“礦山機械”課程教學改革與實踐研究

任春平　徐鵬　劉春生　趙存有　王本永　孔繁朝

摘要：本文針對“礦山機械”課程在教學過程中發(fā)現(xiàn)的問題，提出了時空耦合的教學過程與方法的新模式，即跨越時空的線上、線下相結(jié)合的形式，將課前導學、課中研學和課后練學整合為有機的統(tǒng)一體，為打造高效課堂奠定基礎。

關(guān)鍵詞：礦山機械；教學改革；時空耦合；教學過程與方法

“礦山機械”課程是一門專業(yè)必修課，該門課程面向?qū)ο鬄闄C械專業(yè)的本科三年級學生，包括機械設計制造及其自動化和機械工藝技術(shù)。課程教學內(nèi)容主要圍繞采煤機結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)、液壓支架結(jié)構(gòu)與參數(shù)、刮板輸送機等知識點為主線，突出理論知識聯(lián)系工程實踐，使內(nèi)容在深度和廣度上適用不同專業(yè)人才培養(yǎng)的需要，力求課程教學內(nèi)容具備學科前沿性和時代性［1-3］。與工程案例密切相連的同時，可滿足社會對于應用型培養(yǎng)人才的需求［4-7］?！暗V山機械”課程在以往教學過程中發(fā)現(xiàn)存在課時較少、學習任務較重及教學模式單一的問題，因此，探求解決該痛點問題的有效方法對于學生培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。

基于上述的不足問題，“礦山機械”課程教學改革與實踐創(chuàng)新迫在眉睫，堅持秉承以學生為中心、產(chǎn)出為導向、持續(xù)改進的OBE教學理念，構(gòu)建了“時空耦合的教學過程與方法”的新模式，采用“翻轉(zhuǎn)課堂”“給—與耦合的教學方法”，綜合運用“中國大學生慕課、智慧樹平臺、QQ群、學習通等”現(xiàn)代信息技術(shù)及優(yōu)質(zhì)教學網(wǎng)絡資源，力求“礦山機械”課程達到兩性一度的課程目標。

一、“礦山機械”課程教學改革的思路

本門課程教學設計理念來源于所在高等院?！耙詫W生為主體”的教學理念。根據(jù)學校的總體定位，為著力有效發(fā)揮“礦山機械”課程的服務專業(yè)的基礎功能與作用，在機械工程學院及機械設計教研室的領導下，對“礦山機械”課程進行了“線上自學+線下導學+線上拓展”的混合式教學模式，結(jié)合問題情境教學改革與實踐，本節(jié)課內(nèi)容可見一斑。本門課程教學環(huán)節(jié)中以“采煤機結(jié)構(gòu)及其參數(shù)”為案例，介紹目前礦井下主要采煤機的機型，線上拓展閱讀“采掘機械的應用”設計，體現(xiàn)了學校倡導的“理論知識與實踐能力、基礎知識與專業(yè)知識、人文教育與工程教育、課內(nèi)與課外、校內(nèi)與校外”五個相結(jié)合，力爭從一點一滴為學?！爸ε囵B(yǎng)思想道德素質(zhì)高、工程實踐能力強的‘一高一強的應用型高級專門人才”目標而貢獻力量。該教學設計也符合《全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》中落實“文化知識學習和思想品德修養(yǎng)、創(chuàng)新思維和社會實踐、全面發(fā)展和個性發(fā)展緊密結(jié)合”的人才培養(yǎng)要求?！暗V山機械”課程總體的教學改革思路為構(gòu)建了“時空耦合的教學過程與方法”的新模式，具體的思路如下表所示。

（一）課前導學

教師通過QQ群發(fā)布本次課的學習任務，具體包括兩種課前預習學習形式，第一種預習方式為學生利用中國大學生慕課、智慧樹平臺等進行任務在線學習。第二種學習方式為通過知網(wǎng)或者在PUBMED上檢索相關(guān)的文獻進行閱讀學習，學生通過騰訊會議討論問題，提出至少3個科學問題進入接下來的課中研學，通過課前預習減少了課中學習的時間，節(jié)約了大量的寶貴時間，為高效傳授課程內(nèi)容知識點奠定了基礎，該階段采用了翻轉(zhuǎn)課堂，可有效解決學生課上學習任務較重的問題。

（二）課中研學

學生走上講臺進行小組匯報，讓學生成為“主角”，通過學生的匯報，其他組別對匯報學生的預習情況提問和點評，教師做最后的總結(jié)，該階段的時間分配為6分鐘左右。由于“礦山機械”課程涉及結(jié)構(gòu)圖較多，學生對于結(jié)構(gòu)理解不是很透徹，部分學生尤其對于采掘機械知識感到困惑。為了解決這一問題，本門課在教學設計過程中，提出了一種IRE的啟發(fā)式教學模式，以此引起學生對采掘機械知識的學習興趣，同時也可以培養(yǎng)學生的科研思維和潛質(zhì)，鍛煉了學生們利用基礎理論相關(guān)的知識分析案例問題的思維邏輯能力，該過程可解決教學模式單一的問題。

（三）課后練學

由于課中研學階段時間有限，為了更好地讓學生牢固掌握講課中的知識點，將教學過程與方法擴展到課后練學，針對學生在課中沒聽懂的問題或疑難問題，通過QQ群或微信群等方式進行在線解答，以此達到答疑解惑的作用。利用網(wǎng)絡平臺進行章節(jié)擴展閱讀和章節(jié)自測，對本節(jié)課進行延伸，布置課外的擴展閱讀學習任務，以此提高學生對課程的深度理解，該過程融入了擴展教學模式，以便節(jié)約更多時間，解決課時較少的問題。

二、“礦山機械”課程教學改革與實踐的途徑

課中研學階段即線下的課堂教學，主要依據(jù)學情分析和學生學習興趣等，結(jié)合教師做科學研究的情況，構(gòu)建了“以學生學習興趣為中心、與教師科研相結(jié)合、挖掘?qū)W生科研潛質(zhì)為目的”的啟發(fā)式教學模式（Interest，research，exploration簡稱IRE），同時融入“給—與耦合教學方法”，即學生之間互相講解、提問、討論，教師與學生互評等，同時設置了找茬等游戲環(huán)節(jié)，提高學生參與課堂的積極性。該教學過程與方法主要包括問題引入、知識融入、科研結(jié)合、小組討論和歸納總結(jié)，同時課程思政元素內(nèi)嵌于整個教學環(huán)節(jié)，具體如下所示。

（一）問題導入方法與手段

教師首先將問題引入，然后學生之間分組討論，可以是組內(nèi)討論，也可以是組與組之間進行探究，將所提出的問題進行深入剖析，最后進行全面的總結(jié)歸納。通常設置開放式問題，比如提出生活中的例子和問題，引起學生對問題的興趣和好奇，讓學生可以主動去思考問題。通過講解“煤炭的來源”背景研究，讓學生理解科學家如何思辨地將宏觀與微觀聯(lián)系起來，探索微觀世界的美妙之處。

（二）知識融入方法與手段

根據(jù)本節(jié)課內(nèi)容，通過工程案例的分析與講解，讓學生切身感受到采掘機械應用的美妙之處，比如在大傾角煤層條件下，使用何種型號采煤機，此時采煤機滾筒直徑如何確定，葉片選擇頭數(shù)、筒轂直徑如何確定等，通過實際工程案例分析，鍛煉學生利用“礦山機械”課程中相關(guān)內(nèi)容解決和分析實際問題的思維和能力，以此達到教學目標中的“能力目標”，即培養(yǎng)學生利用礦山機械知識解決復雜實際煤礦機械問題的能力。

（三）科研結(jié)合方法與手段

在教學過程中探尋到教學與科研的聯(lián)系點，將這些好的科研例子分享給學生，以此提高學生分析案例的高階思維能力，進而提高學生做科學研究的潛質(zhì)。礦山機械中，隨著煤礦開采深度的不斷加深，煤巖的硬度增強，抗壓強度為80MPa、磨蝕性指數(shù)為1.0的硬巖亟須先進的截割刀具。機械破碎截割硬巖在工程領域有廣泛的應用，但用于破巖的刀具磨損與失效形式會嚴重影響破巖效率，深層探究破巖刀具的抗耐磨性能對于破巖生產(chǎn)率提高起到重要的作用，因此，確定刀具上的溫度分布及其規(guī)律尤為關(guān)鍵。刀具紅外測溫原理與裝置通過碟盤刀具紅外熱像圖，可清晰判斷刀具磨損狀態(tài)，這樣將教學內(nèi)容與科研進行了緊密結(jié)合，提高了學生解決工程案例的思維邏輯能力。

（四）小組探究方法與手段

在小組討論中，教師一定要讓學生的表達能力與想象力得到充分發(fā)揮，激發(fā)學生的創(chuàng)新思考能力，采用“給—與耦合的教學方法”，培養(yǎng)學生成為課堂中的“主角”，讓教師轉(zhuǎn)變?yōu)檎n堂中的“導演”，可設置搶答拔高、找茬等游戲環(huán)節(jié)，提高學生參與課堂積極性。利用智慧教室創(chuàng)設全景教學環(huán)境，老師導入問題，學生之間進行分組討論。在該環(huán)節(jié)，將學生可分成不同的討論小組，讓各小組成員努力去“腦洞大開”，每個小組內(nèi)部可以相互研討，外部又可以形成良性競爭。最后，各個小組完成一份總結(jié)報告，報告內(nèi)容包括研究背景、案例的采用不同方法的原理以及討論結(jié)果的預期效果等，或是讓學生課堂上臺講解。

這里以其中完成度較高的一個小組成果為例，該小組預想未來可研發(fā)一種復合集熱器設計裝置。該結(jié)構(gòu)頂面設置玻璃蓋板，供應白天的熱能；結(jié)構(gòu)底面設置冷板，供應晚上制冷。中間結(jié)構(gòu)部分通常設置為保溫的材料，設置的裝置既有創(chuàng)新性，又有設計依據(jù)。通過這種發(fā)散式思維的不斷啟發(fā)，培養(yǎng)學生的探索問題、發(fā)現(xiàn)問題的能力。對于有非常好的想法的學生，教師應該鼓勵其進行更進一步的論證，積極鼓勵學生去參加各種有益于開發(fā)創(chuàng)新思維的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、TRIZ大賽、積極申報國家專利等，培養(yǎng)學生做科學研究的潛質(zhì)，鍛煉學生的表達能力，以此達到教學目標中關(guān)于素質(zhì)目標中闡述的指標點。

正如前面所說的，課程思政元素一直內(nèi)嵌貫穿于整個教學環(huán)節(jié)，潤物無聲地滋潤學生，培養(yǎng)學生的愛國主義，堅定學生的報國信念。同時教師歸納總結(jié)本節(jié)課的基本內(nèi)容，強調(diào)本節(jié)課的重、難點等內(nèi)容，升華課程思政主題，從而培養(yǎng)學生樹立求實的科學態(tài)度和嚴謹科學思維。以往的教學模式以教師為主，“填鴨式”教學會導致大部分的學生對于上課沒有興趣，對于知識的吸收理解處于表層，存在“等、靠、要”的被動思想，多數(shù)學生僅能形成“記憶、掌握”的低層學習能力，缺乏獨立思考和表達能力。為了避免這一問題，在教學過程中要換位思考，角色互換，讓學生根據(jù)慕課和文獻預習內(nèi)容，登上講臺。針對講授的相關(guān)知識點，給學生設定的研討主題“智能化采煤機”，分別找2～3名主講學生上臺給大家講解、研討和分享這個主題。比如“智能采掘機械設備結(jié)構(gòu)創(chuàng)新”，這是一個開放式研討主題，教材和講義上都沒有具體的答案，主要考查學生自主學習能力和上網(wǎng)搜索資料的能力。主講學生可以任選某一種，甚至兩種介紹。主講學生講完后，開啟質(zhì)疑環(huán)節(jié)，詢問臺下學生是否有想研討的地方。同時教師會準備幾個備用問題，例如“采煤機結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與所做的科研有何聯(lián)系？”“你從發(fā)展歷程中，學習到了哪些？”等問題，如果學生間已經(jīng)討論得很激烈了，則教師不追加問題；否則教師要將問題拋出，激發(fā)臺上、臺下學生的研討，并根據(jù)學生最后的研討結(jié)果給予點評。通過學生的自我講述和研討，更深地植入學生的內(nèi)心，激發(fā)學生探索宇宙中的未知、追求永恒的真理，激發(fā)學生的愛國主義情懷和探索科學的使命感。

三、“礦山機械”課程教學改革與實踐的成效

“礦山機械”課程經(jīng)過4輪的教學實踐，機械專業(yè)2015級至2018級的學生在機械知識、專業(yè)技能、就業(yè)單位的認可度等方面均有穩(wěn)步提升，在國家級、省級比賽中均有獎項斬獲。在山東舉辦的“全國高校機械類專業(yè)建設高端論壇”上，團隊成員做了“礦山機械”課程創(chuàng)新理念的專題報告。此外，團隊編寫的特色教材《礦山機械》，正在被部分兄弟高校礦業(yè)類專業(yè)的學生所使用。學生作為志愿者參加哈爾濱國際經(jīng)濟貿(mào)易洽談會、國際產(chǎn)學研用合作會議等大型會議，為大會提供專業(yè)領域的服務。學生正在用所學到的機械知識服務龍江地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，助力龍江發(fā)展建設。以上就是“礦山機械”課程對應國家、行業(yè)、專業(yè)需求，在符合校情、學情基礎上所進行的課程改革和探索，以及目標達成的具體路徑。

近五年問卷調(diào)查，對于“礦山機械”課程開展教學過程與方法進行的創(chuàng)新與改革研究，絕大多數(shù)同學完成了在線的學習任務，積極參與線下學習，課程通過率和優(yōu)秀率逐年升高，學習興趣明顯提高，學生們自主學習“礦山機械”課程的能力得到了顯著的提高，學生對課堂的互動性與啟發(fā)性、礦山機械知識的獲得性、礦山機械中實際工程案例的獨特性給出了非常滿意的評價，獲得了學生的一致認可。近幾年，通過教學實踐環(huán)節(jié)，學生學以致用的能力得到提升，學生先后多次參加國家、黑龍江省舉辦的TRIZ創(chuàng)新方法大賽，碩果累累，獲得多項國家級和省市獎，成績?nèi)〉玫谋澈笳蔑@了課程創(chuàng)新的教書育人，培養(yǎng)學生創(chuàng)新綜合素養(yǎng)的教學目標。近五年，通過“礦山機械”課程的學習，多數(shù)學生做科學研究的思維能力得到了大幅度的提高，獲批多項校級大學生科研立項，申請或授權(quán)多項實用新型專利。該門課程順應國家、行業(yè)和專業(yè)需求，在符合校情和學情的基礎上對課程進行了改革與創(chuàng)新探索，未來繼續(xù)秉承工匠精神，將課程改課落到實處，該門課程的教學創(chuàng)新設計模式會對其他課程創(chuàng)新提供參考，具有一定的推廣價值。

結(jié)語

本文提出了基于時空耦合的教學過程與方法的新模式，有效解決了“礦山機械”課程在傳統(tǒng)教學過程中存在的課時較少、學習任務重及教學模式單一的痛點問題。采用多種教學活動形式，真正做到以學生為主體，教學為主導的教學思想，同時將課程思政元素內(nèi)嵌于整個教學環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、使命擔當與愛國主義情懷。

參考文獻：

［1］曹鵬，朱燁，李千順.礦山機械智能化的應用及發(fā)展趨勢［J］.世界有色金屬，2019（22）：18+20.

［2］郭振華.基于機電一體化系統(tǒng)在礦山機械工程中的應用分析［J］.世界有色金屬，2019（17）：293+295.

［3］李軍霞，焦少妮，陳維望.基于綜合素質(zhì)和人才需求的研究生培養(yǎng)模式研究——以礦山機械專業(yè)為例［J］.科教導刊，2021（01）：55-57.

［4］徐霞.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)分析礦山機械教學模式的改革途徑［J］.課程教育研究，2018（06）：30.

［5］鄧代強，肖利平，張開智，等.《礦山機械與設備》教學模式探討［J］.教育現(xiàn)代化，2019，6（19）：104-106.

［6］徐鵬，趙存有，劉訓濤，等.新工科建設背景下礦山機械系列課程教學改革研究與實踐［J］.教育現(xiàn)代化，2020，7（17）：78.

［7］王大剛，程志紅，李艾民，等.基于OBE理念的煤礦類高校機械工程專業(yè)教學改革研究［J］.教育現(xiàn)代化，2019，6（78）：39-40.

基金項目：黑龍江省教育科學“十四五”規(guī)劃2022年度重點課題“課程思政與智能信息技術(shù)融合的《礦山機械》課程教學體系重構(gòu)與推演研究”（GJB1422121）

作者簡介：任春平（1987—），男，漢族，黑龍江肇東人，博士，講師，碩士生導師，研究方向：機械設計及理論。