“矿山机械”课程教学改革与实践研究

任春平　徐鹏　刘春生　赵存有　王本永　孔繁朝

摘要：本文针对“矿山机械”课程在教学过程中发现的问题，提出了时空耦合的教学过程与方法的新模式，即跨越时空的线上、线下相结合的形式，将课前导学、课中研学和课后练学整合为有机的统一体，为打造高效课堂奠定基础。

关键词：矿山机械；教学改革；时空耦合；教学过程与方法

“矿山机械”课程是一门专业必修课，该门课程面向对象为机械专业的本科三年级学生，包括机械设计制造及其自动化和机械工艺技术。课程教学内容主要围绕采煤机结构及结构参数、液压支架结构与参数、刮板输送机等知识点为主线，突出理论知识联系工程实践，使内容在深度和广度上适用不同专业人才培养的需要，力求课程教学内容具备学科前沿性和时代性［1-3］。与工程案例密切相连的同时，可满足社会对于应用型培养人才的需求［4-7］。“矿山机械”课程在以往教学过程中发现存在课时较少、学习任务较重及教学模式单一的问题，因此，探求解决该痛点问题的有效方法对于学生培养质量至关重要。

基于上述的不足问题，“矿山机械”课程教学改革与实践创新迫在眉睫，坚持秉承以学生为中心、产出为导向、持续改进的OBE教学理念，构建了“时空耦合的教学过程与方法”的新模式，采用“翻转课堂”“给—与耦合的教学方法”，综合运用“中国大学生慕课、智慧树平台、QQ群、学习通等”现代信息技术及优质教学网络资源，力求“矿山机械”课程达到两性一度的课程目标。

一、“矿山机械”课程教学改革的思路

本门课程教学设计理念来源于所在高等院校“以学生为主体”的教学理念。根据学校的总体定位，为着力有效发挥“矿山机械”课程的服务专业的基础功能与作用，在机械工程学院及机械设计教研室的领导下，对“矿山机械”课程进行了“线上自学+线下导学+线上拓展”的混合式教学模式，结合问题情境教学改革与实践，本节课内容可见一斑。本门课程教学环节中以“采煤机结构及其参数”为案例，介绍目前矿井下主要采煤机的机型，线上拓展阅读“采掘机械的应用”设计，体现了学校倡导的“理论知识与实践能力、基础知识与专业知识、人文教育与工程教育、课内与课外、校内与校外”五个相结合，力争从一点一滴为学校“着力培养思想道德素质高、工程实践能力强的‘一高一强的应用型高级专门人才”目标而贡献力量。该教学设计也符合《全面提高高等教育质量的若干意见》中落实“文化知识学习和思想品德修养、创新思维和社会实践、全面发展和个性发展紧密结合”的人才培养要求。“矿山机械”课程总体的教学改革思路为构建了“时空耦合的教学过程与方法”的新模式，具体的思路如下表所示。

（一）课前导学

教师通过QQ群发布本次课的学习任务，具体包括两种课前预习学习形式，第一种预习方式为学生利用中国大学生慕课、智慧树平台等进行任务在线学习。第二种学习方式为通过知网或者在PUBMED上检索相关的文献进行阅读学习，学生通过腾讯会议讨论问题，提出至少3个科学问题进入接下来的课中研学，通过课前预习减少了课中学习的时间，节约了大量的宝贵时间，为高效传授课程内容知识点奠定了基础，该阶段采用了翻转课堂，可有效解决学生课上学习任务较重的问题。

（二）课中研学

学生走上讲台进行小组汇报，让学生成为“主角”，通过学生的汇报，其他组别对汇报学生的预习情况提问和点评，教师做最后的总结，该阶段的时间分配为6分钟左右。由于“矿山机械”课程涉及结构图较多，学生对于结构理解不是很透彻，部分学生尤其对于采掘机械知识感到困惑。为了解决这一问题，本门课在教学设计过程中，提出了一种IRE的启发式教学模式，以此引起学生对采掘机械知识的学习兴趣，同时也可以培养学生的科研思维和潜质，锻炼了学生们利用基础理论相关的知识分析案例问题的思维逻辑能力，该过程可解决教学模式单一的问题。

（三）课后练学

由于课中研学阶段时间有限，为了更好地让学生牢固掌握讲课中的知识点，将教学过程与方法扩展到课后练学，针对学生在课中没听懂的问题或疑难问题，通过QQ群或微信群等方式进行在线解答，以此达到答疑解惑的作用。利用网络平台进行章节扩展阅读和章节自测，对本节课进行延伸，布置课外的扩展阅读学习任务，以此提高学生对课程的深度理解，该过程融入了扩展教学模式，以便节约更多时间，解决课时较少的问题。

二、“矿山机械”课程教学改革与实践的途径

课中研学阶段即线下的课堂教学，主要依据学情分析和学生学习兴趣等，结合教师做科学研究的情况，构建了“以学生学习兴趣为中心、与教师科研相结合、挖掘学生科研潜质为目的”的启发式教学模式（Interest，research，exploration简称IRE），同时融入“给—与耦合教学方法”，即学生之间互相讲解、提问、讨论，教师与学生互评等，同时设置了找茬等游戏环节，提高学生参与课堂的积极性。该教学过程与方法主要包括问题引入、知识融入、科研结合、小组讨论和归纳总结，同时课程思政元素内嵌于整个教学环节，具体如下所示。

（一）问题导入方法与手段

教师首先将问题引入，然后学生之间分组讨论，可以是组内讨论，也可以是组与组之间进行探究，将所提出的问题进行深入剖析，最后进行全面的总结归纳。通常设置开放式问题，比如提出生活中的例子和问题，引起学生对问题的兴趣和好奇，让学生可以主动去思考问题。通过讲解“煤炭的来源”背景研究，让学生理解科学家如何思辨地將宏观与微观联系起来，探索微观世界的美妙之处。

（二）知识融入方法与手段

根据本节课内容，通过工程案例的分析与讲解，让学生切身感受到采掘机械应用的美妙之处，比如在大倾角煤层条件下，使用何种型号采煤机，此时采煤机滚筒直径如何确定，叶片选择头数、筒毂直径如何确定等，通过实际工程案例分析，锻炼学生利用“矿山机械”课程中相关内容解决和分析实际问题的思维和能力，以此达到教学目标中的“能力目标”，即培养学生利用矿山机械知识解决复杂实际煤矿机械问题的能力。

（三）科研结合方法与手段

在教学过程中探寻到教学与科研的联系点，将这些好的科研例子分享给学生，以此提高学生分析案例的高阶思维能力，进而提高学生做科学研究的潜质。矿山机械中，随着煤矿开采深度的不断加深，煤岩的硬度增强，抗压强度为80MPa、磨蚀性指数为1.0的硬岩亟须先进的截割刀具。机械破碎截割硬岩在工程领域有广泛的应用，但用于破岩的刀具磨损与失效形式会严重影响破岩效率，深层探究破岩刀具的抗耐磨性能对于破岩生产率提高起到重要的作用，因此，确定刀具上的温度分布及其规律尤为关键。刀具红外测温原理与装置通过碟盘刀具红外热像图，可清晰判断刀具磨损状态，这样将教学内容与科研进行了紧密结合，提高了学生解决工程案例的思维逻辑能力。

（四）小组探究方法与手段

在小组讨论中，教师一定要让学生的表达能力与想象力得到充分发挥，激发学生的创新思考能力，采用“给—与耦合的教学方法”，培养学生成为课堂中的“主角”，让教师转变为课堂中的“导演”，可设置抢答拔高、找茬等游戏环节，提高学生参与课堂积极性。利用智慧教室创设全景教学环境，老师导入问题，学生之间进行分组讨论。在该环节，将学生可分成不同的讨论小组，让各小组成员努力去“脑洞大开”，每个小组内部可以相互研讨，外部又可以形成良性竞争。最后，各个小组完成一份总结报告，报告内容包括研究背景、案例的采用不同方法的原理以及讨论结果的预期效果等，或是让学生课堂上台讲解。

这里以其中完成度较高的一个小组成果为例，该小组预想未来可研发一种复合集热器设计装置。该结构顶面设置玻璃盖板，供应白天的热能；结构底面设置冷板，供应晚上制冷。中间结构部分通常设置为保温的材料，设置的装置既有创新性，又有设计依据。通过这种发散式思维的不断启发，培养学生的探索问题、发现问题的能力。对于有非常好的想法的学生，教师应该鼓励其进行更进一步的论证，积极鼓励学生去参加各种有益于开发创新思维的创新创业大赛、TRIZ大赛、积极申报国家专利等，培养学生做科学研究的潜质，锻炼学生的表达能力，以此达到教学目标中关于素质目标中阐述的指标点。

正如前面所说的，课程思政元素一直内嵌贯穿于整个教学环节，润物无声地滋润学生，培养学生的爱国主义，坚定学生的报国信念。同时教师归纳总结本节课的基本内容，强调本节课的重、难点等内容，升华课程思政主题，从而培养学生树立求实的科学态度和严谨科学思维。以往的教学模式以教师为主，“填鸭式”教学会导致大部分的学生对于上课没有兴趣，对于知识的吸收理解处于表层，存在“等、靠、要”的被动思想，多数学生仅能形成“记忆、掌握”的低层学习能力，缺乏独立思考和表达能力。为了避免这一问题，在教学过程中要换位思考，角色互换，让学生根据慕课和文献预习内容，登上讲台。针对讲授的相关知识点，给学生设定的研讨主题“智能化采煤机”，分别找2～3名主讲学生上台给大家讲解、研讨和分享这个主题。比如“智能采掘机械设备结构创新”，这是一个开放式研讨主题，教材和讲义上都没有具体的答案，主要考查学生自主学习能力和上网搜索资料的能力。主讲学生可以任选某一种，甚至两种介绍。主讲学生讲完后，开启质疑环节，询问台下学生是否有想研讨的地方。同时教师会准备几个备用问题，例如“采煤机结构创新与所做的科研有何联系？”“你从发展历程中，学习到了哪些？”等问题，如果学生间已经讨论得很激烈了，则教师不追加问题；否则教师要将问题抛出，激发台上、台下学生的研讨，并根据学生最后的研讨结果给予点评。通过学生的自我讲述和研讨，更深地植入学生的内心，激发学生探索宇宙中的未知、追求永恒的真理，激发学生的爱国主义情怀和探索科学的使命感。

三、“矿山机械”课程教学改革与实践的成效

“矿山机械”课程经过4轮的教学实践，机械专业2015级至2018级的学生在机械知识、专业技能、就业单位的认可度等方面均有稳步提升，在国家级、省级比赛中均有奖项斩获。在山东举办的“全国高校机械类专业建设高端论坛”上，团队成员做了“矿山机械”课程创新理念的专题报告。此外，团队编写的特色教材《矿山机械》，正在被部分兄弟高校矿业类专业的学生所使用。学生作为志愿者参加哈尔滨国际经济贸易洽谈会、国际产学研用合作会议等大型会议，为大会提供专业领域的服务。学生正在用所学到的机械知识服务龙江地区经济发展，助力龙江发展建设。以上就是“矿山机械”课程对应国家、行业、专业需求，在符合校情、学情基础上所进行的课程改革和探索，以及目标达成的具体路径。

近五年问卷调查，对于“矿山机械”课程开展教学过程与方法进行的创新与改革研究，绝大多数同学完成了在线的学习任务，积极参与线下学习，课程通过率和优秀率逐年升高，学习兴趣明显提高，学生们自主学习“矿山机械”课程的能力得到了显著的提高，学生对课堂的互动性与启发性、矿山机械知识的获得性、矿山机械中实际工程案例的独特性给出了非常满意的评价，获得了学生的一致认可。近几年，通过教学实践环节，学生学以致用的能力得到提升，学生先后多次参加国家、黑龙江省举办的TRIZ创新方法大赛，硕果累累，获得多项国家级和省市奖，成绩取得的背后彰显了课程创新的教书育人，培养学生创新综合素养的教学目标。近五年，通过“矿山机械”课程的学习，多数学生做科学研究的思维能力得到了大幅度的提高，获批多项校级大学生科研立项，申请或授权多项实用新型专利。该门课程顺应国家、行业和专业需求，在符合校情和学情的基础上对课程进行了改革与创新探索，未来继续秉承工匠精神，将课程改课落到实处，该门课程的教学创新设计模式会对其他课程创新提供参考，具有一定的推广价值。

结语

本文提出了基于时空耦合的教学过程与方法的新模式，有效解决了“矿山机械”课程在传统教学过程中存在的课时较少、学习任务重及教学模式单一的痛点问题。采用多种教学活动形式，真正做到以学生为主体，教学为主导的教学思想，同时将课程思政元素内嵌于整个教学环节，培养学生严谨的科学态度、使命担当与爱国主义情怀。

参考文献：

［1］曹鹏，朱烨，李千顺.矿山机械智能化的应用及发展趋势［J］.世界有色金属，2019（22）：18+20.

［2］郭振华.基于机电一体化系统在矿山机械工程中的应用分析［J］.世界有色金属，2019（17）：293+295.

［3］李军霞，焦少妮，陈维望.基于综合素质和人才需求的研究生培养模式研究——以矿山机械专业为例［J］.科教导刊，2021（01）：55-57.

［4］徐霞.基于虚拟现实技术分析矿山机械教学模式的改革途径［J］.课程教育研究，2018（06）：30.

［5］邓代强，肖利平，张开智，等.《矿山机械与设备》教学模式探讨［J］.教育现代化，2019，6（19）：104-106.

［6］徐鵬，赵存有，刘训涛，等.新工科建设背景下矿山机械系列课程教学改革研究与实践［J］.教育现代化，2020，7（17）：78.

［7］王大刚，程志红，李艾民，等.基于OBE理念的煤矿类高校机械工程专业教学改革研究［J］.教育现代化，2019，6（78）：39-40.

基金项目：黑龙江省教育科学“十四五”规划2022年度重点课题“课程思政与智能信息技术融合的《矿山机械》课程教学体系重构与推演研究”（GJB1422121）

作者简介：任春平（1987—），男，汉族，黑龙江肇东人，博士，讲师，硕士生导师，研究方向：机械设计及理论。