裝載與挖掘機械課堂模式改革嘗試

燕碧娟　王志霞　李自貴

[摘 要]裝載與挖掘機械是我校礦山機械專業的一門專業基礎課。通過該課程的教學，力求讓學生掌握裝載機、挖掘機等重要設備的工作原理、主要結構設計計算、性能特點等知識點，從而為將來盡快地融入工作打下堅實的基礎。針對裝載與挖掘機械現有課堂模式存在的問題，對在傳統教學中輔以仿真教學進行改革嘗試。實施效果表明，教師從該過程中收獲頗豐，學生的學習主動性、積極性也被調動了起來，達到了預期的教學目標。

[關鍵詞]裝載與挖掘機械 仿真 教學改革 教學目標

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2014）14-0091-02

裝載與挖掘機械是我校礦山機械專業的一門專業基礎課。通過該課程的教學，力求讓學生掌握裝載機、挖掘機等重要設備的工作原理、主要結構設計計算、性能特點等知識點，從而為將來盡快地融入工作打下堅實的基礎。該專業課程設置特色鮮明，因而即使歷經了歲月的變遷，也依然在同行中享有較高的盛譽，同時保證畢業生的就業率居高不下。另外，社會生產的不斷變革，為專業的發展創造了新的機遇，同時也提出了新的挑戰。我們只有根據生產實踐的具體要求，確定自身的發展目標和教學特色，才能提升專業的整體水平和競爭力。然而，基于安全方面的考慮，本專業學生到大型露天或地下礦進行認識生產實習（包括各種現場教學）的機會有限，因此學生對裝載與挖掘設備工作環境的認識大多數停留在書本上，缺乏感性認識，制約了學生在本專業方向上的創新性發展，從而導致學生的課程設計基本處于閉門造車的狀況。

所謂仿真教學，是借助半實物裝置或計算機技術進行零部件的設計、拆裝、實際動作模擬等過程的教學方式。隨著計算機技術在各行業的應用，計算機仿真在教學中的作用日漸突出。故采用計算機建模、交互設計等手段，對裝載與挖掘設備及其工作場所等進行造型設計， 結合聲音、動畫和圖片，可實現礦物裝運的逼真模擬，從而加深學生對設備的理解，同時彌補了教學設備及現場教學缺乏的不足，并為相關課程的進一步改革提供一定的幫助。更重要的是，通過計算機仿真，教師在教學中能更好地融入相關知識，保證了學校教育與對口企業工作崗位“無縫對接”。

一、現有課堂模式存在的主要問題

裝載與挖掘機械課多年來一直沿用傳統的課堂模式。對于一些典型設備的構造，教師經常結合教材采用掛圖的方式進行講解，這樣，遇到有些復雜結構組成問題，即使有著相當豐富的教學經驗的教師，也很難用口頭語言表達清楚；另外，對于一些零部件的設計，如何讓學生根據已有的知識結構分析零部件的受力特點、危險截面位置以及應力分布情況是一個教學難點，采用常規的教學方法，內容枯燥，很難收到良好的教學效果。

另外，該門課程具有很強的實踐性，考慮到礦山環境的特殊性，從當前的教學情況來看，學生實踐經驗明顯不足。如果教師僅僅利用上述媒體（包括教材和掛圖等）進行教學，那么就不能給學生提供一種更加接近實際現場的“情境”。學生對該課程的學習任務含糊不清，不知道自己將來畢業以后究竟去干什么，也就是不理解教師課堂上講的內容在實際工作中究竟有什么作用，時間久了，也就失去了對本專業學習的興趣。集中表現為上課曠課情況時有發生，即使是來上課的學生，也多數玩手機、看閑書等。因此，如何改革傳統課堂模式就顯得非常迫切。

二、仿真教學探究

（一）仿真教學特點

引入計算機仿真教學，其主要優點可歸納如下：一為學生的沉浸感，如同電腦游戲一樣，學生可以全身心投入虛擬的機器設備作業環境中；二為感知性，借用人體的眼睛、耳朵等感知覺通道，師生能夠直接獲取虛擬設備的相關知識；三為交互性，借用人機界面，信息可以在虛擬設備和學生間流動，提高學生解決實際問題的能力；四為安全性，礦山機械課程體系中的各門課程，均安排了一定量的現場實踐教學，如采用仿真軟件進行演示教學，將會解決一些后顧之憂。

然而，需要指出的是，仿真教學對于學生的知識建構起到了很大的幫助作用，但其絕對不可以替代一切實踐環節。因此，我們要盡可能地為學生提供多種學習渠道，實現優勢互補，提高教學效果。

（二）裝載與挖掘設備仿真改革研究

一方面，為了讓學生更好地了解所學專業設備的工作環境、工作性能及在教學中引入一些相關技術的最新知識，礦山機械教研室的教師可利用節假日深入各地礦山、井下、礦山機械廠、洗煤廠等進行實地考察學習，拍攝大量的礦山設備的真實外部面貌，并錄制了相關機器作業的視頻，把搜集到的大量資料整理到多媒體課件中，從而在一定程度上豐富了課程內容。

另一方面，針對裝巖機、機械式挖掘機等大型裝載與挖掘設備，充分利用周圍的研究資源和仿真技術，將設備的工作原理、結構組成及故障診斷等知識動態虛擬到電腦中，讓學生置身于計算機還原出的虛擬設備中，不需要去真實的礦山，就完全可以體驗到地下或露天的作業環境，并可以解剖開整個設備，了解、掌握其內部結構及各個組成零部件的結構特點，彌補了上述拍攝相片或視頻中只有機器外部輪廓的不足，從而讓一些抽象知識直觀化。這樣，借用各種手段，教學形式更為生動了，課程的教學效果也顯著提高了。

1.地下鏟運機模型

通過幾年的教學探索，我們引入了現代化礦井仿真模擬系統，其主要涵蓋了井下巷道布置系統、生產系統和地面工業廣場布置系統。該仿真系統融合了計算機、PLC可編程控制、多媒體等先進技術，達到了理論與實際相結合，動作、文字、聲音相結合的完美效果。利用該系統，可以向學生動態展示礦井火災、透水以及采煤工藝過程等。通過仿真，向學生演示各種采煤法，如急傾斜柔性掩護支架法、走向長壁法、傾斜長壁法等，以及相對應的巷道布置情況；在高仿真的井下環境中，可以讓學生在多維度的仿真環境中，體驗地下鏟運機的工作過程，包括鏟運機轉載、運輸與卸載過程，并仿真研究其平移特性和卸料特性。

2.露天用裝載、挖掘設備模型

露天礦山開采主要包括鉆孔、爆破、鏟裝、運輸等幾個工藝環節。經過高維度計算機仿真模型系統，能夠向學生立體展示出露天礦開采工作面的布置情況，以及動態演示上述的鉆孔等幾個工藝過程，從而讓學生體驗露天采礦的全過程，與將來從事的工作零距離對接。和井下礦相比，露天礦山用的設備類型較少，但其生產能力都較大，最具代表性的就是太重生產的WK-55機械式礦用挖掘機。通過仿真平臺，建立了WK-55的多自由度數字模型，從而實現了其各種動作，包括挖掘、回轉、行走等的逼真模擬。

3.零部件圖形庫

經過幾年教學的積累，利用Pro/ENGINEER 三維造型軟件建立了裝載、挖掘設備零件庫，這樣滿足了學生對設備進行裝配的教學要求。學生可以在計算機模擬仿真環境下進行各個零件的組裝，同時，可對裝配完成的零件進行干涉分析、運動分析。

上述各仿真模型的應用，基本上可以滿足與該門課程有關的認識實習、生產實習的教學要求，當然也可以為其他相近專業（比如工程機械專業）的教學提供一定的幫助。

4.實施效果

通過在礦山機械課程群中滲透仿真教學，改善了以往課程內容枯燥乏味的局面，經過不斷摸索、學習、實踐，一方面，教師從該過程中收獲很多；另一方面，學生的學習主動性、積極性也被調動了起來，改變了教師“滿堂言”的狀況。教師通過采用各種情景式、啟發式教學方法，引導學生參與課程的討論，把新的知識整合到已有的知識結構中，最終達到了意義建構的目的。另外，通過對礦山機械專業的畢業生及其工作單位進行走訪調查，我們發現學生能夠很快地適應新的工作環境，解決問題的能力強，得到用人單位的一致好評，實現了學校教育與工礦企業的零距離對接。

三、結論

本文針對裝載與挖掘的特點，提出了在傳統教學中滲透、穿插仿真教學的觀點。通過在教學中向學生展示各種現代化礦井、露天礦模型，可以讓學生仿佛置身于礦山企業“真實”的工作環境之中；通過礦山設備組成零部件圖形庫的建立，可以讓學生在一種模擬的環境中對設備進行裝配。上述各仿真模型的應用，都有著明顯的效果。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 李鵬.仿真教學在高等職業教育中應用研究[D].山東師范大學碩士學位論文，2008.

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[3] 王盛建.建構主義教育思想在《機械基礎》教學中的應用[J].中國科教創新導刊，2008.

[4] 胡愛武，傅志紅.建構主義理論在機械類實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2006.

[5] 趙靜云，任娟.三維建模與仿真技術在機械類課程教學改革中的應用實踐[J].河南機電高等專科學校學報，2012.

[責任編輯：覃侶冰]