组内同学分工合作，共同努力完成设计任务。如此教学实践不仅能提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，还能培养学生沟通、协作和表达能力。另外，录制现场通风测试视频用于课堂教学，使学生更多地了解工程实践，提高学生解决工程实践问题的能力。本课程以灯塔矿业小汪沟铁矿为通风实践基地，详细研究了矿山通风系统，录制了大量视频和图片（图3），为学生深入理解矿山实际通风问题提供了丰富的材料。

4.增加虚拟仿真教学，以工程实际案例为背景，培养学生解决复杂工程问题的能力。矿井通风虚拟仿真教学，一方面是指利用计算机可视化技术为学生提供生动、逼真的感性学习材料，帮助学生解决学习中的知识难点。比如，制作一些教学动画，模拟通风原理和设备工作原理，以便于学生更容易理解。另一方面，通过环境建模，构建井下通风的虚拟场景，通过参观者视角来实现对生产环境的漫游，这样可以有助于学生对井下生产环境更为了解。更重要的，矿山实际通风系统往往十分复杂，且随着生产的进行通风网络也在不断变化，仅仅依靠人工计算和预测通风系统状态困难很大，需要依靠专业软件计算、模拟和预测。同时，学生在解决工程实际问题或进行以工程案例为背景的课程设计时，需要借助数值模拟软件进行演算和模拟。大部分矿山都已经使用软件设计和管理通风系统，目前使用最普遍的矿井通风仿真软件是Ventsim三维通风仿真系统（图4），该软件主要用于三维通风设计、风网解算、风机选型和通风过程动态模拟。在本课程教学中增加虚拟仿真教学，能够让学生参加工作后迅速掌握工程实际通风计算和管理技术，培养学生使用通风软件解决复杂工程问题的能力。

结语

针对“矿井通风与安全”课程教学过程中存在的主要问题，本文充分利用网络课程资源和先进教学工具，开展线上线下混合式教学设计与实践，丰富了教学内容，同时引进PBL等先进的教学方法，提高学生的学习兴趣，提升学生的学习效果，锻炼学生的动手能力，提高了学生解决复杂工程问题的能力。构建了“课堂演示、现场测试、课程设计、虚拟仿真”多位一体的课程教学体系，培养教师“教研融合、以教为本”的教学理念，切实提高了人才培养质量，为类似工程学科的教学实践提供借鉴。