仿真教學(xué)在礦山機(jī)械課程體系中的應(yīng)用研究

燕碧娟+王志霞+李自貴

[摘 要] 針對礦山機(jī)械設(shè)備工作場所的特殊性及現(xiàn)有教學(xué)存在的問題，基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，對在礦山機(jī)械課程體系中進(jìn)行仿真教學(xué)進(jìn)行了探討。通過仿真，對各種礦山設(shè)備及其工作場所等進(jìn)行造型，結(jié)合聲音、動(dòng)畫和圖片，可實(shí)現(xiàn)鉆、采、裝運(yùn)等過程的逼真模擬，從而為學(xué)生提供一個(gè)接近實(shí)際的學(xué)習(xí)“情境”，加深學(xué)生對礦山機(jī)械設(shè)備的理解，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)學(xué)校教育與對口企業(yè)工作崗位零距離對接。

[關(guān)鍵詞] 礦山機(jī)械；仿真教學(xué)；建構(gòu)理論；課程體系

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）04-0077-03

0 引言

作為重型機(jī)械行業(yè)傳統(tǒng)特色專業(yè)，太原科技大學(xué)礦山機(jī)械專業(yè)開設(shè)于1975年，1996年根據(jù)教育部本科專業(yè)調(diào)整目錄重新更名為現(xiàn)在的機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)礦山機(jī)械方向。本科階段開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課幾乎涵蓋了礦山各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中需用到的設(shè)備，該課程體系主要包括《裝載與挖掘機(jī)械》、《提升機(jī)械》、《選礦機(jī)械》、《采掘機(jī)械》、《專題講座》等。通過相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，力求讓學(xué)生掌握礦山生產(chǎn)一線主要生產(chǎn)設(shè)備（裝載機(jī)、挖掘機(jī)、提升機(jī)、破碎機(jī)、振動(dòng)篩、牙輪鉆機(jī)等）的工作原理、主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、性能特點(diǎn)等知識點(diǎn)，從而為將來盡快融入工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因該專業(yè)課程設(shè)置特色鮮明，歷經(jīng)歲月變遷在同行中依然享有較高盛譽(yù)，同時(shí)保證了學(xué)生畢業(yè)后的高就業(yè)率。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)。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)的整體水平和競爭力。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)識生產(chǎn)實(shí)習(xí)（包括各種現(xiàn)場教學(xué)）的機(jī)會(huì)有限，因此學(xué)生對礦山機(jī)械設(shè)備尤其是其工作環(huán)境的認(rèn)識大多停留在書本上，缺乏感性認(rèn)識，這制約了學(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)作模擬等過程的教學(xué)方式[1，2]。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。采用計(jì)算機(jī)建模、交互設(shè)計(jì)等手段，對礦山機(jī)械課程體系中涉及到的各種礦山設(shè)備及其工作場所等進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，結(jié)合聲音、動(dòng)畫和圖片，可實(shí)現(xiàn)礦物鉆、采、裝運(yùn)、破碎等過程的逼真模擬，從而加深學(xué)生對礦山機(jī)械設(shè)備的理解，同時(shí)彌補(bǔ)了教學(xué)設(shè)備及現(xiàn)場教學(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，通過仿真，在教學(xué)中能更好的融入相關(guān)知識，保證了學(xué)校教育與對口企業(yè)工作崗位“無縫對接”。

1 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論

心理學(xué)家皮亞杰提出的建構(gòu)主義理論為仿真教學(xué)的實(shí)現(xiàn)奠定了良好的理論基礎(chǔ)[3，4]。仿真教學(xué)中充分應(yīng)用和體現(xiàn)了該理論的“情境”、“協(xié)作”、“會(huì)話”和“意義建構(gòu)”四大要素。

“情境”：不同于常規(guī)課堂教學(xué)，仿真教學(xué)其典型的優(yōu)點(diǎn)在于為學(xué)生提供了一個(gè)接近實(shí)際的學(xué)習(xí)情境，從而幫助學(xué)生更好地認(rèn)識其面臨的學(xué)習(xí)任務(wù)，并將新的內(nèi)容消化吸收到已有知識結(jié)構(gòu)中[5]。比如，在地下鏟運(yùn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)教學(xué)時(shí)，通過對其各個(gè)桿件的三維建模，再進(jìn)行裝配，可以很好的實(shí)現(xiàn)地下鏟運(yùn)機(jī)實(shí)際工作時(shí)各個(gè)動(dòng)作的模擬，另外學(xué)生也可以進(jìn)行整個(gè)機(jī)構(gòu)的拆裝，從而加深對課堂講授內(nèi)容的理解。

“協(xié)作”：仿真軟件在教學(xué)過程中進(jìn)行實(shí)際操作運(yùn)用時(shí)，“協(xié)作”會(huì)體現(xiàn)在各個(gè)過程中。比如，在傳授學(xué)習(xí)內(nèi)容、分派學(xué)習(xí)材料時(shí)，就需要代課教師和學(xué)生一致協(xié)作；在分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，就需要同學(xué)之間互相協(xié)作；在對每位同學(xué)搜集到的資料進(jìn)行整理評價(jià)、匯總時(shí)，協(xié)作同樣體現(xiàn)在其中。以上各種協(xié)作有助于提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識以及解決問題的能力。

“會(huì)話”：在進(jìn)行仿真教學(xué)時(shí)，“會(huì)話”有助于加快學(xué)生重建其認(rèn)知結(jié)構(gòu)，其包括代課教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生和網(wǎng)絡(luò)之間的會(huì)話等。

“意義建構(gòu)”：進(jìn)行虛擬仿真時(shí)，學(xué)生在上述各環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上，已循序漸進(jìn)地理解了“情境”中的任務(wù)，因此，最終實(shí)現(xiàn)了“意義建構(gòu)”目標(biāo)，并進(jìn)一步更新知識結(jié)構(gòu)、提升個(gè)人解決實(shí)際問題的能力。

因此，基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，結(jié)合礦山機(jī)械課程體系中各門課程的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)教學(xué)中靈活運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真輔助教學(xué)，是實(shí)現(xiàn)預(yù)期教學(xué)目標(biāo)的一個(gè)行之有效的方法。

2 傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式存在的主要問題

《裝載與挖掘機(jī)械》、《提升機(jī)械》、《選礦機(jī)械》、《采掘機(jī)械》、《專題講座》等課程多年來一直沿用傳統(tǒng)的課堂模式。對于一些典型設(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，遇到某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)組成問題，即使有相當(dāng)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的教師，也很難講清楚；另外，對于一些零部件的設(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。

礦山機(jī)械專業(yè)所開設(shè)課程都具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，考慮到礦山環(huán)境的特殊性，從當(dāng)下的教學(xué)情況來看，學(xué)生實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)明顯不足。當(dāng)僅僅利用上述媒體（包括教材和掛圖等）進(jìn)行教學(xué)時(shí)，由于未能給學(xué)生提供一種更加接近實(shí)際現(xiàn)場的“情境”，學(xué)生對其學(xué)習(xí)任務(wù)含糊不清，不知道自己將來畢業(yè)以后究竟去干什么，換句話說，不理解課堂上講的內(nèi)容在實(shí)際工作中的作用，時(shí)間久了，也就失去了對本專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣。集中表現(xiàn)是上課曠課情況時(shí)有發(fā)生，到課的也有個(gè)別同學(xué)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。

3 礦山機(jī)械課程體系仿真教學(xué)探究

3.1 仿真教學(xué)的特點(diǎn)

引入計(jì)算機(jī)“仿真”教學(xué)，其主要優(yōu)點(diǎn)可整理歸納如下：（1）學(xué)生的沉浸感，如同電腦游戲一樣，學(xué)生可以整個(gè)身心投入到虛擬的機(jī)器設(shè)備作業(yè)環(huán)境中；（2）感知性，借用人體的眼睛、耳朵等知覺通道，師生能夠直接獲取虛擬設(shè)備的相關(guān)知識；（3）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)際問題的能力；（4）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)對于學(xué)生的知識建構(gòu)起到了很大的幫助作用，但其絕對不可以替代一切實(shí)踐環(huán)節(jié)。因此，要為學(xué)生盡可能地提供多種學(xué)習(xí)渠道，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，提高教學(xué)效果。

3.2 仿真教學(xué)在礦山機(jī)械課程體系的應(yīng)用

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)中引入的一些相關(guān)技術(shù)的最新知識，礦山機(jī)械教研室的教師利用節(jié)假日深入到各地礦山、井下、礦山機(jī)械廠、洗煤廠等進(jìn)行實(shí)地考察學(xué)習(xí)，拍攝了大量的礦山設(shè)備的真實(shí)外部面貌，并錄制了逼真的相關(guān)機(jī)器的作業(yè)視頻畫面，把搜集到的大量資料整理后插入到多媒體課件中，從而一定程度上豐富了課程內(nèi)容。同時(shí)，為各門課程高質(zhì)量的講授工作提供了有力保障。

另一方面，針對掘進(jìn)機(jī)、纏繞式提升機(jī)等大型礦山設(shè)備，充分利用周圍的研究生資源和仿真技術(shù)，將設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)組成及故障診斷等知識動(dòng)態(tài)的虛擬到電腦中，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直觀化。這樣，借用各種手段，教學(xué)形式更為生動(dòng)，顯著提高了課程的教學(xué)效果。

1）現(xiàn)代化礦井仿真模擬系統(tǒng)。通過幾年的教學(xué)探索，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)，實(shí)現(xiàn)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程等。具體為：（1）通過仿真，向?qū)W生演示各種采煤法，如急傾斜柔性掩護(hù)支架法、走向長壁法、傾斜長壁法等，并介紹相對應(yīng)的巷道布置情況；（2）在高仿真的井下環(huán)境中，以人機(jī)交互的形式進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)的割煤、轉(zhuǎn)載工作實(shí)驗(yàn)教學(xué)，鑿巖鉆車前、后行走和工作過程的虛擬仿真，包括鉆孔過程、鉆具受力、鉆機(jī)整機(jī)穩(wěn)定性等的虛擬仿真，為學(xué)生提供一種逼真的工作“情景”；（3）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)的工作過程，包括鏟運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)載、運(yùn)輸與卸載過程，并仿真研究其平移特性和卸料特性；（4）為學(xué)生提供礦井提升機(jī)提升過程虛擬仿真過程，其功能主要包括物料自動(dòng)裝載過程、自動(dòng)卸載過程，提升過程的操作控制，假設(shè)“故障”下的自動(dòng)報(bào)警等。

2）露天礦布置模型。露天礦山開采主要包括鉆孔、爆破、鏟裝、運(yùn)輸?shù)裙に嚟h(huán)節(jié)。經(jīng)過高維度計(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)演示上述鉆孔等幾個(gè)工藝過程，從而讓學(xué)生體驗(yàn)露天采礦的全過程，與將來從事的工作零距離對接。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，最典型的代表就是太重生產(chǎn)的WK-55機(jī)械式礦用挖掘機(jī)。通過仿真平臺(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。經(jīng)過幾年教學(xué)的積累，利用Pro/ENGINEER 三維造型軟件建立了礦山設(shè)備零件庫，從而滿足了學(xué)生對設(shè)備進(jìn)行裝配的教學(xué)要求。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，基本上可以滿足太原科技大學(xué)礦山機(jī)械專業(yè)各門課程、認(rèn)識實(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）的教學(xué)提供一定的幫助。

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

4 結(jié)束語

本文基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，針對礦山機(jī)械課程體系的特點(diǎn)，提出在傳統(tǒng)教學(xué)中滲透穿插仿真教學(xué)的觀點(diǎn)。通過在教學(xué)中向?qū)W生展示各種現(xiàn)代化礦井、露天礦模型，讓學(xué)生能夠感受到礦山企業(yè)“真實(shí)”的工作環(huán)境；通過礦山設(shè)備組成零部件圖形庫的建立，可以讓學(xué)生在一種模擬的環(huán)境中對設(shè)備進(jìn)行裝配。上述各仿真模型的應(yīng)用實(shí)施效果明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]李鵬.仿真教學(xué)在高等職業(yè)教育中應(yīng)用研究[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2008.

[2]余聯(lián)慶，梅順齊，杜利珍，饒成.ADAMS軟件在機(jī)械系統(tǒng)仿真課程教學(xué)中應(yīng)用[J].武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，21（3）：5-8.

[3]王盛建.建構(gòu)主義教育思想在《機(jī)械基礎(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2008，（8）：72-73.

[4]胡愛武，傅志紅.建構(gòu)主義理論在機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006，25（1）：5-7.

[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)，2012，20（1）：87-90.