仿真教學在礦山機械課程體系中的應用研究

燕碧娟+王志霞+李自貴

[摘 要] 針對礦山機械設備工作場所的特殊性及現有教學存在的問題，基于建構主義學習理論，對在礦山機械課程體系中進行仿真教學進行了探討。通過仿真，對各種礦山設備及其工作場所等進行造型，結合聲音、動畫和圖片，可實現鉆、采、裝運等過程的逼真模擬，從而為學生提供一個接近實際的學習“情境”，加深學生對礦山機械設備的理解，達到預期的教學目標，同時可以實現學校教育與對口企業工作崗位零距離對接。

[關鍵詞] 礦山機械；仿真教學；建構理論；課程體系

[中圖分類號] G642.0 [文獻標志碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）04-0077-03

0 引言

作為重型機械行業傳統特色專業，太原科技大學礦山機械專業開設于1975年，1996年根據教育部本科專業調整目錄重新更名為現在的機械設計制造及自動化專業礦山機械方向。本科階段開設的專業基礎課幾乎涵蓋了礦山各個生產環節中需用到的設備，該課程體系主要包括《裝載與挖掘機械》、《提升機械》、《選礦機械》、《采掘機械》、《專題講座》等。通過相關課程的學習，力求讓學生掌握礦山生產一線主要生產設備（裝載機、挖掘機、提升機、破碎機、振動篩、牙輪鉆機等）的工作原理、主要結構設計計算、性能特點等知識點，從而為將來盡快融入工作打下堅實的基礎。因該專業課程設置特色鮮明，歷經歲月變遷在同行中依然享有較高盛譽，同時保證了學生畢業后的高就業率。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。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，因此學生對礦山機械設備尤其是其工作環境的認識大多停留在書本上，缺乏感性認識，這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[1，2]。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。采用計算機建模、交互設計等手段，對礦山機械課程體系中涉及到的各種礦山設備及其工作場所等進行造型設計，結合聲音、動畫和圖片，可實現礦物鉆、采、裝運、破碎等過程的逼真模擬，從而加深學生對礦山機械設備的理解，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，通過仿真，在教學中能更好的融入相關知識，保證了學校教育與對口企業工作崗位“無縫對接”。

1 建構主義學習理論

心理學家皮亞杰提出的建構主義理論為仿真教學的實現奠定了良好的理論基礎[3，4]。仿真教學中充分應用和體現了該理論的“情境”、“協作”、“會話”和“意義建構”四大要素。

“情境”：不同于常規課堂教學，仿真教學其典型的優點在于為學生提供了一個接近實際的學習情境，從而幫助學生更好地認識其面臨的學習任務，并將新的內容消化吸收到已有知識結構中[5]。比如，在地下鏟運機工作機構教學時，通過對其各個桿件的三維建模，再進行裝配，可以很好的實現地下鏟運機實際工作時各個動作的模擬，另外學生也可以進行整個機構的拆裝，從而加深對課堂講授內容的理解。

“協作”：仿真軟件在教學過程中進行實際操作運用時，“協作”會體現在各個過程中。比如，在傳授學習內容、分派學習材料時，就需要代課教師和學生一致協作；在分組實驗時，就需要同學之間互相協作；在對每位同學搜集到的資料進行整理評價、匯總時，協作同樣體現在其中。以上各種協作有助于提高學生的團隊意識以及解決問題的能力。

“會話”：在進行仿真教學時，“會話”有助于加快學生重建其認知結構，其包括代課教師與學生、學生與學生、學生和網絡之間的會話等。

“意義建構”：進行虛擬仿真時，學生在上述各環節基礎上，已循序漸進地理解了“情境”中的任務，因此，最終實現了“意義建構”目標，并進一步更新知識結構、提升個人解決實際問題的能力。

因此，基于建構主義學習理論，結合礦山機械課程體系中各門課程的特點，在傳統教學中靈活運用計算機仿真輔助教學，是實現預期教學目標的一個行之有效的方法。

2 傳統課堂教學模式存在的主要問題

《裝載與挖掘機械》、《提升機械》、《選礦機械》、《采掘機械》、《專題講座》等課程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，遇到某些復雜結構組成問題，即使有相當教學經驗的教師，也很難講清楚；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。

礦山機械專業所開設課程都具有很強的實踐性，考慮到礦山環境的特殊性，從當下的教學情況來看，學生實踐經驗明顯不足。當僅僅利用上述媒體（包括教材和掛圖等）進行教學時，由于未能給學生提供一種更加接近實際現場的“情境”，學生對其學習任務含糊不清，不知道自己將來畢業以后究竟去干什么，換句話說，不理解課堂上講的內容在實際工作中的作用，時間久了，也就失去了對本專業學習的興趣。集中表現是上課曠課情況時有發生，到課的也有個別同學玩手機、看閑書等。因此，如何改革傳統課堂模式就顯得非常迫切。

3 礦山機械課程體系仿真教學探究

3.1 仿真教學的特點

引入計算機“仿真”教學，其主要優點可整理歸納如下：（1）學生的沉浸感，如同電腦游戲一樣，學生可以整個身心投入到虛擬的機器設備作業環境中；（2）感知性，借用人體的眼睛、耳朵等知覺通道，師生能夠直接獲取虛擬設備的相關知識；（3）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；（4）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，要為學生盡可能地提供多種學習渠道，實現優勢互補，提高教學效果。

3.2 仿真教學在礦山機械課程體系的應用

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的一些相關技術的最新知識，礦山機械教研室的教師利用節假日深入到各地礦山、井下、礦山機械廠、洗煤廠等進行實地考察學習，拍攝了大量的礦山設備的真實外部面貌，并錄制了逼真的相關機器的作業視頻畫面，把搜集到的大量資料整理后插入到多媒體課件中，從而一定程度上豐富了課程內容。同時，為各門課程高質量的講授工作提供了有力保障。

另一方面，針對掘進機、纏繞式提升機等大型礦山設備，充分利用周圍的研究生資源和仿真技術，將設備的工作原理、結構組成及故障診斷等知識動態的虛擬到電腦中，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，顯著提高了課程的教學效果。

1）現代化礦井仿真模擬系統。通過幾年的教學探索，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，實現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。具體為：（1）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，并介紹相對應的巷道布置情況；（2）在高仿真的井下環境中，以人機交互的形式進行掘進機的割煤、轉載工作實驗教學，鑿巖鉆車前、后行走和工作過程的虛擬仿真，包括鉆孔過程、鉆具受力、鉆機整機穩定性等的虛擬仿真，為學生提供一種逼真的工作“情景”；（3）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；（4）為學生提供礦井提升機提升過程虛擬仿真過程，其功能主要包括物料自動裝載過程、自動卸載過程，提升過程的操作控制，假設“故障”下的自動報警等。

2）露天礦布置模型。露天礦山開采主要包括鉆孔、爆破、鏟裝、運輸等工藝環節。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，最典型的代表就是太重生產的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礦山設備零件庫，從而滿足了學生對設備進行裝配的教學要求。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，基本上可以滿足太原科技大學礦山機械專業各門課程、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）的教學提供一定的幫助。

4）實施效果。通過在礦山機械課程體系中滲透仿真教學，改善了以往課程內容枯燥乏味的局面，經過不斷的摸索、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、積極性也調動了起來，改變了教師“滿堂言”的狀況，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，發現學生能夠很快適應新的工作環境，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。

4 結束語

本文基于建構主義學習理論，針對礦山機械課程體系的特點，提出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，讓學生能夠感受到礦山企業“真實”的工作環境；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實施效果明顯。

參考文獻

[1]李鵬.仿真教學在高等職業教育中應用研究[D].濟南：山東師范大學，2008.

[2]余聯慶，梅順齊，杜利珍，饒成.ADAMS軟件在機械系統仿真課程教學中應用[J].武漢科技學院學報，2008，21（3）：5-8.

[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，（8）：72-73.

[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，2006，25（1）：5-7.

[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，2012，20（1）：87-90.