装载与挖掘机械课堂模式改革尝试

燕碧娟　王志霞　李自贵

[摘 要]装载与挖掘机械是我校矿山机械专业的一门专业基础课。通过该课程的教学，力求让学生掌握装载机、挖掘机等重要设备的工作原理、主要结构设计计算、性能特点等知识点，从而为将来尽快地融入工作打下坚实的基础。针对装载与挖掘机械现有课堂模式存在的问题，对在传统教学中辅以仿真教学进行改革尝试。实施效果表明，教师从该过程中收获颇丰，学生的学习主动性、积极性也被调动了起来，达到了预期的教学目标。

[关键词]装载与挖掘机械 仿真 教学改革 教学目标

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2014）14-0091-02

装载与挖掘机械是我校矿山机械专业的一门专业基础课。通过该课程的教学，力求让学生掌握装载机、挖掘机等重要设备的工作原理、主要结构设计计算、性能特点等知识点，从而为将来尽快地融入工作打下坚实的基础。该专业课程设置特色鲜明，因而即使历经了岁月的变迁，也依然在同行中享有较高的盛誉，同时保证毕业生的就业率居高不下。另外，社会生产的不断变革，为专业的发展创造了新的机遇，同时也提出了新的挑战。我们只有根据生产实践的具体要求，确定自身的发展目标和教学特色，才能提升专业的整体水平和竞争力。然而，基于安全方面的考虑，本专业学生到大型露天或地下矿进行认识生产实习（包括各种现场教学）的机会有限，因此学生对装载与挖掘设备工作环境的认识大多数停留在书本上，缺乏感性认识，制约了学生在本专业方向上的创新性发展，从而导致学生的课程设计基本处于闭门造车的状况。

所谓仿真教学，是借助半实物装置或计算机技术进行零部件的设计、拆装、实际动作模拟等过程的教学方式。随着计算机技术在各行业的应用，计算机仿真在教学中的作用日渐突出。故采用计算机建模、交互设计等手段，对装载与挖掘设备及其工作场所等进行造型设计， 结合声音、动画和图片，可实现矿物装运的逼真模拟，从而加深学生对设备的理解，同时弥补了教学设备及现场教学缺乏的不足，并为相关课程的进一步改革提供一定的帮助。更重要的是，通过计算机仿真，教师在教学中能更好地融入相关知识，保证了学校教育与对口企业工作岗位“无缝对接”。

一、现有课堂模式存在的主要问题

装载与挖掘机械课多年来一直沿用传统的课堂模式。对于一些典型设备的构造，教师经常结合教材采用挂图的方式进行讲解，这样，遇到有些复杂结构组成问题，即使有着相当丰富的教学经验的教师，也很难用口头语言表达清楚；另外，对于一些零部件的设计，如何让学生根据已有的知识结构分析零部件的受力特点、危险截面位置以及应力分布情况是一个教学难点，采用常规的教学方法，内容枯燥，很难收到良好的教学效果。

另外，该门课程具有很强的实践性，考虑到矿山环境的特殊性，从当前的教学情况来看，学生实践经验明显不足。如果教师仅仅利用上述媒体（包括教材和挂图等）进行教学，那么就不能给学生提供一种更加接近实际现场的“情境”。学生对该课程的学习任务含糊不清，不知道自己将来毕业以后究竟去干什么，也就是不理解教师课堂上讲的内容在实际工作中究竟有什么作用，时间久了，也就失去了对本专业学习的兴趣。集中表现为上课旷课情况时有发生，即使是来上课的学生，也多数玩手机、看闲书等。因此，如何改革传统课堂模式就显得非常迫切。

二、仿真教学探究

（一）仿真教学特点

引入计算机仿真教学，其主要优点可归纳如下：一为学生的沉浸感，如同电脑游戏一样，学生可以全身心投入虚拟的机器设备作业环境中；二为感知性，借用人体的眼睛、耳朵等感知觉通道，师生能够直接获取虚拟设备的相关知识；三为交互性，借用人机界面，信息可以在虚拟设备和学生间流动，提高学生解决实际问题的能力；四为安全性，矿山机械课程体系中的各门课程，均安排了一定量的现场实践教学，如采用仿真软件进行演示教学，将会解决一些后顾之忧。

然而，需要指出的是，仿真教学对于学生的知识建构起到了很大的帮助作用，但其绝对不可以替代一切实践环节。因此，我们要尽可能地为学生提供多种学习渠道，实现优势互补，提高教学效果。

（二）装载与挖掘设备仿真改革研究

一方面，为了让学生更好地了解所学专业设备的工作环境、工作性能及在教学中引入一些相关技术的最新知识，矿山机械教研室的教师可利用节假日深入各地矿山、井下、矿山机械厂、洗煤厂等进行实地考察学习，拍摄大量的矿山设备的真实外部面貌，并录制了相关机器作业的视频，把搜集到的大量资料整理到多媒体课件中，从而在一定程度上丰富了课程内容。

另一方面，针对装岩机、机械式挖掘机等大型装载与挖掘设备，充分利用周围的研究资源和仿真技术，将设备的工作原理、结构组成及故障诊断等知识动态虚拟到电脑中，让学生置身于计算机还原出的虚拟设备中，不需要去真实的矿山，就完全可以体验到地下或露天的作业环境，并可以解剖开整个设备，了解、掌握其内部结构及各个组成零部件的结构特点，弥补了上述拍摄相片或视频中只有机器外部轮廓的不足，从而让一些抽象知识直观化。这样，借用各种手段，教学形式更為生动了，课程的教学效果也显著提高了。

1.地下铲运机模型

通过几年的教学探索，我们引入了现代化矿井仿真模拟系统，其主要涵盖了井下巷道布置系统、生产系统和地面工业广场布置系统。该仿真系统融合了计算机、PLC可编程控制、多媒体等先进技术，达到了理论与实际相结合，动作、文字、声音相结合的完美效果。利用该系统，可以向学生动态展示矿井火灾、透水以及采煤工艺过程等。通过仿真，向学生演示各种采煤法，如急倾斜柔性掩护支架法、走向长壁法、倾斜长壁法等，以及相对应的巷道布置情况；在高仿真的井下环境中，可以让学生在多维度的仿真环境中，体验地下铲运机的工作过程，包括铲运机转载、运输与卸载过程，并仿真研究其平移特性和卸料特性。

2.露天用装载、挖掘设备模型

露天矿山开采主要包括钻孔、爆破、铲装、运输等几个工艺环节。经过高维度计算机仿真模型系统，能够向学生立体展示出露天矿开采工作面的布置情况，以及动态演示上述的钻孔等几个工艺过程，从而让学生体验露天采矿的全过程，与将来从事的工作零距离对接。和井下矿相比，露天矿山用的设备类型较少，但其生产能力都较大，最具代表性的就是太重生产的WK-55机械式矿用挖掘机。通过仿真平台，建立了WK-55的多自由度数字模型，从而实现了其各种动作，包括挖掘、回转、行走等的逼真模拟。

3.零部件图形库

经过几年教学的积累，利用Pro/ENGINEER 三维造型软件建立了装载、挖掘设备零件库，这样满足了学生对设备进行装配的教学要求。学生可以在计算机模拟仿真环境下进行各个零件的组装，同时，可对装配完成的零件进行干涉分析、运动分析。

上述各仿真模型的应用，基本上可以满足与该门课程有关的认识实习、生产实习的教学要求，当然也可以为其他相近专业（比如工程机械专业）的教学提供一定的帮助。

4.实施效果

通过在矿山机械课程群中渗透仿真教学，改善了以往课程内容枯燥乏味的局面，经过不断摸索、学习、实践，一方面，教师从该过程中收获很多；另一方面，学生的学习主动性、积极性也被调动了起来，改变了教师“满堂言”的状况。教师通过采用各种情景式、启发式教学方法，引导学生参与课程的讨论，把新的知识整合到已有的知识结构中，最终达到了意义建构的目的。另外，通过对矿山机械专业的毕业生及其工作单位进行走访调查，我们发现学生能够很快地适应新的工作环境，解决问题的能力强，得到用人单位的一致好评，实现了学校教育与工矿企业的零距离对接。

三、结论

本文针对装载与挖掘的特点，提出了在传统教学中渗透、穿插仿真教学的观点。通过在教学中向学生展示各种现代化矿井、露天矿模型，可以让学生仿佛置身于矿山企业“真实”的工作环境之中；通过矿山设备组成零部件图形库的建立，可以让学生在一种模拟的環境中对设备进行装配。上述各仿真模型的应用，都有着明显的效果。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 李鹏.仿真教学在高等职业教育中应用研究[D].山东师范大学硕士学位论文，2008.

[2] 余联庆，梅顺齐，杜利珍，饶成.ADAMS软件在机械系统仿真课程教学中的应用[J].武汉科技学院学报.2008.

[3] 王盛建.建构主义教育思想在《机械基础》教学中的应用[J].中国科教创新导刊，2008.

[4] 胡爱武，傅志红.建构主义理论在机械类实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2006.

[5] 赵静云，任娟.三维建模与仿真技术在机械类课程教学改革中的应用实践[J].河南机电高等专科学校学报，2012.

[责任编辑：覃侣冰]