从知识点迭代到专业课程认知建构 ——以“地下通风与空气调节”课堂教学探索为例

陈世强 郝小礼 李轶群

（1.湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201；3.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201）

1 专业发展与课程特色

我校建筑环境与能源应用工程专业（以下简称建环专业），是湖南省一流本科专业建设点，1997招收了首届本科生，源于矿山通风安全专业。地下空间环境控制技术是建环专业长期着力建设、方向鲜明和精心凝练出的具有地下与地面交叉的特色方向，其中，《地下通风与空气调节》是特色方向的承载主体。

《地下通风与空气调节》与地面上的《通风工程》和《空气调节》等，存在相通之处，即均依托《流体力学》、《工程热力学》和《传热学》等基础知识[1]；但是，又存在显著不同之处，地面通风与空调的控制对象是地面建筑内或构筑物内环境，而地下通风与空调的控制对象是矿井井下的采掘工作面受限环境等。该课程涉及“矿井空气”、“通风动力”等8个章节，仅安排了24课时；对于建环专业本科生而言，知识跨度大，“学生难学”问题突出。

因此，探索地面与地下通风空调相结合的课程教学模式——从知识点迭代到专业理论体系重构，是我校建环专业特色建设实践中需要深入解决的问题[2-3]，也是探寻学科建设与专业特色的交融途径。

2 研究进展与问题梳理

多年来，《地下通风与空气调节》课程一直选用普遍用于采矿工程和安全工程本科教学中的通用教材——“通风安全学”，基本内容由矿井通风系统、矿井瓦斯及其治理、矿井防尘和矿井防灭火几部分构成[4]；其中，矿井通风部分为多个专业均会讲授的内容[5-8]。但是，讲好这部分内容，让学生学好，并不容易，涉及到如何备课、如何讲课和怎么考试的问题[9]。

2.1 采矿工程与安全工程专业课程改革探索

在采矿工程本科教学中，为了培养本科生的创新能力，朱令起等制定了该校特色专业人才培养计划，安排设立了一系列学生科研资助项目，使学生带着问题去学，目标明确、兴趣浓、主动性强，自学能力会很快地明显提高[10]。

在安全工程的本科教学中，针对当前《矿井通风与安全》课程设计中存在的不足，魏连江、王德明和陈开岩分析了课程设计改革的必要性，并根据《矿井通风与安全》课程设计的特点与课程的关系，结合多年教学经验，改进了课程设计的教学内容、教学体系、教学方法，提出了《矿井通风与安全》课程设计改革的具体措施，构建了《矿井通风与安全》课程设计新的教学模式，课程设计教学新模式注重学生独立解决问题能力、创新能力及团队合作能力的培养。通过对《矿井通风与安全》课程设计的教学改革，学生学习的积极性、主动性有了极大提高，动手能力、创新能力、独立分析和解决煤矿安全问题的能力得到了进一步加强，取得了良好的教学效果[11-12]。

立足于采矿工程和安全工程本科教学均开设了矿井通风与安全方面课程的特点，针对《通风安全学》课程内容多、理论性强和学时少等特点，张雷林等从教学方法、案例分析、课程设计、教学内容以及知识扩展5个方面出发，开展了课程教学改革，实践表明这些措施不但使学生加深对该课程的理解，而且帮助他们掌握解决实际问题的能力，达到良好的教学效果[13]。此外，为了解决当前“矿井通风”课程教学过程中普遍存在的问题，陈文胜等从优化师资配备、加强案例教学，以及将实践融入到教学内容之中和注重知识更新4个方面，探究提高学生学习的积极性与主动性的课程教学改革[14]。

归纳上述国内4所高校的采矿工程和安全工程，在“矿井通风”本科课程教学的探索和实践所取得教改成绩和经验，并不能直接嫁接到建环专业的《地下通风与空气调节》教学中，建环专业本科生矿业方面的基础知识薄弱，几乎是空白。但是，建环本科生具有较好地面通风空调方面的基础知识积累[15-16]。

2.2 建环专业中本课程教学问题提出

建环专业主要的工程对象是地面建筑通风空调，又可细分为民用建筑通风空调与工业建筑通风空调两类。两类通风空调的共同点就是排除污染物，送入新风和保证人员热舒适等；民用建筑通风空调侧重于满足室内空气质量和热舒适的要求，而工业通风空调则侧重于控制生产过程中的粉尘、微生物、有害气体、高温、高湿，创造良好的工作和生产环境，以及保护大气环境[17]。进一步，矿井通风空调是一种特定的工业通风空调，具有特长的输配距离、特别的井下作业背景和特殊的空间环境控制目标。

地面工业通风空调与矿井通风空调有着共同点，那就是稀释和排除有毒有害物质，创造良好的气候环境[18]。矿井通风空调是矿井安全生产重要保障。一般来说，矿井井下存在爆炸性气体、有毒有害气体、生产过程中的产尘、高温、高湿及无氧区等有毒有害污染源。因此，矿井通风的基本任务包括[8,19]：连续不断的供给井下足够的新鲜空气；将井下有毒有害气体和粉尘冲淡到安全浓度以下，并排出矿井；稀释、排除井下的热量和水蒸气，为井下创造适宜的气候条件。

虽然，地下通风空调与地面通风空调在工程目标有相通之处，所依托的专业基础上也相同；但是，如何在《地下通风与空气调节》课程教学实践中，沟通地面与地下的通风空调知识，这个教改探索与实践仍是我校专业特色建设与落实中亟待厘清的问题，也是具体化地方高校创新人才培养实现方法的路径探究。

3 知识点迭代到专业课程认知构建

3.1 总体路线

在计算数学与数值方法领域，“迭代”定义为重复反馈过程的特定活动，其活动的目的是逼近所需目标或结果；进一步，每一次对过程的重复属于一次“迭代”，并且，每一次迭代得到的数值或者结果将作为下一次迭代的初始数值。第一次迭代必须赋以初始数值组或者边界条件。

知识点迭代到专业课程认知，具体可以表述为“利用诸如地上建筑通风空调方面先开课程及其理论（方法和实践）作为初始知识（或者认知或者实践中获得的认识和经验），实施类比、异同分解和归纳提升等手段而迭代知识点，逐步认识、熟悉和掌握地下通风与空气调节中的专门理论、方法和工程实践”，是本课程课堂教学改革与实践的实施路径、实操方法和指导思想。基于此，开展课程教学方案的优化研究，糅合地下通风空调与地面通风空调，提炼交叉知识点；开展课堂教学环节的优化研究，揭露教材中个别知识点的来龙去脉，加强师生互动，提升课堂教学实效；开展课程考核的优化研究，强化教学过程考核，加大地面与地下通风空调异同的考核力度。围绕《地下通风与空气调节》课程教学各环节，通过优化教学方案、优化课堂教学环节和优化课程考核，探究本课程“构建模式”课程教学方法，并指导本课程教学实践，沟通地面通风空调与地下通风空调知识点，提高专业人才培养质量，拓宽毕业生就业口径，凸显我校建环专业特色。

3.2 三条知识迭代措施与一个专业理论体系重构

（1）优化教学方案，沟通知识点。

梳理章节内容，从矿井空气开始到矿井空气调节概论结束，梳理现有教材中的知识点，找出适合于拓展建环专业本科生的主要知识点，如下图（a）：二者共同之处是流体机械及其运行工况点确定；进一步，基于授课者在矿井主通风机及其附属装置阻力特性表征、形体优化设计方法和节能优化科学路径方面的工程科学机理揭示积累，量化了静压、全压、速压和功率之间在矿井风网、主通风机和扩散器上的输配流体力学参数，使本科生初步理解主通风机高效节能运行的技术方法。更普遍来看，通过回溯基础课程，可具体从流体力学、传热学和工程热力学开始，到通风工程结束，梳理建环专业本科生已经积累的知识点。由受教者现有知识点拓展到《地下通风与空气调节》中的新知识点，以课程课堂教学所需要讲解的知识点为“纲”，以建环专业本科生已有知识点为“目”，构建现有知识点与新知识点之间的联系，达到“纲举目张”的教学实效；以该专业本科生已有知识点为“引子”，通过分析和讨论，建立两类知识点之间的联系，构建授课对象的地下通风与空气调节知识网络，即沟通知识点。

（2）优化课堂教学，点亮知识点。

讲授者科研示范，以充分揭露课程教学大纲所要求的知识点为目标，结合现有科研成果，尤其是讲授者在矿井通风及其装备方面的科研积累，适当拓展，形成小专题，充分展现该知识点的形成、演变和存在的问题，引导建环专业本科生建立批判的思维，能一分为二的看待教材中“约定俗成”的描述，激发其科学研究兴趣，即点亮知识点，如下图（b）：图中，存在“扩散器”对主通风机运行影响分析不透彻，所能节省的主通风机运行电耗分析不充分，结合受教育者的科研实践，改进并绘制出了下图（b）。此外，上述主通风机及其附属装置的工况分析方法，可以启迪地上建筑通风空调中屋顶大型排烟通风机的外设装置优化设计，实现了新知识逆向类比、求同存异和反向思维，促进知识的融合贯通，提高抓住主要问题、解决实际问题和凝炼工程科学问题的综合素养。

图 授课者教案优化范例Fig. An example of teaching plan optimized by the instructor

（3）强化考核环节，突出共通知识点。

强化平时考勤，通过“课间点到”等多种形式，把到课率和听课率抓到实处，紧抓请假真实性，适应专业讲授的低重复率和连贯性的课程特性。结课考核采取开卷笔试，试题内容既考虑课程教学大纲的要求，更要突出地面与地下通风空调共通知识点的考查。通过突出共通知识点，使受教者和应试者进一步加深对地面与地下通风空调共通知识点的理解。

（4）地面地下结合，方法重构提升。

通过优化教学方案、优化课堂教学实施细节和强化考核的“构建模式”课程教学方法，沟通地面通风空调与地下通风空调的知识点，点亮受教者的新知识点，突出共通知识点考查，旨在使受教者能沟通地面与地下知识体系，培养具有我校特色的建环专业人才，拓宽其就业口径。

4 结论与讨论

通过5学年度初步实施、逐步完善和总结归纳，基本实现建环专业本科生利用已学地面通风空调知识类比地下通风空调新知识点的教学实效预期目标，找准大学生课外科技竞赛作品申报的工程范畴，落实专业的特色方向建设，并形成如下结论：

（1）纵向梳理建环专业知识点体系，横向比较采矿工程与安全工程课程教学改革探索，形成了地下通风空调与地面通风空调知识类比与拓展的教改路线。

（2）围绕1个目标，从3个方面着手，系统形成、付诸实施和初具成效的《地下通风与空气调节》知识点迭代——专业课堂认知重构的课堂教学改革。