裝載與挖掘機(jī)械課堂模式改革嘗試

燕碧娟　王志霞　李自貴

[摘 要]裝載與挖掘機(jī)械是我校礦山機(jī)械專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。通過(guò)該課程的教學(xué)，力求讓學(xué)生掌握裝載機(jī)、挖掘機(jī)等重要設(shè)備的工作原理、主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、性能特點(diǎn)等知識(shí)點(diǎn)，從而為將來(lái)盡快地融入工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。針對(duì)裝載與挖掘機(jī)械現(xiàn)有課堂模式存在的問(wèn)題，對(duì)在傳統(tǒng)教學(xué)中輔以仿真教學(xué)進(jìn)行改革嘗試。實(shí)施效果表明，教師從該過(guò)程中收獲頗豐，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性也被調(diào)動(dòng)了起來(lái)，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]裝載與挖掘機(jī)械 仿真 教學(xué)改革 教學(xué)目標(biāo)

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2014）14-0091-02

裝載與挖掘機(jī)械是我校礦山機(jī)械專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。通過(guò)該課程的教學(xué)，力求讓學(xué)生掌握裝載機(jī)、挖掘機(jī)等重要設(shè)備的工作原理、主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、性能特點(diǎn)等知識(shí)點(diǎn)，從而為將來(lái)盡快地融入工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該專業(yè)課程設(shè)置特色鮮明，因而即使歷經(jīng)了歲月的變遷，也依然在同行中享有較高的盛譽(yù)，同時(shí)保證畢業(yè)生的就業(yè)率居高不下。另外，社會(huì)生產(chǎn)的不斷變革，為專業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了新的機(jī)遇，同時(shí)也提出了新的挑戰(zhàn)。我們只有根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐的具體要求，確定自身的發(fā)展目標(biāo)和教學(xué)特色，才能提升專業(yè)的整體水平和競(jìng)爭(zhēng)力。然而，基于安全方面的考慮，本專業(yè)學(xué)生到大型露天或地下礦進(jìn)行認(rèn)識(shí)生產(chǎn)實(shí)習(xí)（包括各種現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)）的機(jī)會(huì)有限，因此學(xué)生對(duì)裝載與挖掘設(shè)備工作環(huán)境的認(rèn)識(shí)大多數(shù)停留在書本上，缺乏感性認(rèn)識(shí)，制約了學(xué)生在本專業(yè)方向上的創(chuàng)新性發(fā)展，從而導(dǎo)致學(xué)生的課程設(shè)計(jì)基本處于閉門造車的狀況。

所謂仿真教學(xué)，是借助半實(shí)物裝置或計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行零部件的設(shè)計(jì)、拆裝、實(shí)際動(dòng)作模擬等過(guò)程的教學(xué)方式。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)仿真在教學(xué)中的作用日漸突出。故采用計(jì)算機(jī)建模、交互設(shè)計(jì)等手段，對(duì)裝載與挖掘設(shè)備及其工作場(chǎng)所等進(jìn)行造型設(shè)計(jì)， 結(jié)合聲音、動(dòng)畫和圖片，可實(shí)現(xiàn)礦物裝運(yùn)的逼真模擬，從而加深學(xué)生對(duì)設(shè)備的理解，同時(shí)彌補(bǔ)了教學(xué)設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)缺乏的不足，并為相關(guān)課程的進(jìn)一步改革提供一定的幫助。更重要的是，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，教師在教學(xué)中能更好地融入相關(guān)知識(shí)，保證了學(xué)校教育與對(duì)口企業(yè)工作崗位“無(wú)縫對(duì)接”。

一、現(xiàn)有課堂模式存在的主要問(wèn)題

裝載與挖掘機(jī)械課多年來(lái)一直沿用傳統(tǒng)的課堂模式。對(duì)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(jìn)行講解，這樣，遇到有些復(fù)雜結(jié)構(gòu)組成問(wèn)題，即使有著相當(dāng)豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的教師，也很難用口頭語(yǔ)言表達(dá)清楚；另外，對(duì)于一些零部件的設(shè)計(jì)，如何讓學(xué)生根據(jù)已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)分析零部件的受力特點(diǎn)、危險(xiǎn)截面位置以及應(yīng)力分布情況是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，采用常規(guī)的教學(xué)方法，內(nèi)容枯燥，很難收到良好的教學(xué)效果。

另外，該門課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，考慮到礦山環(huán)境的特殊性，從當(dāng)前的教學(xué)情況來(lái)看，學(xué)生實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)明顯不足。如果教師僅僅利用上述媒體（包括教材和掛圖等）進(jìn)行教學(xué)，那么就不能給學(xué)生提供一種更加接近實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的“情境”。學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)任務(wù)含糊不清，不知道自己將來(lái)畢業(yè)以后究竟去干什么，也就是不理解教師課堂上講的內(nèi)容在實(shí)際工作中究竟有什么作用，時(shí)間久了，也就失去了對(duì)本專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣。集中表現(xiàn)為上課曠課情況時(shí)有發(fā)生，即使是來(lái)上課的學(xué)生，也多數(shù)玩手機(jī)、看閑書等。因此，如何改革傳統(tǒng)課堂模式就顯得非常迫切。

二、仿真教學(xué)探究

（一）仿真教學(xué)特點(diǎn)

引入計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)，其主要優(yōu)點(diǎn)可歸納如下：一為學(xué)生的沉浸感，如同電腦游戲一樣，學(xué)生可以全身心投入虛擬的機(jī)器設(shè)備作業(yè)環(huán)境中；二為感知性，借用人體的眼睛、耳朵等感知覺(jué)通道，師生能夠直接獲取虛擬設(shè)備的相關(guān)知識(shí)；三為交互性，借用人機(jī)界面，信息可以在虛擬設(shè)備和學(xué)生間流動(dòng)，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力；四為安全性，礦山機(jī)械課程體系中的各門課程，均安排了一定量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)，如采用仿真軟件進(jìn)行演示教學(xué)，將會(huì)解決一些后顧之憂。

然而，需要指出的是，仿真教學(xué)對(duì)于學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)起到了很大的幫助作用，但其絕對(duì)不可以替代一切實(shí)踐環(huán)節(jié)。因此，我們要盡可能地為學(xué)生提供多種學(xué)習(xí)渠道，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高教學(xué)效果。

（二）裝載與挖掘設(shè)備仿真改革研究

一方面，為了讓學(xué)生更好地了解所學(xué)專業(yè)設(shè)備的工作環(huán)境、工作性能及在教學(xué)中引入一些相關(guān)技術(shù)的最新知識(shí)，礦山機(jī)械教研室的教師可利用節(jié)假日深入各地礦山、井下、礦山機(jī)械廠、洗煤廠等進(jìn)行實(shí)地考察學(xué)習(xí)，拍攝大量的礦山設(shè)備的真實(shí)外部面貌，并錄制了相關(guān)機(jī)器作業(yè)的視頻，把搜集到的大量資料整理到多媒體課件中，從而在一定程度上豐富了課程內(nèi)容。

另一方面，針對(duì)裝巖機(jī)、機(jī)械式挖掘機(jī)等大型裝載與挖掘設(shè)備，充分利用周圍的研究資源和仿真技術(shù)，將設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)組成及故障診斷等知識(shí)動(dòng)態(tài)虛擬到電腦中，讓學(xué)生置身于計(jì)算機(jī)還原出的虛擬設(shè)備中，不需要去真實(shí)的礦山，就完全可以體驗(yàn)到地下或露天的作業(yè)環(huán)境，并可以解剖開整個(gè)設(shè)備，了解、掌握其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各個(gè)組成零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，彌補(bǔ)了上述拍攝相片或視頻中只有機(jī)器外部輪廓的不足，從而讓一些抽象知識(shí)直觀化。這樣，借用各種手段，教學(xué)形式更為生動(dòng)了，課程的教學(xué)效果也顯著提高了。

1.地下鏟運(yùn)機(jī)模型

通過(guò)幾年的教學(xué)探索，我們引入了現(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(chǎng)布置系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)融合了計(jì)算機(jī)、PLC可編程控制、多媒體等先進(jìn)技術(shù)，達(dá)到了理論與實(shí)際相結(jié)合，動(dòng)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(dòng)態(tài)展示礦井火災(zāi)、透水以及采煤工藝過(guò)程等。通過(guò)仿真，向?qū)W生演示各種采煤法，如急傾斜柔性掩護(hù)支架法、走向長(zhǎng)壁法、傾斜長(zhǎng)壁法等，以及相對(duì)應(yīng)的巷道布置情況；在高仿真的井下環(huán)境中，可以讓學(xué)生在多維度的仿真環(huán)境中，體驗(yàn)地下鏟運(yùn)機(jī)的工作過(guò)程，包括鏟運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)載、運(yùn)輸與卸載過(guò)程，并仿真研究其平移特性和卸料特性。

2.露天用裝載、挖掘設(shè)備模型

露天礦山開采主要包括鉆孔、爆破、鏟裝、運(yùn)輸?shù)葞讉€(gè)工藝環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)高維度計(jì)算機(jī)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(dòng)態(tài)演示上述的鉆孔等幾個(gè)工藝過(guò)程，從而讓學(xué)生體驗(yàn)露天采礦的全過(guò)程，與將來(lái)從事的工作零距離對(duì)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，最具代表性的就是太重生產(chǎn)的WK-55機(jī)械式礦用挖掘機(jī)。通過(guò)仿真平臺(tái)，建立了WK-55的多自由度數(shù)字模型，從而實(shí)現(xiàn)了其各種動(dòng)作，包括挖掘、回轉(zhuǎn)、行走等的逼真模擬。

3.零部件圖形庫(kù)

經(jīng)過(guò)幾年教學(xué)的積累，利用Pro/ENGINEER 三維造型軟件建立了裝載、挖掘設(shè)備零件庫(kù)，這樣滿足了學(xué)生對(duì)設(shè)備進(jìn)行裝配的教學(xué)要求。學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)模擬仿真環(huán)境下進(jìn)行各個(gè)零件的組裝，同時(shí)，可對(duì)裝配完成的零件進(jìn)行干涉分析、運(yùn)動(dòng)分析。

上述各仿真模型的應(yīng)用，基本上可以滿足與該門課程有關(guān)的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)的教學(xué)要求，當(dāng)然也可以為其他相近專業(yè)（比如工程機(jī)械專業(yè)）的教學(xué)提供一定的幫助。

4.實(shí)施效果

通過(guò)在礦山機(jī)械課程群中滲透仿真教學(xué)，改善了以往課程內(nèi)容枯燥乏味的局面，經(jīng)過(guò)不斷摸索、學(xué)習(xí)、實(shí)踐，一方面，教師從該過(guò)程中收獲很多；另一方面，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性也被調(diào)動(dòng)了起來(lái)，改變了教師“滿堂言”的狀況。教師通過(guò)采用各種情景式、啟發(fā)式教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生參與課程的討論，把新的知識(shí)整合到已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)中，最終達(dá)到了意義建構(gòu)的目的。另外，通過(guò)對(duì)礦山機(jī)械專業(yè)的畢業(yè)生及其工作單位進(jìn)行走訪調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生能夠很快地適應(yīng)新的工作環(huán)境，解決問(wèn)題的能力強(qiáng)，得到用人單位的一致好評(píng)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)校教育與工礦企業(yè)的零距離對(duì)接。

三、結(jié)論

本文針對(duì)裝載與挖掘的特點(diǎn)，提出了在傳統(tǒng)教學(xué)中滲透、穿插仿真教學(xué)的觀點(diǎn)。通過(guò)在教學(xué)中向?qū)W生展示各種現(xiàn)代化礦井、露天礦模型，可以讓學(xué)生仿佛置身于礦山企業(yè)“真實(shí)”的工作環(huán)境之中；通過(guò)礦山設(shè)備組成零部件圖形庫(kù)的建立，可以讓學(xué)生在一種模擬的環(huán)境中對(duì)設(shè)備進(jìn)行裝配。上述各仿真模型的應(yīng)用，都有著明顯的效果。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[5] 趙靜云，任娟.三維建模與仿真技術(shù)在機(jī)械類課程教學(xué)改革中的應(yīng)用實(shí)踐[J].河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2012.

[責(zé)任編輯：覃侶冰]