“礦井通風與安全”課程混合式教學模式構建與實踐

曹建立 姜元勇

[摘 要] 針對采礦工程專業必修主干課程“礦井通風與安全”存在的教學模式單一、學生學習積極性差、教學與實踐脫節等問題，通過改革教學模式、方法和手段，充分利用網絡課程資源和先進教學工具，開展線上線下混合式教學設計與實踐。豐富教學內容，構建“課堂演示、現場測試、課程設計、虛擬仿真”多位一體的課程教學體系。培養教師“教研融合、以教為本”的教學理念，切實提高人才培養質量，為類似工程學科的教學實踐提供借鑒。

[關鍵詞] 礦井通風；混合式教學；課程改革；教學模型；虛擬仿真

[基金項目] 2020年度東北大學教師發展專項“‘礦井通風與安全’課程混合式教學模式的構建與實踐”

[作者簡介] 曹建立（1980—），男，河南民權人，博士，東北大學資源與土木工程學院講師，主要從事崩落法放礦、采空區探測及處理研究；姜元勇（1978—），男，山東即墨人，博士，東北大學資源與土木工程學院副教授，主要從事礦井通風與安全研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）02-0089-05 [收稿日期] 2021-04-20

引言

當前在國家創新驅動發展、“互聯網+”等一系列重大發展戰略的實施背景下，在新工科發展的推動下對工科人才培養提出了全新的要求[1，2]。“礦井通風與安全”是采礦工程專業的主干專業課程，是面向工程實際的一門實踐性工程科學。該課程以往的講授形式主要為課堂講解和實驗室操作，是以教師為主導，以教材大綱知識體系講解和傳授方式進行教學。這種教學模式的不足逐漸凸顯，如學生缺乏興趣，學習積極性不高、學習效果不顯著，動手能力差，解決復雜工程問題能力欠缺等。同時，目前的教學模式難以將教師的工程實踐經驗與實際教學過程有機融合，導致學生對于礦山實際問題難以有效把握，不利于培養具有實踐應用能力強、創新能力高、具備國際競爭力的高素質復合型人才[3]。同時，隨著OBE教育理論、PBL教學方法的提出以及互聯網技術的發展，為課程教學模式、方法改革提供了契機[4，5]。因此，本課程在充分考慮自身特征的基礎上，以新的教育理念為指導，充分利用互聯網技術、虛擬仿真技術等，旨在構建“課堂演示、現場測試、課程設計、虛擬仿真”多位一體的課程教學體系。

一、目前課程教學存在的問題

“礦井通風與安全”課程以往的教學模式的不足主要表現在以下方面：（1）學生缺乏學習興趣。教師講授的絕大部分知識是按照教材知識體系按部就班講解和傳授，大部分知識點學生可以提前預習或者自己主動學習掌握，課堂教學時，難以引起學生學習興趣，沒有挑戰性，無法調動學生主動思考，因此學生學習積極性不高、學習效果不顯著。（2）知識點較多，課時有限，學生獲取知識的能力沒有得到培養。該課程知識點涉及流體力學，燃燒學，化學反應動力學等多個知識體系，在有限課時（48學時）內難以將每個知識點講解透徹。同時，在工程教育認證的十二條畢業要求中明確提出，要培養學生自主學習和終身學習的意識，培養學生不斷學習和適應發展的能力。在以往的課堂教學模式中，學生只是被動地接受知識，缺少有挑戰性問題的思考和討論，難以激發學生的主未能學生沒有機會帶著問題主動去查閱資料，獲取知識的能力得不到培養。（3）學生解決復雜工程問題的能力較差。該課程是面向工程實際的實踐科學，課程的最終目標是培養學生解決礦山通風實際問題。目前的教學模式使得學生僅掌握了通風的基本概念、基本理論和設計思路，學生實習中一般也僅能夠聽取礦山工作人員對于礦井通風系統的介紹和通風設備的初步了解，缺少對于整個礦井通風網絡的整體把握，更難以涉及實踐操作。學生對于礦山通風系統的認識基本上停留在理論和虛擬階段，缺少操作經驗，對于實際礦山的復雜通風網路關鍵問題沒有切身的體驗，難以形成解決復雜工程實際問題的能力。（4）教學手段單一。僅以理論教學為主，物理實驗只能完成簡單的風速、壓力、風阻等參數測定，僅是對理論的驗證和實驗手段、方法的基本介紹，缺少具有創新性的實驗項目和條件，缺少完善的礦井通風實驗系統條件和專業通風模擬軟件，缺少井下通風實測環節的教學訓練。

二、混合式教學模式構建

針對目前課程教學過程中存在的上述問題，結合課程特點和已有條件，以培養創新型高級復合人才為目標，重點從以下幾方面構建課程教學模式。

1.充分調動學生自主學習積極性，制作演示模型，購置演示設備，增加課堂實驗演示。中學的物理、化學課程有許多實驗課和課堂演示實驗，這些演示實驗總能夠吸引學生的興趣和注意力。即使進入了大學，學生的理解能力和想象能力都有了較大提高，但同時所學知識的難度也相應提高，實驗演示教學方法仍然是一個十分有效的方法[6]。在課程教學設計中，凝練課程知識盡可能將復雜的公式、原理轉化為演示實驗，以增加學生的學習興趣，提高學習效果。為此，本課程在學校教學項目經費支持下購置了多套通風測試儀器、儀表，包括：風速計、微型風機、皮托管、氣壓計、微壓計等（圖1）。

同時，使用亞克力等材料制作通風管路、通風構筑物、以及創新性實驗模型，配合測試儀器儀表完成課堂演示實驗。如風流基本參數測定、氣壓測定、能量方程式的驗證、風機性能曲線測定、風流基本定律驗證等，一方面極大地提高了學生的學習興趣，同時加深了學生對基本概念、基本原理的理解和掌握，還能夠激發學生研究興趣，提高創新能力。

2.充分利用網絡教學資源和信息平臺，探索PBL教學法，提高學生學習自主性，創新教學模式。2020年新冠肺炎疫情肆虐。為全面落實教育部關于學校“停課不停學”的政策方針，本課程積極開展線上教學，線上實時授課平臺以騰訊會議、釘釘、ZOOM為主，輔以東北大學BB平臺、QQ群、微信群（圖2）。教師授課前精心準備PPT，提前與學生通過微信群建立聯系，將PPT、慕課資源等推送給學生進行預習。授課過程中，嘗試以PBL目標教學法。課前布置問題，學生課前組內分工，查找資料，制定方案，組內討論后形成結果（模型、匯報PPT、實驗方案等），課堂分組匯報，共同點評方案優缺點，課后分組完成總結，包括問題解決方案總結，學習資源獲取方法、分工協作經驗總結等。在實踐過程中不斷總結PBL方法的實施要素，實施原則，總結存在問題和易犯錯誤，對PBL方法進行評估與改進，以便將該方法更好的用于教學實踐。課后通過微信群、QQ群等交流平臺與學生及時溝通，解決學習過程中遇到的問題。通過以上措施，順利完成了課程的線上教學任務，取得了良好的教學效果。

3.強化實踐教學，增加案例教學，錄制現場通風測試視頻。“礦井通風與安全”課程是實踐性很強的一門工程科學。在教學實踐中，通過以下方面加強課程實踐教學：首先，將本課程所涉及的基本概念和知識點融入認識實習、生產實習中。在實習過程中請礦山技術人員開展礦井通風專題講座，介紹礦山通風系統、通風設備和通風過程中遇到的主要問題，使學生對礦井通風的基本概念和原理有個初步認識；帶領學生參觀地表和井下的通風設備、通風構筑物等設施，使學生具有直觀印象。其次，課堂教學中，采用翻轉課堂教學方法實施案例教學，將礦山實際案例作為課程設計的題目分配給各組學生，組內同學分工合作，共同努力完成設計任務。如此教學實踐不僅能提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，還能培養學生溝通、協作和表達能力。另外，錄制現場通風測試視頻用于課堂教學，使學生更多地了解工程實踐，提高學生解決工程實踐問題的能力。本課程以燈塔礦業小汪溝鐵礦為通風實踐基地，詳細研究了礦山通風系統，錄制了大量視頻和圖片（圖3），為學生深入理解礦山實際通風問題提供了豐富的材料。

4.增加虛擬仿真教學，以工程實際案例為背景，培養學生解決復雜工程問題的能力。礦井通風虛擬仿真教學，一方面是指利用計算機可視化技術為學生提供生動、逼真的感性學習材料，幫助學生解決學習中的知識難點。比如，制作一些教學動畫，模擬通風原理和設備工作原理，以便于學生更容易理解。另一方面，通過環境建模，構建井下通風的虛擬場景，通過參觀者視角來實現對生產環境的漫游，這樣可以有助于學生對井下生產環境更為了解。更重要的，礦山實際通風系統往往十分復雜，且隨著生產的進行通風網絡也在不斷變化，僅僅依靠人工計算和預測通風系統狀態困難很大，需要依靠專業軟件計算、模擬和預測。同時，學生在解決工程實際問題或進行以工程案例為背景的課程設計時，需要借助數值模擬軟件進行演算和模擬。大部分礦山都已經使用軟件設計和管理通風系統，目前使用最普遍的礦井通風仿真軟件是Ventsim三維通風仿真系統（圖4），該軟件主要用于三維通風設計、風網解算、風機選型和通風過程動態模擬。在本課程教學中增加虛擬仿真教學，能夠讓學生參加工作后迅速掌握工程實際通風計算和管理技術，培養學生使用通風軟件解決復雜工程問題的能力。

結語

針對“礦井通風與安全”課程教學過程中存在的主要問題，本文充分利用網絡課程資源和先進教學工具，開展線上線下混合式教學設計與實踐，豐富了教學內容，同時引進PBL等先進的教學方法，提高學生的學習興趣，提升學生的學習效果，鍛煉學生的動手能力，提高了學生解決復雜工程問題的能力。構建了“課堂演示、現場測試、課程設計、虛擬仿真”多位一體的課程教學體系，培養教師“教研融合、以教為本”的教學理念，切實提高了人才培養質量，為類似工程學科的教學實踐提供借鑒。

參考文獻

[1]教育部高等教育司.“新工科”建設行動路線（“天大行動”）[J].高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[2]商澤進，鄧慶田，李新波，等.基于“新工科”理念的理工基礎學科實驗教學改革設計[J].實驗技術與管理，2019，36（9）：149-150+168.

[3]許濤，嚴驪，殷俊峰，等.創新創業教育視角下的“人工智能+新工科”發展模式和路徑研究[J].遠程教育雜志，2018（1）：80-88.

[4]宋志剛，陳紅，王根平.成果為本的專業設計——基于加拿大北阿爾伯塔理工學院實施OBE教學改革的啟示[J].深圳職業技術學院學報，2013（1）：63-65.

[5]BARROWS H S， MITCHELL D L. An innovative course in undergraduate neuroscience. experiment in problem-based learning with “problem boxes”. [J]Medical education， 1975， 9（4）：223-230.

[6]李業鳳.大學物理演示實驗教學方法的探索[J].實驗科學與技術，2008（12）：104-121.

Construction and Practice of Blended Teaching Model in the Course of Mining Ventilation and Safety

CAO Jian-li， JIANG Yuan-yong

（College of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110819， China）

Abstract：Aiming at the problems of single teaching mode， poor learning enthusiasm of students and disconnection between teaching and practice in course of Mine Ventilation and Safety， a compulsory main course in mining engineering， this paper reforms the teaching model， methods and means， making full use of network course resources and advanced teaching tools， and carrying out online and offline blended teaching design and practice. The teaching content is enriched and a multi-integrated teaching system of “classroom demonstration， scene test， course design， and virtual simulation” is established. In order to improve the quality of personnel training and provide reference for the teaching practice of similar engineering disciplines， it is necessary to cultivate teachers’“teaching-research integration and teaching-oriented” teaching concept.

Key words： mine ventilation； blended teaching； course reform； teaching model； virtual simulation