“礦井通風(fēng)與安全”課程混合式教學(xué)模式構(gòu)建與實(shí)踐

曹建立 姜元勇

[摘 要] 針對(duì)采礦工程專業(yè)必修主干課程“礦井通風(fēng)與安全”存在的教學(xué)模式單一、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性差、教學(xué)與實(shí)踐脫節(jié)等問題，通過改革教學(xué)模式、方法和手段，充分利用網(wǎng)絡(luò)課程資源和先進(jìn)教學(xué)工具，開展線上線下混合式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐。豐富教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建“課堂演示、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、課程設(shè)計(jì)、虛擬仿真”多位一體的課程教學(xué)體系。培養(yǎng)教師“教研融合、以教為本”的教學(xué)理念，切實(shí)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，為類似工程學(xué)科的教學(xué)實(shí)踐提供借鑒。

[關(guān)鍵詞] 礦井通風(fēng)；混合式教學(xué)；課程改革；教學(xué)模型；虛擬仿真

[基金項(xiàng)目] 2020年度東北大學(xué)教師發(fā)展專項(xiàng)“‘礦井通風(fēng)與安全’課程混合式教學(xué)模式的構(gòu)建與實(shí)踐”

[作者簡(jiǎn)介] 曹建立（1980—），男，河南民權(quán)人，博士，東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院講師，主要從事崩落法放礦、采空區(qū)探測(cè)及處理研究；姜元勇（1978—），男，山東即墨人，博士，東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院副教授，主要從事礦井通風(fēng)與安全研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）02-0089-05 [收稿日期] 2021-04-20

引言

當(dāng)前在國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“互聯(lián)網(wǎng)+”等一系列重大發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施背景下，在新工科發(fā)展的推動(dòng)下對(duì)工科人才培養(yǎng)提出了全新的要求[1，2]?！暗V井通風(fēng)與安全”是采礦工程專業(yè)的主干專業(yè)課程，是面向工程實(shí)際的一門實(shí)踐性工程科學(xué)。該課程以往的講授形式主要為課堂講解和實(shí)驗(yàn)室操作，是以教師為主導(dǎo)，以教材大綱知識(shí)體系講解和傳授方式進(jìn)行教學(xué)。這種教學(xué)模式的不足逐漸凸顯，如學(xué)生缺乏興趣，學(xué)習(xí)積極性不高、學(xué)習(xí)效果不顯著，動(dòng)手能力差，解決復(fù)雜工程問題能力欠缺等。同時(shí)，目前的教學(xué)模式難以將教師的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際教學(xué)過程有機(jī)融合，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于礦山實(shí)際問題難以有效把握，不利于培養(yǎng)具有實(shí)踐應(yīng)用能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力高、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型人才[3]。同時(shí)，隨著OBE教育理論、PBL教學(xué)方法的提出以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為課程教學(xué)模式、方法改革提供了契機(jī)[4，5]。因此，本課程在充分考慮自身特征的基礎(chǔ)上，以新的教育理念為指導(dǎo)，充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等，旨在構(gòu)建“課堂演示、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、課程設(shè)計(jì)、虛擬仿真”多位一體的課程教學(xué)體系。

一、目前課程教學(xué)存在的問題

“礦井通風(fēng)與安全”課程以往的教學(xué)模式的不足主要表現(xiàn)在以下方面：（1）學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣。教師講授的絕大部分知識(shí)是按照教材知識(shí)體系按部就班講解和傳授，大部分知識(shí)點(diǎn)學(xué)生可以提前預(yù)習(xí)或者自己主動(dòng)學(xué)習(xí)掌握，課堂教學(xué)時(shí)，難以引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，沒有挑戰(zhàn)性，無法調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)思考，因此學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、學(xué)習(xí)效果不顯著。（2）知識(shí)點(diǎn)較多，課時(shí)有限，學(xué)生獲取知識(shí)的能力沒有得到培養(yǎng)。該課程知識(shí)點(diǎn)涉及流體力學(xué)，燃燒學(xué)，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等多個(gè)知識(shí)體系，在有限課時(shí)（48學(xué)時(shí)）內(nèi)難以將每個(gè)知識(shí)點(diǎn)講解透徹。同時(shí)，在工程教育認(rèn)證的十二條畢業(yè)要求中明確提出，要培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力。在以往的課堂教學(xué)模式中，學(xué)生只是被動(dòng)地接受知識(shí)，缺少有挑戰(zhàn)性問題的思考和討論，難以激發(fā)學(xué)生的主未能學(xué)生沒有機(jī)會(huì)帶著問題主動(dòng)去查閱資料，獲取知識(shí)的能力得不到培養(yǎng)。（3）學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力較差。該課程是面向工程實(shí)際的實(shí)踐科學(xué)，課程的最終目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生解決礦山通風(fēng)實(shí)際問題。目前的教學(xué)模式使得學(xué)生僅掌握了通風(fēng)的基本概念、基本理論和設(shè)計(jì)思路，學(xué)生實(shí)習(xí)中一般也僅能夠聽取礦山工作人員對(duì)于礦井通風(fēng)系統(tǒng)的介紹和通風(fēng)設(shè)備的初步了解，缺少對(duì)于整個(gè)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的整體把握，更難以涉及實(shí)踐操作。學(xué)生對(duì)于礦山通風(fēng)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)基本上停留在理論和虛擬階段，缺少操作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于實(shí)際礦山的復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)路關(guān)鍵問題沒有切身的體驗(yàn)，難以形成解決復(fù)雜工程實(shí)際問題的能力。（4）教學(xué)手段單一。僅以理論教學(xué)為主，物理實(shí)驗(yàn)只能完成簡(jiǎn)單的風(fēng)速、壓力、風(fēng)阻等參數(shù)測(cè)定，僅是對(duì)理論的驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)手段、方法的基本介紹，缺少具有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和條件，缺少完善的礦井通風(fēng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)條件和專業(yè)通風(fēng)模擬軟件，缺少井下通風(fēng)實(shí)測(cè)環(huán)節(jié)的教學(xué)訓(xùn)練。

二、混合式教學(xué)模式構(gòu)建

針對(duì)目前課程教學(xué)過程中存在的上述問題，結(jié)合課程特點(diǎn)和已有條件，以培養(yǎng)創(chuàng)新型高級(jí)復(fù)合人才為目標(biāo)，重點(diǎn)從以下幾方面構(gòu)建課程教學(xué)模式。

1.充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，制作演示模型，購(gòu)置演示設(shè)備，增加課堂實(shí)驗(yàn)演示。中學(xué)的物理、化學(xué)課程有許多實(shí)驗(yàn)課和課堂演示實(shí)驗(yàn)，這些演示實(shí)驗(yàn)總能夠吸引學(xué)生的興趣和注意力。即使進(jìn)入了大學(xué)，學(xué)生的理解能力和想象能力都有了較大提高，但同時(shí)所學(xué)知識(shí)的難度也相應(yīng)提高，實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)方法仍然是一個(gè)十分有效的方法[6]。在課程教學(xué)設(shè)計(jì)中，凝練課程知識(shí)盡可能將復(fù)雜的公式、原理轉(zhuǎn)化為演示實(shí)驗(yàn)，以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果。為此，本課程在學(xué)校教學(xué)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)支持下購(gòu)置了多套通風(fēng)測(cè)試儀器、儀表，包括：風(fēng)速計(jì)、微型風(fēng)機(jī)、皮托管、氣壓計(jì)、微壓計(jì)等（圖1）。

同時(shí)，使用亞克力等材料制作通風(fēng)管路、通風(fēng)構(gòu)筑物、以及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，配合測(cè)試儀器儀表完成課堂演示實(shí)驗(yàn)。如風(fēng)流基本參數(shù)測(cè)定、氣壓測(cè)定、能量方程式的驗(yàn)證、風(fēng)機(jī)性能曲線測(cè)定、風(fēng)流基本定律驗(yàn)證等，一方面極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)加深了學(xué)生對(duì)基本概念、基本原理的理解和掌握，還能夠激發(fā)學(xué)生研究興趣，提高創(chuàng)新能力。

2.充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源和信息平臺(tái)，探索PBL教學(xué)法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主性，創(chuàng)新教學(xué)模式。2020年新冠肺炎疫情肆虐。為全面落實(shí)教育部關(guān)于學(xué)?！巴Ｕn不停學(xué)”的政策方針，本課程積極開展線上教學(xué)，線上實(shí)時(shí)授課平臺(tái)以騰訊會(huì)議、釘釘、ZOOM為主，輔以東北大學(xué)BB平臺(tái)、QQ群、微信群（圖2）。教師授課前精心準(zhǔn)備PPT，提前與學(xué)生通過微信群建立聯(lián)系，將PPT、慕課資源等推送給學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)。授課過程中，嘗試以PBL目標(biāo)教學(xué)法。課前布置問題，學(xué)生課前組內(nèi)分工，查找資料，制定方案，組內(nèi)討論后形成結(jié)果（模型、匯報(bào)PPT、實(shí)驗(yàn)方案等），課堂分組匯報(bào)，共同點(diǎn)評(píng)方案優(yōu)缺點(diǎn)，課后分組完成總結(jié)，包括問題解決方案總結(jié)，學(xué)習(xí)資源獲取方法、分工協(xié)作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等。在實(shí)踐過程中不斷總結(jié)PBL方法的實(shí)施要素，實(shí)施原則，總結(jié)存在問題和易犯錯(cuò)誤，對(duì)PBL方法進(jìn)行評(píng)估與改進(jìn)，以便將該方法更好的用于教學(xué)實(shí)踐。課后通過微信群、QQ群等交流平臺(tái)與學(xué)生及時(shí)溝通，解決學(xué)習(xí)過程中遇到的問題。通過以上措施，順利完成了課程的線上教學(xué)任務(wù)，取得了良好的教學(xué)效果。

3.強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，增加案例教學(xué)，錄制現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)測(cè)試視頻?！暗V井通風(fēng)與安全”課程是實(shí)踐性很強(qiáng)的一門工程科學(xué)。在教學(xué)實(shí)踐中，通過以下方面加強(qiáng)課程實(shí)踐教學(xué)：首先，將本課程所涉及的基本概念和知識(shí)點(diǎn)融入認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)中。在實(shí)習(xí)過程中請(qǐng)礦山技術(shù)人員開展礦井通風(fēng)專題講座，介紹礦山通風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)設(shè)備和通風(fēng)過程中遇到的主要問題，使學(xué)生對(duì)礦井通風(fēng)的基本概念和原理有個(gè)初步認(rèn)識(shí)；帶領(lǐng)學(xué)生參觀地表和井下的通風(fēng)設(shè)備、通風(fēng)構(gòu)筑物等設(shè)施，使學(xué)生具有直觀印象。其次，課堂教學(xué)中，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法實(shí)施案例教學(xué)，將礦山實(shí)際案例作為課程設(shè)計(jì)的題目分配給各組學(xué)生，組內(nèi)同學(xué)分工合作，共同努力完成設(shè)計(jì)任務(wù)。如此教學(xué)實(shí)踐不僅能提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，還能培養(yǎng)學(xué)生溝通、協(xié)作和表達(dá)能力。另外，錄制現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)測(cè)試視頻用于課堂教學(xué)，使學(xué)生更多地了解工程實(shí)踐，提高學(xué)生解決工程實(shí)踐問題的能力。本課程以燈塔礦業(yè)小汪溝鐵礦為通風(fēng)實(shí)踐基地，詳細(xì)研究了礦山通風(fēng)系統(tǒng)，錄制了大量視頻和圖片（圖3），為學(xué)生深入理解礦山實(shí)際通風(fēng)問題提供了豐富的材料。

4.增加虛擬仿真教學(xué)，以工程實(shí)際案例為背景，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。礦井通風(fēng)虛擬仿真教學(xué)，一方面是指利用計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)為學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的感性學(xué)習(xí)材料，幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中的知識(shí)難點(diǎn)。比如，制作一些教學(xué)動(dòng)畫，模擬通風(fēng)原理和設(shè)備工作原理，以便于學(xué)生更容易理解。另一方面，通過環(huán)境建模，構(gòu)建井下通風(fēng)的虛擬場(chǎng)景，通過參觀者視角來實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的漫游，這樣可以有助于學(xué)生對(duì)井下生產(chǎn)環(huán)境更為了解。更重要的，礦山實(shí)際通風(fēng)系統(tǒng)往往十分復(fù)雜，且隨著生產(chǎn)的進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)也在不斷變化，僅僅依靠人工計(jì)算和預(yù)測(cè)通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)困難很大，需要依靠專業(yè)軟件計(jì)算、模擬和預(yù)測(cè)。同時(shí)，學(xué)生在解決工程實(shí)際問題或進(jìn)行以工程案例為背景的課程設(shè)計(jì)時(shí)，需要借助數(shù)值模擬軟件進(jìn)行演算和模擬。大部分礦山都已經(jīng)使用軟件設(shè)計(jì)和管理通風(fēng)系統(tǒng)，目前使用最普遍的礦井通風(fēng)仿真軟件是Ventsim三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)（圖4），該軟件主要用于三維通風(fēng)設(shè)計(jì)、風(fēng)網(wǎng)解算、風(fēng)機(jī)選型和通風(fēng)過程動(dòng)態(tài)模擬。在本課程教學(xué)中增加虛擬仿真教學(xué)，能夠讓學(xué)生參加工作后迅速掌握工程實(shí)際通風(fēng)計(jì)算和管理技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生使用通風(fēng)軟件解決復(fù)雜工程問題的能力。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)“礦井通風(fēng)與安全”課程教學(xué)過程中存在的主要問題，本文充分利用網(wǎng)絡(luò)課程資源和先進(jìn)教學(xué)工具，開展線上線下混合式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，豐富了教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)引進(jìn)PBL等先進(jìn)的教學(xué)方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。構(gòu)建了“課堂演示、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、課程設(shè)計(jì)、虛擬仿真”多位一體的課程教學(xué)體系，培養(yǎng)教師“教研融合、以教為本”的教學(xué)理念，切實(shí)提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量，為類似工程學(xué)科的教學(xué)實(shí)踐提供借鑒。

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Construction and Practice of Blended Teaching Model in the Course of Mining Ventilation and Safety

CAO Jian-li， JIANG Yuan-yong

（College of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110819， China）

Abstract：Aiming at the problems of single teaching mode， poor learning enthusiasm of students and disconnection between teaching and practice in course of Mine Ventilation and Safety， a compulsory main course in mining engineering， this paper reforms the teaching model， methods and means， making full use of network course resources and advanced teaching tools， and carrying out online and offline blended teaching design and practice. The teaching content is enriched and a multi-integrated teaching system of “classroom demonstration， scene test， course design， and virtual simulation” is established. In order to improve the quality of personnel training and provide reference for the teaching practice of similar engineering disciplines， it is necessary to cultivate teachers’“teaching-research integration and teaching-oriented” teaching concept.

Key words： mine ventilation； blended teaching； course reform； teaching model； virtual simulation