以問題為導(dǎo)向的研究生教學(xué)模式探索

尹中會 張安寧 張立祥

[摘 要] 為提高研究生專業(yè)課程的課堂教學(xué)效果，提出以問題為導(dǎo)向的研究生教學(xué)模式。在以問題為導(dǎo)向教學(xué)的課前準(zhǔn)備和課堂教學(xué)活動中，根據(jù)教學(xué)大綱的要求和教學(xué)內(nèi)容的安排，首先設(shè)計(jì)相關(guān)的問題并分組布置，讓學(xué)生在課前預(yù)習(xí)時(shí)針對問題進(jìn)行獨(dú)立思考。其次在課堂教學(xué)中以問題為導(dǎo)向，教師通過問題對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，答疑解惑，學(xué)生通過小組討論匯報(bào)問題解決方案，讓學(xué)生都能結(jié)合自己的研究方向參與課堂。最后根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成度對教學(xué)效果進(jìn)行考核。該方法在2020級研究生“礦山機(jī)械設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用”的課程教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)踐，取得了滿意的效果。

[關(guān)鍵詞] 問題導(dǎo)向;研究生教學(xué);教學(xué)研究;礦山機(jī)械;培養(yǎng)目標(biāo)

[基金項(xiàng)目] 2020年度安徽省教育廳高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項(xiàng)目“礦井提升虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”（2020xfxm16）;2020年度安徽省教育廳省級教學(xué)示范課“礦山機(jī)械”（782）

[作者簡介] 尹中會（1970—），女，安徽舒城人，工學(xué)博士，安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究;張安寧（1961—），男，山東棲霞人，工學(xué)博士，安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究;張立祥（1966—），男，安徽天長人，碩士，安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事礦山機(jī)械研究。

[中圖分類號] G643.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）24-0128-04 [收稿日期] 2021-08-11

引言

教育部學(xué)位與研究生發(fā)展教育中心關(guān)于“研究生教育”的官方解釋為：研究生教育是指大學(xué)本科教育后進(jìn)行的培養(yǎng)高層次專門人才的一種學(xué)歷教育，屬高等教育的最后階段，通常分為碩士研究生學(xué)位和博士研究生學(xué)位兩個(gè)層次。與本科生的培養(yǎng)相比，研究生教育階段更加注重科研和解決問題能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練[1]。

以問題為導(dǎo)向（Problem-based Learning， PBL）是基于現(xiàn)實(shí)世界的，以學(xué)生為中心的教育模式，以學(xué)生主動學(xué)習(xí)為主，引導(dǎo)學(xué)生自主思考解決問題的方法，教學(xué)過程中教師慢慢“隱退”，僅在關(guān)鍵時(shí)刻起到點(diǎn)撥、聯(lián)系與指導(dǎo)的作用。教師不再是唯一的知識庫，而是知識構(gòu)建的促進(jìn)者，學(xué)科專家和信息的咨詢者[1]。教學(xué)過程是在授課教師的指導(dǎo)和整體控制下，把學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)以“問題”的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生在分析，探索解決問題的過程中，掌握“問題”本質(zhì)的科學(xué)知識。其核心理念是讓“問題”去指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主觀性，進(jìn)而在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，解決問題和自主學(xué)習(xí)的技能[2]。

以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式是一種新型的教學(xué)方式，是以問題為中心和驅(qū)動力，圍繞問題組織教學(xué)活動，通過問題引導(dǎo)學(xué)生對即將學(xué)習(xí)的內(nèi)容產(chǎn)生思考和興趣。以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式可以分為以下步驟：（1）設(shè)計(jì)問題;（2）解決問題;（3）教學(xué)效果考核和達(dá)成度評價(jià)。

一、以問題為導(dǎo)向教學(xué)要點(diǎn)設(shè)計(jì)

（一）“礦山機(jī)械設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用”課程的特點(diǎn)及教學(xué)目標(biāo)要求

安徽理工大學(xué)機(jī)械專業(yè)的特色是礦山機(jī)械，研究生培養(yǎng)的很多方向都與該門課程息息相關(guān)，該課程教學(xué)的目標(biāo)達(dá)成度很大程度上支撐著培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求指標(biāo)達(dá)成情況[3]。

首先根據(jù)學(xué)校碩士研究生的培養(yǎng)目標(biāo)要求，制定“礦山機(jī)械設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用”課程研究生教學(xué)大綱，大綱規(guī)定教學(xué)目標(biāo)如下：通過本課程的教學(xué)使學(xué)生掌握煤礦常見的采掘機(jī)械、支護(hù)設(shè)備、提升運(yùn)輸設(shè)備和流體機(jī)械等礦山機(jī)械的用途、工作原理、主要結(jié)構(gòu)、性能和選型方法等內(nèi)容;同時(shí)使學(xué)生了解現(xiàn)代礦山機(jī)械的前沿發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)運(yùn)行維護(hù)知識，掌握礦山機(jī)械設(shè)備的選型設(shè)計(jì)理論與方法，初步具有分析和解決實(shí)際工程問題的能力。

上述教學(xué)目標(biāo)要支撐下列培養(yǎng)要求，即掌握解決機(jī)械工程問題所需的專業(yè)基礎(chǔ)知識，并具備對其應(yīng)用的能力，了解機(jī)械領(lǐng)域的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢;能夠結(jié)合文獻(xiàn)研究方法，對機(jī)械領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，形成有效的結(jié)論;能夠認(rèn)識工程實(shí)施中的社會、健康、安全法律及文化問題和畢業(yè)要求;能夠理解機(jī)械工程實(shí)踐在環(huán)境保護(hù)和社會可持續(xù)發(fā)展中的內(nèi)涵和意義。

（二）設(shè)計(jì)問題

“礦山機(jī)械設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用”課程開設(shè)于研究生一年級，屬于專業(yè)選修課程，選課的學(xué)生主要是后續(xù)要從事與礦山機(jī)械方向相關(guān)的研究。該階段是研究生的入門階段，主要任務(wù)是基礎(chǔ)理論知識的學(xué)習(xí)，包括研究生知識結(jié)構(gòu)的完善和補(bǔ)充、文獻(xiàn)查閱和管理、學(xué)術(shù)報(bào)告的準(zhǔn)備和講解等。研究生在進(jìn)入課題研究之前必須具有一定的基礎(chǔ)知識儲備及進(jìn)行科研的基本能力。教師在此階段可以通過專題討論的形式對礦山機(jī)械學(xué)科前沿技術(shù)研究進(jìn)展展開介紹，使得研究生對礦山機(jī)械國際學(xué)術(shù)前沿研究有全面的了解，為自己未來的研究奠定一定的基礎(chǔ)。通過對研究生入門階段基礎(chǔ)知識的普及，增強(qiáng)研究生進(jìn)行該學(xué)科研究的興趣，提升研究生推動學(xué)科進(jìn)步與發(fā)展的社會責(zé)任感。

教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容分層次由淺入深提出問題，問題主要是對所要學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)進(jìn)行梳理。根據(jù)研究方向來分類，“礦山機(jī)械設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用”課程的問題可以分為設(shè)計(jì)類和應(yīng)用類。設(shè)計(jì)類主要涵蓋采掘、運(yùn)輸、提升、支護(hù)和流體系統(tǒng)的整機(jī)或部件設(shè)計(jì)，內(nèi)容主要包括：方案（功能）設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。這里的問題可以圍繞設(shè)計(jì)的基本理論計(jì)算展開，用圖紙的形式展示設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，通過仿真分析結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。例如運(yùn)輸機(jī)械系統(tǒng)中，立井提升系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)，帶式輸送機(jī)選型設(shè)計(jì)，掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)應(yīng)用類的問題主要是結(jié)合工程實(shí)際中的問題，開發(fā)新產(chǎn)品，新技術(shù)，利用新技術(shù)新方法來解決問題，把新的創(chuàng)新成果運(yùn)用到工程實(shí)際中，使原有的設(shè)備更加安全高效地生產(chǎn)，把原來沒有的新技術(shù)、新產(chǎn)品、新設(shè)備運(yùn)用到生產(chǎn)中去。前沿技術(shù)、智能化，新結(jié)構(gòu)，新功能等，這類問題主要是培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力。例如采掘機(jī)械中，目前最先進(jìn)的掘進(jìn)設(shè)備有哪些？最先進(jìn)的掘進(jìn)工藝有哪些？智能化的掘進(jìn)設(shè)備有哪些？如何實(shí)現(xiàn)智能化？其他類型礦山機(jī)械以此類推。這類問題涉及學(xué)科前沿知識，需要查閱大量最新的參考文獻(xiàn)和研究動態(tài)。也和學(xué)生后期的研究方向息息相關(guān)，因此這類問題的設(shè)計(jì)是圍繞不同類型的礦山機(jī)械設(shè)備展開，學(xué)生根據(jù)自己的研究方向選擇性地進(jìn)行研究。

二、教學(xué)及問題的解決引導(dǎo)

（一）布置問題

礦山機(jī)械包括采煤、掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸、提升、流體等類型。讓學(xué)生按照研究方向和學(xué)習(xí)興趣組成若干小組，每個(gè)小組承擔(dān)一個(gè)問題，學(xué)生可根據(jù)研究方向和學(xué)習(xí)興趣討論選擇問題，興趣是最好的老師，能夠驅(qū)使學(xué)生主動探索。

教師針對某一類礦山機(jī)械進(jìn)行課堂講授，結(jié)合參考書目、現(xiàn)場錄像、虛擬仿真動畫及專題報(bào)告的形式。對于“礦山機(jī)械設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用”課程，首先要了解礦山機(jī)械設(shè)備的功能，功能是問題的核心[4]。問題的設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞不同種類礦山機(jī)械的功能展開，為實(shí)現(xiàn)該功能需要的結(jié)構(gòu)、工作原理和技術(shù)要求。參考書本上講述的內(nèi)容都是以文字、簡圖的形式給出，學(xué)習(xí)起來抽象枯燥，難以理解。因此講授這部分內(nèi)容時(shí)可引用大量的三維動畫和現(xiàn)場錄像，學(xué)生從三維動畫中可清晰地了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和工作過程。例如滾筒采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，利用三維動畫展示其基本結(jié)構(gòu)三大塊：工作機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和機(jī)身。截割臂上的截割電機(jī)+截割減速器+滾筒結(jié)構(gòu)完成采煤裝煤功能;行走電機(jī)+行走減速器+行走輪結(jié)構(gòu)完成行走功能;機(jī)身將工作機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、變壓器、變頻器、油泵箱連接成一個(gè)整體;三維動畫同時(shí)還能模擬截割部和行走部的運(yùn)動，這樣每個(gè)部件動作都能非常清楚地展現(xiàn)出來。

現(xiàn)場的錄像可以展示礦山機(jī)械的作用、工作場所及工作環(huán)境，使機(jī)械設(shè)備具體化、形象化，易于理解和掌握。例如綜采工作面的錄像可以讓學(xué)生熟悉井下采煤現(xiàn)場環(huán)境，采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)如何進(jìn)行三機(jī)配套完成采煤、支護(hù)、運(yùn)煤的功能：采煤機(jī)在液壓支架的掩護(hù)下沿著刮板輸送機(jī)往復(fù)移動，截割滾筒負(fù)責(zé)割煤和裝煤，液壓支架的支撐和掩護(hù)提供了安全的工作面空間，刮板輸送機(jī)將采煤機(jī)落下的煤礦運(yùn)離工作面，同時(shí)為采煤機(jī)提供行走的軌道和為液壓支架提供移動的支點(diǎn)，每種設(shè)備的工作過程都非常直觀和清晰。每次看到這樣的錄像，學(xué)生的反應(yīng)都是“太辛苦了，環(huán)境太惡劣了”，思考如何改善井下采煤環(huán)境，減輕工作強(qiáng)度等問題會促使學(xué)生考慮如何利用遠(yuǎn)程控制和無人操作技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

教材及參考書中關(guān)于學(xué)科前沿技術(shù)的內(nèi)容很少，教師通過查閱整理大量的文獻(xiàn)以專題報(bào)告的形式向?qū)W生展示，同時(shí)給學(xué)生布置查閱相關(guān)資料的任務(wù)用來討論問題。例如重大裝備中的8.8米液壓支架、無人駕駛的礦車、智能控制的刮板輸送機(jī)、不要打地基的皮帶輸送機(jī)等先進(jìn)設(shè)備的介紹和演示，專題報(bào)告—智能化開采技術(shù)及其裝備等。學(xué)生通過對這些煤礦機(jī)械設(shè)備等前沿技術(shù)的學(xué)習(xí)，了解國內(nèi)外礦山機(jī)械領(lǐng)域最新的發(fā)展動態(tài)、最新的技術(shù)應(yīng)用狀態(tài)及未來發(fā)展趨勢，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、興趣和探索精神，為學(xué)生提供更為廣闊的研究空間。

（二）討論解決問題

這一階段需要教師和學(xué)生之間的積極互動，小組成員分別承擔(dān)問題的一個(gè)方面，先獨(dú)立思考，查詢資料，然后相互討論形成結(jié)論。對于某項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)每個(gè)學(xué)生可以有自己的結(jié)構(gòu)，對于某項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)每個(gè)學(xué)生都可以有自己的方案，這時(shí)學(xué)生可以廣開思路，大膽設(shè)計(jì)。例如智能控制技術(shù)在采煤工作面運(yùn)輸機(jī)械系統(tǒng)中的應(yīng)用—智能掛板輸送機(jī)。為保障采煤工作面刮板輸送機(jī)的安全高效運(yùn)行，減少人工故障檢測和維修強(qiáng)度。學(xué)生此時(shí)要解決的是上述的智能化操作要采用什么技術(shù)，這里涉及機(jī)械、電控、軟件編程等多個(gè)學(xué)科方向共同協(xié)調(diào)，可以根據(jù)自己的研究方向來選擇某個(gè)學(xué)科要解決的問題。

（三）問題的解決引導(dǎo)

在以問題為導(dǎo)向的課堂教學(xué)活動中，學(xué)生是課堂的主角，教師的主要任務(wù)是引導(dǎo)學(xué)生理解問題，對學(xué)生的學(xué)習(xí)疑問進(jìn)行解惑，幫助學(xué)生找到解決問題的方法。特別是一些工程實(shí)際問題，可以利用以往現(xiàn)場工作經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行解決。每個(gè)小組的討論結(jié)果用PPT的形式來展示，PPT的內(nèi)容可以包括每個(gè)學(xué)生的觀點(diǎn)，由組長概括并指定組員陳述，可以由一個(gè)組員代表陳述，其他組員補(bǔ)充，也可以由每個(gè)組員分別陳述問題的一個(gè)方面。每組陳述完成，指導(dǎo)教師給予分析和糾正。研究生學(xué)習(xí)的目的是后續(xù)的論文，因此本階段可以培養(yǎng)學(xué)生查閱參考文獻(xiàn)、總結(jié)參考文獻(xiàn)、合理利用參考文獻(xiàn)的能力。例如刮板輸送機(jī)驅(qū)動鏈輪組件的設(shè)計(jì)分析研究，針對某種型號的刮板輸送機(jī)的鏈輪組件，采用有限元分析的方法來研究，小組成員通過分工合作完成圓環(huán)鏈的建模、鏈輪的建模、圓環(huán)鏈和鏈輪嚙合的靜態(tài)接觸有限元分析、動態(tài)特性分析工作，教師指導(dǎo)整個(gè)工作過程，對分析結(jié)果加以指導(dǎo)和糾正，這樣鍛煉小組成員的個(gè)人能力，同時(shí)也鍛煉了成員間的協(xié)作能力。

在“礦山機(jī)械設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用”案例教學(xué)中，可推薦參考文獻(xiàn)、現(xiàn)場錄像及模擬動畫幫助學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識和綜合知識的理解掌握。參考文獻(xiàn)有教材、現(xiàn)行規(guī)范、專著手冊等。教材選用中國礦業(yè)大學(xué)出版社出版的《礦山機(jī)械》（第二版）;現(xiàn)行的規(guī)范有《煤礦安全規(guī)程》與《煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》，各類設(shè)備的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，例如鋼絲繩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);專著手冊，學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)資源有中文文獻(xiàn)和英文文獻(xiàn)等。除了上述文獻(xiàn)參考資料，學(xué)生還可以充分利用學(xué)院的沉浸式礦山虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺。安徽理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院建立了基于G-float虛擬現(xiàn)實(shí)的煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)試驗(yàn)教學(xué)平臺，采用背投和正投相結(jié)合的方式，配合完美的拐角連接技術(shù)來展現(xiàn)三維現(xiàn)實(shí)環(huán)境。這種虛擬仿真平臺補(bǔ)充了目前學(xué)生下井不方便的缺陷，讓學(xué)生猶如置身煤礦井下的生產(chǎn)現(xiàn)場，對煤礦機(jī)械的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行有了直觀的感受和體驗(yàn)，對學(xué)生考慮煤礦機(jī)械設(shè)備的功能要求和技術(shù)實(shí)現(xiàn)提出了具體的要求。

三、教學(xué)效果考核及目標(biāo)達(dá)成度評價(jià)

本科專業(yè)認(rèn)證體系中課程目標(biāo)的達(dá)成度是檢驗(yàn)教學(xué)效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)[5]，是對課程考試達(dá)成情況的計(jì)算分析，達(dá)成度的數(shù)值反映教學(xué)活動對教學(xué)目標(biāo)的支撐程度，即達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)的程度稱之為達(dá)成度[3]。研究生教學(xué)效果的評價(jià)可以借鑒上述方法做定性的分析。運(yùn)用以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法，考核方式為平時(shí)成績+期末考核的綜合形式，兩種各占50%。平時(shí)成績包括學(xué)生討論問題的表現(xiàn)，查閱參考文獻(xiàn)的能力，解決實(shí)際工程問題的能力等;期末考核以大論文的方式進(jìn)行，結(jié)合自己的研究方向撰寫學(xué)術(shù)論文，論文的觀點(diǎn)、思路、方法、結(jié)論等都可以看作是考核的點(diǎn)。授課教師根據(jù)學(xué)生的平時(shí)成績和大論文的質(zhì)量給出綜合成績。該方法在2020級研究生試運(yùn)用后，取得了較好的效果，學(xué)生學(xué)習(xí)主動性提高，自由學(xué)習(xí)、參與意識與綜合業(yè)務(wù)能力增強(qiáng)，學(xué)習(xí)效果反饋及時(shí)。達(dá)到了教學(xué)大綱的培養(yǎng)要求，在今后的研究生教學(xué)活動中將繼續(xù)探索運(yùn)用該方法，不斷提高研究生專業(yè)課程的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]高培虎，郭永春，楊忠，等.問題啟發(fā)與專題研討相結(jié)合的材料類研究生教學(xué)新模式[J].鑄造技術(shù)，2020，41（1）：91-95.

[2]王健，趙國生.基于問題的教學(xué)模式在研究生教學(xué)中的探索：以“信息系統(tǒng)安全工程”教學(xué)改革為例[J].黑龍江高教研究，2016（11）：91-94.

[3]尹中會，張安寧，張立祥.工程教育課程目標(biāo)達(dá)成度計(jì)算方法研究：以《礦山機(jī)械》課程為例[J].教育教學(xué)論壇，2020（4）：136-138.

[4]尹中會，張安寧，蘇暢.以功能為導(dǎo)向的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法探索：以滾筒采煤機(jī)的截割部為例[J].教育教學(xué)論壇，2020（51）：300-302.

[5]尹中會，張安寧，蘇暢.以專業(yè)認(rèn)證為契機(jī)提升礦山機(jī)械教學(xué)質(zhì)量的方法研究[J].教育教學(xué)論壇，2019（20）：187-189.

Exploration of the Problem-based Postgraduate Teaching Mode： Taking the Course of Theory and Application of Mining Machinery Design as an Example

YIN Zhong-hui， ZHANG An-ning， ZHANG Li-xiang

（School of Mechanical Engineering， Anhui University of Science﹠Technology， Huainan，

Anhui 232001， China）

Abstract： In order to improve the classroom teaching effect of postgraduate professional courses， a problem-oriented teaching mode for postgraduates is proposed in this paper. In the pre-class self-study and classroom teaching activities of problem-oriented teaching， and according to the requirements of the teaching syllabus and the arrangement of the teaching content， we firstly design some related questions are distribute tasks in groups， so that students can think independently about the questions in pre-class preview. Secondly， in the problem-based classroom teaching， teachers guide the students to learn by answering these questions， and students report their solutions based on group discussion， so that each student can participate in the class with his own research direction. Finally， the teaching effect is evaluated according to the achievement of the training objectives. The method has been applied in the teaching practice of the course of Mining Machinery Design for the postgraduates in 2020， and has achieved satisfactory results.

Key words： problem-based; postgraduate teaching; teaching and research; mining machinery; training objectives