基于通風(fēng)系統(tǒng)模型制作的學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)探討

王子云 莊世勇 王寰宇

[摘要]該研究以采礦工程專業(yè)學(xué)生制作通風(fēng)系統(tǒng)模型為例，闡述了模型制作的過(guò)程與現(xiàn)實(shí)意義，期望對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力有所幫助。

[關(guān)鍵詞]實(shí)踐創(chuàng)新;模型制作;通風(fēng)系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)]G64 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]2095-3437（2019）12-0021-03

應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，關(guān)鍵是培養(yǎng)其實(shí)踐能力，而本科層次的應(yīng)用型人才培養(yǎng)，其培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)定位于創(chuàng)新型應(yīng)用型人才培養(yǎng)。這類人才不但要具有實(shí)踐能力、動(dòng)手操作能力，而且應(yīng)具有創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。實(shí)踐能力是指具有主觀能動(dòng)性的人有目的地、自覺地改造客觀對(duì)象和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。創(chuàng)新能力是指人們?cè)诟鞣N社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)中，運(yùn)用已有的思想、方法、理論和技術(shù)，開展變革現(xiàn)實(shí)活動(dòng)、產(chǎn)生新事物并不斷提供有價(jià)值的使社會(huì)受益的能力。在應(yīng)用型人才培養(yǎng)的浪潮中，高校應(yīng)該積極為學(xué)生創(chuàng)造實(shí)踐的平臺(tái)和條件。

通風(fēng)工程實(shí)驗(yàn)室就為采礦工程專業(yè)學(xué)生提供了這樣一個(gè)平臺(tái)。通風(fēng)工程實(shí)驗(yàn)室主要服務(wù)于采礦工程專業(yè)本科生礦井通風(fēng)課程及相關(guān)地下開采課程的實(shí)踐教學(xué)。礦井通風(fēng)課程是采礦工程專業(yè)本科生的一門專業(yè)必修課，要求學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，能夠掌握礦井通風(fēng)與防塵的基本規(guī)律和基本原理，掌握礦內(nèi)風(fēng)流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律、礦井通風(fēng)管理與檢測(cè)技術(shù)以及礦井通風(fēng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法，從而使學(xué)生具有從事礦井通風(fēng)與安全相關(guān)的科研、設(shè)計(jì)和管理工作的能力，為學(xué)生更好地從事礦山的開發(fā)和管理奠定基礎(chǔ)。

一、通風(fēng)系統(tǒng)模型的制作

（一）通風(fēng)系統(tǒng)模型制作的目的

礦井通風(fēng)課程的特點(diǎn)是實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法主要以理論教學(xué)、課堂講授為主。隨著礦山開采進(jìn)度的推進(jìn)，開采深度不斷增加，井下溫度、濕度、壓力等氣候條件也會(huì)隨著發(fā)生很大變化。為給井下工人創(chuàng)造良好的工作條件和工作環(huán)境，必須加強(qiáng)礦井通風(fēng)。在這種情況下，以傳統(tǒng)的教學(xué)方法培養(yǎng)的通風(fēng)技術(shù)人才已經(jīng)無(wú)法滿足企業(yè)需求。學(xué)生普遍反映該課程的學(xué)習(xí)難度較大。目前大部分礦井已轉(zhuǎn)入地下開采，但是由于種種原因，學(xué)生到礦山實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)非常少，這就導(dǎo)致學(xué)生對(duì)抽象的課本知識(shí)理解起來(lái)比較困難，很難弄清楚井下各種通風(fēng)巷道之間的空間關(guān)系和位置關(guān)系。利用通風(fēng)系統(tǒng)模型能夠形象直觀地展示礦體的產(chǎn)狀以及各種巷道之間的關(guān)系，從而使學(xué)生對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)有更為深刻的理解和認(rèn)識(shí)。

（二）通風(fēng)系統(tǒng)模型的分類

通風(fēng)系統(tǒng)模型按照物理性質(zhì)一般可以分為兩大類，即實(shí)體仿真模型和虛擬模型。實(shí)體仿真模型通常是用各種材料按照一定的比例和尺寸組裝而成。這些材料可以是強(qiáng)度較低但易于加工的塑料、木材，也可以是強(qiáng)度大但不易加工的金屬類材料。這類模型可以直觀地展示通風(fēng)系統(tǒng)各種巷道及構(gòu)筑物在井下的位置關(guān)系與分布。除了這一特點(diǎn)外，還可以在這種模型上附加各種電子電氣元件和操作控制系統(tǒng)，從而使觀察者可以進(jìn)行手動(dòng)操作演示。虛擬模型即數(shù)字模型，它是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)以及各種數(shù)字軟件做成的非實(shí)物模型。比如可以利用Datamine、3Dmine等軟件制作礦井通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)虛擬模型。

（三）通風(fēng)系統(tǒng)模型制作的過(guò)程

1.確定模型制作的內(nèi)容及分工

在進(jìn)行模型制作前，學(xué)生必須明確所做模型的類型及主要內(nèi)容，指導(dǎo)教師也要對(duì)項(xiàng)目組成員有所了解，然后在此基礎(chǔ)上按照學(xué)生自身的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分工，盡可能地發(fā)揮他們的優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)處。在進(jìn)行分工前，指導(dǎo)教師應(yīng)該確定項(xiàng)目組組長(zhǎng)的合適人選與職責(zé)，然后與組長(zhǎng)一起確定項(xiàng)目組其他成員的分工。

本次模型制作類型為物理實(shí)體仿真模型，該模型可以展示某金屬礦整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)。該項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：一是研究礦井通風(fēng)系統(tǒng)的主要類型、適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)，二是研究各種通風(fēng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)特征與結(jié)構(gòu)參數(shù)，三是研究礦井通風(fēng)系統(tǒng)中中段通風(fēng)、采區(qū)通風(fēng)的結(jié)構(gòu)特征及通風(fēng)路線，四是研究通風(fēng)附屬構(gòu)筑物在通風(fēng)系統(tǒng)中的作用及合理配置。

2.確定模型制作的進(jìn)度計(jì)劃

凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢，制定合理而周密的進(jìn)度計(jì)劃是保證項(xiàng)目順利完成的前提。這項(xiàng)工作可以由項(xiàng)目組組長(zhǎng)牽頭完成，指導(dǎo)教師做適當(dāng)調(diào)整即可。由于模型制作是一項(xiàng)復(fù)雜的設(shè)計(jì)工作，涉及本專業(yè)的諸多知識(shí)，而且有些知識(shí)點(diǎn)在課本上無(wú)法獲取，這就需要進(jìn)行調(diào)查研究。調(diào)研文獻(xiàn)資料時(shí)，指導(dǎo)教師可以有針對(duì)性地指定一些相關(guān)的參考資料，這些資料可以是網(wǎng)絡(luò)的電子資料，也可以是圖書館的紙質(zhì)資料。但不論是哪種資料，一定要由學(xué)生自己親自查閱找到答案，而不是由教師直接給他們答案，這樣才能提高他們學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研則是到礦山井下對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行觀摩學(xué)習(xí)，以便將理論知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)加以對(duì)比。由于目前礦山企業(yè)的特殊性，這是最難執(zhí)行的，但也是對(duì)模型制作最為有價(jià)值的調(diào)研。項(xiàng)目組充分利用學(xué)校建立的校企關(guān)系網(wǎng)，多次到當(dāng)?shù)氐牡叵碌V進(jìn)行了通風(fēng)系統(tǒng)考察調(diào)研，充分了解了目前金屬礦山地下礦通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，為下一步的模型制作打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.分析資料并確定設(shè)計(jì)方案

在完成上述調(diào)研工作以后，學(xué)生的理論知識(shí)儲(chǔ)備基本能滿足模型制作的要求?；氐綄?shí)驗(yàn)室后要進(jìn)行資料匯總和分析并最終確定設(shè)計(jì)方案。這一工作應(yīng)該由項(xiàng)目組學(xué)生完成，指導(dǎo)教師對(duì)最終的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行點(diǎn)評(píng)指導(dǎo)，查漏補(bǔ)缺。如前所述，通風(fēng)系統(tǒng)和開拓系統(tǒng)、采礦方法聯(lián)系緊密，而金屬礦山的礦床開拓方法和采礦方法非常之多，不同類型的開拓方法和采礦方法的組合就構(gòu)成了完全不同的通風(fēng)系統(tǒng)。在確定設(shè)計(jì)方案的過(guò)程中，學(xué)生要對(duì)這些開拓方法和采礦方法的基本構(gòu)成、適用條件、優(yōu)缺點(diǎn)等有詳盡的了解。完成這項(xiàng)工作后，學(xué)生對(duì)所學(xué)的礦井通風(fēng)及其他相關(guān)課程的理論知識(shí)都會(huì)有更為深刻的理解和認(rèn)識(shí)。

本模型最終確定的設(shè)計(jì)制作方案是這樣的：以豎井開拓為主要開拓方法，采用下盤豎井開拓，主、副井集中布置;主井為箕斗井，用來(lái)提升礦石，兼做回風(fēng)井;副井為罐籠井，用來(lái)運(yùn)送人員、材料、設(shè)備并兼做人風(fēng)井;井底車場(chǎng)以雙環(huán)形井底車場(chǎng)為例進(jìn)行制作，設(shè)置有主副井重車線、空車線及調(diào)車線，車場(chǎng)附近設(shè)置有調(diào)度室、變電所、水泵房、候罐室等;以淺孔留礦采礦方法為例進(jìn)行制作，采用裝巖機(jī)出礦平底裝車的底部結(jié)構(gòu);采用中央并列式通風(fēng)，新鮮空氣由副井進(jìn)入井下，通過(guò)石門進(jìn)入沿脈運(yùn)輸巷道，再由沿脈巷道進(jìn)入穿脈，由穿脈進(jìn)入上部的人行通風(fēng)井，清洗工作面后由上部的回風(fēng)平巷進(jìn)入主井排出地表。

4.完成模型制作

制作過(guò)程是模型制作最關(guān)鍵也是最煩瑣的一項(xiàng)工作。在這個(gè)過(guò)程中，指導(dǎo)教師要給予學(xué)生足夠的自由空間，最大限度地發(fā)揮他們的主觀能動(dòng)性。在此期間，學(xué)生必然會(huì)遇到很多困難，指導(dǎo)教師應(yīng)適時(shí)地進(jìn)行啟發(fā)點(diǎn)撥，但不是代替學(xué)生去解決這些問(wèn)題。在這個(gè)過(guò)程中，教師是引導(dǎo)者和組織者，處于主導(dǎo)地位，指導(dǎo)學(xué)生查閱資料和積極地思考分析，而學(xué)生是完成制作任務(wù)的真正的主體。

（1）繪制模型圖紙

在模型設(shè)計(jì)制作方案確定以后，首先要做的就是按一定比例尺繪制所要制作模型的圖紙。圖紙是模型制作成功與否的關(guān)鍵所在，因?yàn)閳D紙真實(shí)地反映了模型各個(gè)部位之間的空間位置關(guān)系，它是模型制作的指揮棒。這些圖紙包括從宏觀上把握布局的總設(shè)計(jì)圖，還包括局部地反映細(xì)枝末節(jié)的細(xì)部圖，都由學(xué)生親自完成繪制。

（2）選取制作材料

制作材料的選取要考慮制作成本、材料加工、硬度、材料透明度、模型運(yùn)輸?shù)纫蛩?。不同的制作材料有不同的?yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮以后本次模型制作選取4mm厚的有機(jī)玻璃板。這種材料的優(yōu)點(diǎn)在于堅(jiān)固、易于加工制作而且透明度高，有利于觀察者看到模型內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

（3）加工與打磨材料

買回來(lái)的有機(jī)玻璃板都是一整張的，需要學(xué)生按照模型各個(gè)部位尺寸大小進(jìn)行裁剪、切割并進(jìn)行必要的打磨。這個(gè)過(guò)程尤其要提醒學(xué)生裁剪、切割的方式方法，避免材料無(wú)謂的浪費(fèi)。同時(shí)要提醒學(xué)生注意安全，避免造成人身傷害。

（4）組裝模型

組裝是模型制作的最后一步，即將較小的部件組裝成為較大的部件，再將較大的部件按照總設(shè)計(jì)圖紙組裝成為整個(gè)模型。學(xué)生在組裝過(guò)程中必然會(huì)因加工誤差而造成有些部件無(wú)法銜接，這就要指導(dǎo)學(xué)生耐心地對(duì)這些部件進(jìn)一步修改完善。

二、通風(fēng)系統(tǒng)模型制作的意義

（一）有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與積極性

偉大的科學(xué)家愛因斯坦說(shuō)過(guò)：興趣是最好的老師。興趣可以激發(fā)人的創(chuàng)造熱情、好奇心和求知欲。如前所述，礦井通風(fēng)課程作為采礦工程專業(yè)的一門主要專業(yè)課，涉及了理論、實(shí)踐和設(shè)計(jì)等多方面內(nèi)容，有一定的學(xué)習(xí)難度。傳統(tǒng)的礦井通風(fēng)課程的教學(xué)過(guò)程往往是這樣的：教師在課堂講解理論知識(shí)，學(xué)生完成課后思考題，同時(shí)教師結(jié)合理論知識(shí)開展課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生雖然在實(shí)驗(yàn)課也有動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，但基本上都是以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)要求依葫蘆畫瓢地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并沒有能夠很好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性和主動(dòng)性。而通風(fēng)系統(tǒng)模型制作則不然。當(dāng)給學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐的機(jī)會(huì)時(shí)，他們會(huì)發(fā)現(xiàn)自身理論知識(shí)的匱乏，這就會(huì)促使他們帶著興趣更主動(dòng)地去學(xué)習(xí)。

（二）有助于學(xué)生學(xué)習(xí)采礦相關(guān)課程的知識(shí)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)與礦床開采的開拓系統(tǒng)、采礦方法、運(yùn)輸提升等都有緊密的聯(lián)系。開拓是礦床開采的第一步，采礦方法則是對(duì)礦塊的采準(zhǔn)、切割和回采等工作的總稱。礦床開拓要開掘一系列巷道，如井底車場(chǎng)、石門、階段運(yùn)輸巷道、采準(zhǔn)巷道及各種硐室，這些巷道將礦塊和井筒等開拓巷道連接起來(lái)，從而形成完整的運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等系統(tǒng)。這樣才能在保證將礦塊采出的礦石運(yùn)到地表、材料設(shè)備運(yùn)到井下的同時(shí)，將從人風(fēng)井進(jìn)來(lái)的新鮮空氣順利輸送至各工作面，各工作面形成的污風(fēng)順利地由回風(fēng)井排出，從而為工人創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。不同的采礦方法會(huì)有不同的采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)，不同的采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)則會(huì)形成不同的采場(chǎng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。合理的采場(chǎng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和通風(fēng)方法，是保證整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)揮有效通風(fēng)作用的最終環(huán)節(jié)，是整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分。比如對(duì)于無(wú)出礦水平的巷道型或硐室型采場(chǎng)，風(fēng)路簡(jiǎn)單，通風(fēng)容易，一般采用主扇的總風(fēng)壓形成貫穿風(fēng)流通風(fēng);而對(duì)于分段及階段礦房法等采礦方法，則應(yīng)廣泛采用出礦底部結(jié)構(gòu)，在利用貫通風(fēng)流通風(fēng)的同時(shí)保持風(fēng)流方向穩(wěn)定、分配均勻，避免鑿巖作業(yè)面和出礦水平之間風(fēng)流的串聯(lián)。通過(guò)制作通風(fēng)系統(tǒng)模型，可以使學(xué)生更清楚地了解主要開拓巷道、輔助開拓巷道、采場(chǎng)的采切工程、底部結(jié)構(gòu)等工藝，從而對(duì)礦床的開采順序、開采步驟等有更深刻的理解和認(rèn)識(shí)。

（三）有助于培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力

空間思維能力就是人對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的物體和圖形的形狀、大小及位置的理解和把握的一種能力。采礦工程專業(yè)研究的對(duì)象是埋藏在地表以下幾百米甚至上千米的礦體，學(xué)生是無(wú)法直接用肉眼觀察的，這就需要學(xué)生充分利用空間思維能力。礦井通風(fēng)巷道遍布井下，縱橫交錯(cuò)，種類繁多。制作通風(fēng)系統(tǒng)模型，不僅要有扎實(shí)的理論知識(shí)做基礎(chǔ)，而且要有豐富的空間想象能力。比如，入風(fēng)井和回風(fēng)井的位置關(guān)系，直接決定了所采用的通風(fēng)方式;階段進(jìn)風(fēng)巷道、階段回風(fēng)巷道、礦井總回風(fēng)巷道等巷道的空間關(guān)系和連接方式，決定了所采用的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類型。只有理清了這些巷道的空間位置關(guān)系，做出的模型才有可能與真實(shí)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相符。

（四）有助于提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力

實(shí)踐就是人們能動(dòng)地改造和探索現(xiàn)實(shí)世界一切客觀物質(zhì)的社會(huì)性活動(dòng)。中國(guó)自古以來(lái)就非常重視實(shí)踐，比如孔子說(shuō)過(guò)的“學(xué)而時(shí)習(xí)之，不亦說(shuō)乎”的“習(xí)”字，就是實(shí)踐的意思。還有“行是知之始，知是行之成”“臨淵羨魚，不如退而結(jié)網(wǎng)”等諸多名言警句都揭示了實(shí)踐的重要性。當(dāng)今世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異、突飛猛進(jìn)，企業(yè)對(duì)高素質(zhì)人才的要求也越來(lái)越高。對(duì)于剛離開校園邁人社會(huì)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，不僅要具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還要具備一定的實(shí)踐動(dòng)手能力。通風(fēng)系統(tǒng)模型的制作就是一項(xiàng)非常好的實(shí)踐項(xiàng)目。制作通風(fēng)系統(tǒng)模型實(shí)際上也是一個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程，而且這個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果要用物理模型或者數(shù)字模型體現(xiàn)出來(lái)。學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中，從理論一實(shí)踐一理論一實(shí)踐，從確定設(shè)計(jì)主題一制定計(jì)劃一調(diào)查研究、分析數(shù)據(jù)一確定設(shè)計(jì)方案一完成模型制作，每一步都需要他們深入地思考和耐心地操作，這就能夠使他們?cè)鰪?qiáng)合作意識(shí)與實(shí)踐動(dòng)手能力。

三、結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是目前大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新背景下高校專業(yè)教育的一項(xiàng)重要任務(wù)。實(shí)踐培養(yǎng)人才，實(shí)踐體現(xiàn)能力，而人才的創(chuàng)新能力在實(shí)踐中也能夠得到激發(fā)和鍛煉。本研究通過(guò)組織引導(dǎo)學(xué)生制作通風(fēng)系統(tǒng)模型，提高了學(xué)生的動(dòng)手操作能力，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，更為重要的是激發(fā)和培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新思維，使學(xué)生敢于思考、勇于創(chuàng)新，為學(xué)生今后走上工作崗位打下了基礎(chǔ)。