煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控課程教學(xué)改革及效果分析

王凱，蔣曙光，吳征艷，邵昊，裴曉東

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇徐州221116)

安全工程專業(yè)是在礦井通風(fēng)與安全專業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控作為安全工程專業(yè)的一門專業(yè)課，隨著煤礦機(jī)械自動(dòng)化及監(jiān)控智能化的發(fā)展，逐步凸顯了課程配置的重要性。鑒于監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，教材及課程配置都在與時(shí)俱進(jìn)的修訂，監(jiān)控單元主體由單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)講解升級(jí)為PLC系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)講解，但是，課程的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課堂教學(xué)演示系統(tǒng)一直沒有進(jìn)行系統(tǒng)化配置與改進(jìn)，造成課程開設(shè)過程中教師授課理論內(nèi)容枯燥、學(xué)生學(xué)習(xí)困難的問題。通過自主研發(fā)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置，整合升級(jí)了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室資源，合理配置實(shí)驗(yàn)課程，建立開放實(shí)驗(yàn)室，加強(qiáng)了學(xué)生監(jiān)測(cè)監(jiān)控基礎(chǔ)能力的訓(xùn)練。開發(fā)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控課堂教學(xué)演示系統(tǒng)，擺脫理論講解的乏味，提高學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效率;課程教學(xué)計(jì)劃結(jié)束后，建立完善的課程設(shè)計(jì)計(jì)劃，高效實(shí)現(xiàn)了安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體拓展訓(xùn)練目標(biāo)［1］。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置的開發(fā)及開放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)因其直觀性、實(shí)踐性、科研性及綜合性等獨(dú)特條件，在高等院校整個(gè)教學(xué)體系中具有十分重要的地位［2］。它比課堂理論講授更接近學(xué)生的實(shí)際，更容易啟發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維及實(shí)踐能力。常規(guī)實(shí)驗(yàn)和科研訓(xùn)練是一種知識(shí)與能力、理論與實(shí)踐相結(jié)合的活動(dòng)，是一種全方位提高學(xué)生綜合素質(zhì)和科研訓(xùn)練水平的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，其目的不僅在于驗(yàn)證理論或加深理論的理解，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力和分析解決實(shí)際問題的能力［3，4］。如何改變實(shí)驗(yàn)設(shè)備的現(xiàn)狀，滿足新時(shí)代要求，是擺在我們面前的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。

結(jié)合我校安全工程學(xué)院江蘇省實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的現(xiàn)狀，建設(shè)煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及教學(xué)科研一體化的開放實(shí)驗(yàn)［5，6］很有必要。開發(fā)一套可編程控制的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)——PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)模擬控制板及各種方便學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的監(jiān)測(cè)監(jiān)控組件，著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，并給學(xué)生留有科研拓展的發(fā)揮空間，具有很好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，形成一套安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)與科研拓展訓(xùn)練于一體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用不僅能豐富教師的教學(xué)手段，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果，而且能夠?yàn)閷I(yè)老師在復(fù)雜控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等方面的研究提供實(shí)驗(yàn)對(duì)象及實(shí)驗(yàn)設(shè)備。通過建設(shè)基于光纖通信的PLC主從式站點(diǎn)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提高學(xué)生對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信的硬件組合及軟件編程能力;鑒于井下風(fēng)電瓦斯閉鎖要求，建立基于PLC自動(dòng)控制的局扇瓦斯超限斷電模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，提高學(xué)生對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的認(rèn)知和編程能力。整合調(diào)試實(shí)驗(yàn)室已有的KJ90型煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)，基于PLC遠(yuǎn)程控制的煤礦井下避難硐室環(huán)境綜合監(jiān)控系統(tǒng)，通過組合功能調(diào)試，提高學(xué)生設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的能力。

2 課堂教學(xué)演示系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用效果分析

安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控這門課程是從事工業(yè)自動(dòng)化、安全管理等行業(yè)人才所應(yīng)具備的基礎(chǔ)控制技術(shù)的重要教學(xué)內(nèi)容［7，8］。該課程任務(wù)是使學(xué)生掌握可編程控制器的基本組成和工作原理，理解工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，了解安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的組成，掌握可編程控制器的各種單元、規(guī)格，內(nèi)部繼電器及數(shù)據(jù)區(qū)，理解其通信功能，能按照可編程控制器的設(shè)計(jì)步驟去分析和設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)。因?yàn)樵撜n程的理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，所以為了提高教學(xué)效果，在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，必須利用課堂教學(xué)演示系統(tǒng)提高教學(xué)效果，加強(qiáng)認(rèn)知實(shí)踐能力的培養(yǎng)，以培養(yǎng)適合面向生產(chǎn)一線的高技能人才，滿足社會(huì)的需求。

教學(xué)演示系統(tǒng)是為教學(xué)而設(shè)計(jì)，鑒于課堂教學(xué)的特殊性，其應(yīng)該具有以下幾個(gè)特點(diǎn):1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小巧，便于攜帶，操作方便，且可與可編程的PC機(jī)一塊置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，隨時(shí)進(jìn)行編程和實(shí)驗(yàn)。2)實(shí)驗(yàn)裝置采用插頭和插座式的連接方式，硬件導(dǎo)線的連接十分簡(jiǎn)易，在實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)即插即用，不用任何工具即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［9］。3)突出教學(xué)實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)用性，具有模擬量和開關(guān)量多種輸入方式，設(shè)計(jì)了可以實(shí)現(xiàn)這兩種實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，簡(jiǎn)單實(shí)用。4)具有很好的可擴(kuò)展性。

作為整個(gè)課堂教學(xué)演示系統(tǒng)的核心部分，PLC教學(xué)模擬控制板需要進(jìn)行組裝，組裝過程中要遵循以下原則:1)接口的分布要合理，恰當(dāng)。2)器件的布置要做到美觀，符合人們的使用習(xí)慣。3)在焊接的過程中要避免短路，使焊點(diǎn)之間保持一定的距離。該模塊在制作過程中，先把PLC、EM231、EM232固定在印刷板上，模塊和模塊之間通過電纜進(jìn)行連接。在印刷板正面，通過導(dǎo)線將PLC及其擴(kuò)展模塊各接口引到前面的接線柱上面，在印刷板底部，利用烙鐵將接線柱底部和排線插頭底部連接起來，在這個(gè)過程中，要確保接口的合理分布以及連接可靠，避免脫落、短路的情況出現(xiàn)，連接后的模塊示意圖如圖1所示。

開關(guān)量輸入模塊作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要部分，在組裝過程中除了要遵守一般的器件組裝原則之外，還要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和要求，合理布置器件在印刷板上的位置和間距，由于器件比較多，板子上空間有限，所以，在組裝的過程中要特別的注意。方法和PLC及其擴(kuò)展模塊的組裝方法一樣，板子正面通過接線柱連接，板子底面用烙鐵把排線插頭和接線柱連接起來，組裝好的開關(guān)量輸入模塊如圖2所示。

圖2 開關(guān)量輸入模塊實(shí)物圖

課堂教學(xué)演示系統(tǒng)在教學(xué)過程中提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，課堂教學(xué)演示系統(tǒng)有多種輸入輸出方式，實(shí)驗(yàn)效果明顯，便于觀察，可以增強(qiáng)同學(xué)們學(xué)習(xí)的積極性，將枯燥的專業(yè)課教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃频摹鞍咐虒W(xué)”。課堂教學(xué)演示系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富多樣，學(xué)生可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求，利用不同的輸入輸出元件，編寫相應(yīng)的控制程序，使理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作緊密結(jié)合，提高學(xué)生的編程能力和創(chuàng)新思維能力，大幅度的提高學(xué)習(xí)效果。

3 完善課程設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)及整體的拓展訓(xùn)練

課程設(shè)計(jì)是本科實(shí)踐教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，以培養(yǎng)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合解決問題能力為目的，傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)方式無法與自動(dòng)化信息化技術(shù)的發(fā)展及社會(huì)需求發(fā)展相適應(yīng)，為了提高學(xué)生的實(shí)踐能力，結(jié)合課堂教學(xué)的改革及開放實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合能力、工程設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力，完成工程師基本技能訓(xùn)練。通過分析課程的課堂教學(xué)，提出挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)題目、指導(dǎo)教師的主導(dǎo)作用及評(píng)分機(jī)制等教學(xué)內(nèi)容對(duì)課程設(shè)計(jì)的作用效果，構(gòu)建將多種教學(xué)元素與課程設(shè)計(jì)交匯融合的創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)模式，對(duì)課程設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面改革和拓展［10］。

為了提高課程設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐效果，具體通過以下幾個(gè)方面進(jìn)行改革:1)加強(qiáng)課堂教學(xué)與課程設(shè)計(jì)的交匯融合，在課堂教學(xué)中間階段適時(shí)地把課程設(shè)計(jì)的題目、任務(wù)、要求等告知學(xué)生，通過課堂教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新思維，將課堂教學(xué)與課程設(shè)計(jì)融會(huì)貫通，使學(xué)生在課程設(shè)計(jì)時(shí)就有了充分的準(zhǔn)備和認(rèn)知，更能發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新潛能［11］。2)提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，鼓勵(lì)學(xué)生大膽創(chuàng)新，在課程設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都要融入創(chuàng)新思想和意識(shí)，選題一定要具有前沿性和挑戰(zhàn)性，設(shè)計(jì)過程中要注重創(chuàng)新思維。教師在指導(dǎo)過程中要善于啟發(fā)、鼓勵(lì)學(xué)生，增加網(wǎng)絡(luò)信息資源的查閱量，切實(shí)通過課程設(shè)計(jì)提高學(xué)生的理論知識(shí)和實(shí)際工程的結(jié)合能力，為以后工作打下良好的基礎(chǔ)。3)教師在課程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)過程中要做到因材施教，充分考慮學(xué)生間的個(gè)體差異及學(xué)習(xí)的層次基礎(chǔ)，分不同的難度系數(shù)對(duì)每一組學(xué)生安排課程設(shè)計(jì)題目，最大限度發(fā)揮每一位學(xué)生的潛能。4)改變課程設(shè)計(jì)的評(píng)分機(jī)制，打破對(duì)設(shè)計(jì)圖紙和設(shè)計(jì)說明書進(jìn)行綜合評(píng)分確定總分的傳統(tǒng)方法，融入答辯式評(píng)分模式，最好能融入到設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，激發(fā)學(xué)生的辯論思維能力，提高答辯權(quán)重，保證課程設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性和應(yīng)用性，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力［12］。

4 結(jié)論

通過對(duì)煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控課程改革進(jìn)行全面分析，全方位的對(duì)課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)課程及開放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、課程設(shè)計(jì)等方面的改革進(jìn)行了論述，獲得了如下結(jié)論:

1)設(shè)計(jì)了基于PLC的綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，整合了實(shí)驗(yàn)原有的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)資源，建成了集教學(xué)科研于一體的開放實(shí)驗(yàn)室，既可以滿足基本教學(xué)科研的實(shí)際應(yīng)用，又節(jié)省了大量的實(shí)驗(yàn)裝置，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，一舉兩得。

2)研制了一種新型的可編程控制器教學(xué)演示系統(tǒng)——PLC教學(xué)模擬控制板，著重培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知實(shí)踐能力，并給學(xué)生留有足夠的發(fā)揮空間，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)了良好的學(xué)習(xí)效果。

3)通過課堂教學(xué)與課程設(shè)計(jì)交匯融合、提出挑戰(zhàn)性與創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)題目、指導(dǎo)教師的主導(dǎo)作用、評(píng)分機(jī)制等四個(gè)方面進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革。構(gòu)建了多種教學(xué)元素與課程設(shè)計(jì)交匯融合的創(chuàng)新模式，全面提高了學(xué)生理論知識(shí)和實(shí)際工程結(jié)合的實(shí)踐能力。

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