仿真教学在矿山机械课程体系中的应用研究

燕碧娟+王志霞+李自贵

[摘 要] 针对矿山机械设备工作场所的特殊性及现有教学存在的问题，基于建构主义学习理论，对在矿山机械课程体系中进行仿真教学进行了探讨。通过仿真，对各种矿山设备及其工作场所等进行造型，结合声音、动画和图片，可实现钻、采、装运等过程的逼真模拟，从而为学生提供一个接近实际的学习“情境”，加深学生对矿山机械设备的理解，达到预期的教学目标，同时可以实现学校教育与对口企业工作岗位零距离对接。

[关键词] 矿山机械；仿真教学；建构理论；课程体系

[中图分类号] G642.0 [文献标志码] A [文章编号] 1005-4634（2014）04-0077-03

0 引言

作为重型机械行业传统特色专业，太原科技大学矿山机械专业开设于1975年，1996年根据教育部本科专业调整目录重新更名为现在的机械设计制造及自动化专业矿山机械方向。本科阶段开设的专业基础课几乎涵盖了矿山各个生产环节中需用到的设备，该课程体系主要包括《装载与挖掘机械》、《提升机械》、《选矿机械》、《采掘机械》、《专题讲座》等。通过相关课程的学习，力求让学生掌握矿山生产一线主要生产设备（装载机、挖掘机、提升机、破碎机、振动筛、牙轮钻机等）的工作原理、主要结构设计计算、性能特点等知识点，从而为将来尽快融入工作打下坚实的基础。因该专业课程设置特色鲜明，历经岁月变迁在同行中依然享有较高盛誉，同时保证了学生毕业后的高就业率。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。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，因此学生对矿山机械设备尤其是其工作环境的认识大多停留在书本上，缺乏感性认识，这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[1，2]。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。采用计算机建模、交互设计等手段，对矿山机械课程体系中涉及到的各种矿山设备及其工作场所等进行造型设计，结合声音、动画和图片，可实现矿物钻、采、装运、破碎等过程的逼真模拟，从而加深学生对矿山机械设备的理解，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，通过仿真，在教学中能更好的融入相关知识，保证了学校教育与对口企业工作岗位“无缝对接”。

1 建构主义学习理论

心理学家皮亚杰提出的建构主义理论为仿真教学的实现奠定了良好的理论基础[3，4]。仿真教学中充分应用和体现了该理论的“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”四大要素。

“情境”：不同于常规课堂教学，仿真教学其典型的优点在于为学生提供了一个接近实际的学习情境，从而帮助学生更好地认识其面临的学习任务，并将新的内容消化吸收到已有知识结构中[5]。比如，在地下铲运机工作机构教学时，通过对其各个杆件的三维建模，再进行装配，可以很好的实现地下铲运机实际工作时各个动作的模拟，另外学生也可以进行整个机构的拆装，从而加深对课堂讲授内容的理解。

“协作”：仿真软件在教学过程中进行实际操作运用时，“协作”会体现在各个过程中。比如，在传授学习内容、分派学习材料时，就需要代课教师和学生一致协作；在分组实验时，就需要同学之间互相协作；在对每位同学搜集到的资料进行整理评价、汇总时，协作同样体现在其中。以上各种协作有助于提高学生的团队意识以及解决问题的能力。

“会话”：在进行仿真教学时，“会话”有助于加快学生重建其认知结构，其包括代课教师与学生、学生与学生、学生和网络之间的会话等。

“意义建构”：进行虚拟仿真时，学生在上述各环节基础上，已循序渐进地理解了“情境”中的任务，因此，最终实现了“意义建构”目标，并进一步更新知识结构、提升个人解决实际问题的能力。

因此，基于建构主义学习理论，结合矿山机械课程体系中各门课程的特点，在传统教学中灵活运用计算机仿真辅助教学，是实现预期教学目标的一个行之有效的方法。

2 传统课堂教学模式存在的主要问题

《装载与挖掘机械》、《提升机械》、《选矿机械》、《采掘机械》、《专题讲座》等课程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，遇到某些复杂结构组成问题，即使有相当教学经验的教师，也很难讲清楚；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。

矿山机械专业所开设课程都具有很强的实践性，考虑到矿山环境的特殊性，从当下的教学情况来看，学生实践经验明显不足。当仅仅利用上述媒体（包括教材和挂图等）进行教学时，由于未能给学生提供一种更加接近实际现场的“情境”，学生对其学习任务含糊不清，不知道自己将来毕业以后究竟去干什么，换句话说，不理解课堂上讲的内容在实际工作中的作用，时间久了，也就失去了对本专业学习的兴趣。集中表现是上课旷课情况时有发生，到课的也有个别同学玩手机、看闲书等。因此，如何改革传统课堂模式就显得非常迫切。

3 矿山机械课程体系仿真教学探究

3.1 仿真教学的特点

引入计算机“仿真”教学，其主要优点可整理归纳如下：（1）学生的沉浸感，如同电脑游戏一样，学生可以整个身心投入到虚拟的机器设备作业环境中；（2）感知性，借用人体的眼睛、耳朵等知觉通道，师生能够直接获取虚拟设备的相关知识；（3）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；（4）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，要为学生尽可能地提供多种学习渠道，实现优势互补，提高教学效果。

3.2 仿真教学在矿山机械课程体系的应用

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的一些相关技术的最新知识，矿山机械教研室的教师利用节假日深入到各地矿山、井下、矿山机械厂、洗煤厂等进行实地考察学习，拍摄了大量的矿山设备的真实外部面貌，并录制了逼真的相关机器的作业视频画面，把搜集到的大量资料整理后插入到多媒体课件中，从而一定程度上丰富了课程内容。同时，为各门课程高质量的讲授工作提供了有力保障。

另一方面，针对掘进机、缠绕式提升机等大型矿山设备，充分利用周围的研究生资源和仿真技术，将设备的工作原理、结构组成及故障诊断等知识动态的虚拟到电脑中，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，教学形式更为生动，显著提高了课程的教学效果。

1）现代化矿井仿真模拟系统。通过几年的教学探索，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，实现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。具体为：（1）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，并介绍相对应的巷道布置情况；（2）在高仿真的井下环境中，以人机交互的形式进行掘进机的割煤、转载工作实验教学，凿岩钻车前、后行走和工作过程的虚拟仿真，包括钻孔过程、钻具受力、钻机整机稳定性等的虚拟仿真，为学生提供一种逼真的工作“情景”；（3）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；（4）为学生提供矿井提升机提升过程虚拟仿真过程，其功能主要包括物料自动装载过程、自动卸载过程，提升过程的操作控制，假设“故障”下的自动报警等。

2）露天矿布置模型。露天矿山开采主要包括钻孔、爆破、铲装、运输等工艺环节。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，最典型的代表就是太重生产的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矿山设备零件库，从而满足了学生对设备进行装配的教学要求。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，基本上可以满足太原科技大学矿山机械专业各门课程、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）的教学提供一定的帮助。

4）实施效果。通过在矿山机械课程体系中渗透仿真教学，改善了以往课程内容枯燥乏味的局面，经过不断的摸索、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、积极性也调动了起来，改变了教师“满堂言”的状况，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，发现学生能够很快适应新的工作环境，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。

4 结束语

本文基于建构主义学习理论，针对矿山机械课程体系的特点，提出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，让学生能够感受到矿山企业“真实”的工作环境；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环境中对设备进行装配。上述各仿真模型的应用实施效果明显。

参考文献

[1]李鹏.仿真教学在高等职业教育中应用研究[D].济南：山东师范大学，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应用[J].武汉科技学院学报，2008，21（3）：5-8.

[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，（8）：72-73.

[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，2006，25（1）：5-7.

[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，2012，20（1）：87-90.