基于“理工醫融合”的自主學習與創新能力培養教學設計

胡祖祥，高宇，陳莞爾

（安徽理工大學安全科學與工程學院，安徽淮南 232001）

在提升大學生核心素養的背景下，礦井粉塵防治的基本知識、防治措施的傳統教學目標發生了變化，學習理論基礎也在變化[1-2]。對于“理工醫融合”的礦井粉塵防治理論與職業健康課程教學應當如何設計，是需要認真思考的問題。在“教學過程是師生交往的動態過程、教學過程是教師指導下學生的特殊認識過程、教學過程是一個促進學生身心發展的過程、教學過程是教書育人緊密結合的過程”[3-5]這些對教學本質的宏觀理解前提下，本文結合交叉學科特點，融合礦井粉塵防治與職業健康課程內容，根據教學目標對課堂教學進行設計研究。現代信息技術下“互聯網+”模式針對大學生自主學習與創新能力培養提出了更高要求[6-8]。為解決大學生自主學習與創新能力提升過程中存在的問題，并探索自主學習與創新能力培養和提升策略，結合礦井粉塵防治理論與職業健康課程的新理論、新技術、新設備及發展趨勢，構建了“協作自主學習”與“知識—實踐—競賽”創新能力培養教學過程。

1 教學分析

1.1 教學內容

本課程基礎理論知識以除塵降塵展開，通常采用的降塵方式可歸納為兩大類：干法除塵與濕法除塵。濕式除塵的工作介質大多采用水霧，噴霧降塵的降塵效率最高，課程以噴霧除塵為重點講解。課程內容包括噴霧降塵機理、噴霧除塵形式、水的特性對噴霧降塵效果的影響、噴嘴參數對噴霧降塵效果的影響、噴霧系統的參數和布置、噴霧降塵關鍵技術分析。

1.2 教學目標

按照工程教育專業認證的理念，按照學校的培養定位，依據能力培養要求，結合課程特點進行目標設計。通過礦井粉塵防治理論與職業健康的理論教學和實踐教學，希望達到如下目標[9-11]：

1.2.1 知識目標

掌握工業常用除塵降塵技術原理及其在煤礦生產系統中的應用，了解粉塵除塵技術，熟知掘進工作面的塵源分布，熟知掘進工作面各主要工序防塵方法，熟知采煤工作面的塵源分布，熟知采煤工作面各主要工序的防塵方法，了解常見自動噴霧裝置和一般噴霧灑水裝置，熟知噴霧參數的確定，熟知帶式輸送機轉載點防塵罩的原則布置及主要技術參數的確定。

1.2.2 技能目標

能根據掘進工作面各主要工序產塵特點正確選擇防塵方法，能根據采煤工作面各主要工序產塵特點正確選擇防塵方法，制定綜采工作面綜合防塵技術措施及優化措施，能正確選擇噴嘴類型，熟知密閉抽塵凈化，了解密閉噴霧降塵和其他防塵措施。

1.2.3 素養目標

培養學生跨學科自學能力，在學習理學、工學、醫學跨學科專業知識時能夠掌握知識間的聯系，養成對復雜問題進行深入研究的習慣。培養學生的自學能力和創新思維，充分挖掘學生的學習潛能，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。通過競賽培養學生創新能力、組織管理能力、溝通協作能力。

2 教學過程設計

2.1 課前新知識、新問題的自主探究階段

國外學者研究表明，自我效能感與學習動機的影響是相互的，自我效能感越高，就會激發越強烈的學習欲望[12]。其研究普遍證實，學生的自我效能感對學習行為及成就有重要影響，并對其目標定向及學習成績具有積極的影響[13-14]。課前教學主要通過線上形式開展，教師負責構建課前自主學習所需的礦井除塵相關資料和平臺。在平臺設計簽到活動以督促學生，布置學生針對采掘工作面、皮帶轉載點等粉塵產生嚴重區域提出科學合理的粉塵治理新技術方案，再進行投票、討論等活動，通過對塵源點的治理技術學習引導學生解決自主學習過程中遇到的問題。教師以整個礦井粉塵防治知識體系和礦井粉塵不同污染源的治理方法為基本元素的體系結構，集成豐富多媒體素材資源，方便后期粉塵防治新理論、新技術的更新與擴展，還能開展網上具體塵源治理案例直播授課，幫助學生完成課前自主學習。利用數字融媒體技術，鏈接多媒體資源和交互VR 資源，展示不同塵源點除塵技術的除塵機理、除塵方式示意圖及原理，輔助實踐操作。

2.2 課中知識學習與問題解決的提高階段

2.2.1 知識講解

教師采用傳統授課結合討論的方式，講解課程中礦塵粒度、分散度、粒度分布、粉塵的理化性質、粉塵的危害、塵肺病的產生與預防、各除塵方式的除塵原理、優缺點及應用范圍等內容，強調知識之間的連通性；教師可以通過演示或選擇合理的學習分組代表選取1～2 個知識點講解粉塵的測定，幫助學生形成知識體系，教師針對知識點，從知識層面引導到應用層面。另外，根據課程每章內容，將相關防塵設備模型或實物展示給學生，例如給學生展示不同規格的噴嘴等；充分利用現代多媒體，如視頻播放粉塵爆炸的過程。

2.2.2 問題解決

通過組建學習小組總結學習任務，小組討論解決自主學習存在的問題；教師引導學生追蹤礦井粉塵防治技術的國內外現狀和趨勢，建構礦井各產塵源的除塵方案和設備選型設計、噴霧降塵系統選型設計等，幫助學生厘清粉塵防治與職業病防控的來龍去脈，為學生對粉塵治理的學習，培養發散思維提供足夠的空間。教師引導學生對礦井粉塵各塵源的治理技術、整個礦井粉塵防治知識體系及查閱的礦井除塵相關資料進行梳理、篩選、提取、組合。學生通過查閱文獻學習塵源點的治理技術，這個過程可能形成與以往經驗不同的路徑，由此產生解決問題的方法和策略。教師在幫助學生解決問題的過程中，組織學生按照想法提出創新性除塵方式，并探索其除塵機理，繪制除塵方式示意圖。

2.2.3 實驗教學

通過設計礦井生產中掘進機、采煤機、運輸機以及粉塵監測系統等實體客觀結構，虛擬仿真還原礦井粉塵的分布場景，每一名學生都要在實驗平臺上開展物理實驗，深刻理解粉塵監測技術與原理。通過設置噴霧降塵實驗開展濕式除塵教學，幫助學生更好地學習噴嘴及噴霧降塵理論，強化礦井粉塵防治應用；還可以設計物理、化學抑塵以及粉塵濃度、粒度分布等檢測實驗，幫助學生掌握粉塵濃度、粒度及游離二氧化硅含量測定方法，從而全面掌握抑塵劑制備實驗步驟以及粉塵采樣與檢測方法等，結合實驗報告及答疑情況完成實驗綜合考核；學生借助 VR 技術在三維動畫虛擬仿真中切身體驗礦山粉塵職業危害產生的塵肺演變場景，強化學生對礦山粉塵職業危害防控知識體系的認知。

2.2.4 組織競賽

學生在學習粉塵相關基礎知識后，分組查閱資料、相互討論完成研究、設計、實驗等方面的要求，如對塵源點的創新治理這一項目的設計，需要滿足除塵需求的系統或工藝流程、除塵方案和設備選型或仿真模型設計，并在課堂內進行分組演講，通過學生互評、投票的方式，評選出優秀課程小組代表，設計出的作品可以參加相關競賽，加深學生對礦井粉塵危害和治理技術的認識。獲得競賽名次的學生同時獲得參與粉塵治理項目實施過程的資格，使學生畢業時能夠“零距離”上崗。

2.3 課后反思鞏固和優化階段

教師綜合分析塵肺病危害及煤塵爆炸危害、塵源點治理與職業病防護、多學科粉塵治理技術各階段需要的練習量，設計能夠培養學生自行設計煤塵爆炸抑爆方案和塵源點除塵技術的問題，難度由低向高過渡，布置能夠幫助學生掌握粉塵相關研究的任務或活動，如在保證學生安全的條件下，帶領學生去煤礦進行參觀學習，邀請專業技術人員為學生講解。安徽理工大學安全工程作為國家重點培養學科，其粉塵研究團隊有多年研究粉塵治理項目的經驗，通過以往相關具有一定實際意義的粉塵治理項目，要求學生重新對項目除塵方案進行設計，以便提高學生自主創新能力。對教材上的例題和習題進行適當地改造，引導學生在知識網絡中找到與問題相關的信息，將問題放到現實背景中考察。注重發揮礦井粉塵防治理論與職業健康課程的優勢，培養學生粉塵防治與職業健康防控的責任感與使命感，使題目的解答發揮出更大的教育功能。

3 效果評價

3.1 學生學習效果評價方式

將學生的學習態度、互動效果、自學成效等方面的表現及存在的問題進行指標化，每個評價指標具有具體描述和權重。學生作業由教師分配先進行互評，并給出得分標準，再根據學生線上線下的綜合表現，給予學生中肯的評價分數。教師在每章教學內容完成后公開每位學生的過程評價得分。

3.2 課堂教學效果評價方法

3.2.1 專家聽課評價

專家評價標準要求教師對教學工作充滿熱情，責任心強，上課精神飽滿等；教學內容充實且能反映礦井粉塵防治與職業健康發展的新思想、新概念；引導學生能夠應用多學科的基本原理分析復雜粉塵治理與健康防控問題；對產塵源點除塵設計等難點內容講解透徹，并拓寬學生的知識面，給予學生聯想、創新的空間；及時布置與課程關系緊密的學習任務，認真講評、答疑；能夠恰當地借助多媒體技術、網絡學習資源輔助教學。

3.2.2 人工智能技術分析

首先通過線上學習設備和學習平臺錄取學生的學習視頻信息；然后對視頻中的學生人臉進行檢測與識別，同時進行學生的表情識別和學習行為識別；最后實現對學生學習行為的分析，進而實現對教學效果的評價。

4 結語

本文提出“協作自主學習”與“知識—實踐—競賽”方法全新教學模式，教學設計取得了一些不錯的效果與成績，從學生的反饋來看，這個改革是十分有必要的。課程教學充分利用理論教學和實踐教學相融合，課內學習和課外學習相補充，調動學生的學習積極性。一方面儲備了扎實的礦井粉塵防治理論與職業健康知識，為其他粉塵類專業課的學習打下了良好的基礎；同時在競賽中培養了學生思考問題時的創新意識，提升了分析問題、解決問題的創新能力和綜合能力。