基于通風系統模型制作的學生實踐創新能力培養探討

王子云 莊世勇 王寰宇

[摘要]該研究以采礦工程專業學生制作通風系統模型為例，闡述了模型制作的過程與現實意義，期望對培養學生的實踐創新能力有所幫助。

[關鍵詞]實踐創新;模型制作;通風系統

[中圖分類號]G64 [文獻標識碼]A [文章編號]2095-3437（2019）12-0021-03

應用型人才的培養，關鍵是培養其實踐能力，而本科層次的應用型人才培養，其培養目標應定位于創新型應用型人才培養。這類人才不但要具有實踐能力、動手操作能力，而且應具有創新能力和創新精神。實踐能力是指具有主觀能動性的人有目的地、自覺地改造客觀對象和解決實際問題的能力。創新能力是指人們在各種社會實踐活動中，運用已有的思想、方法、理論和技術，開展變革現實活動、產生新事物并不斷提供有價值的使社會受益的能力。在應用型人才培養的浪潮中，高校應該積極為學生創造實踐的平臺和條件。

通風工程實驗室就為采礦工程專業學生提供了這樣一個平臺。通風工程實驗室主要服務于采礦工程專業本科生礦井通風課程及相關地下開采課程的實踐教學。礦井通風課程是采礦工程專業本科生的一門專業必修課，要求學生通過該課程的學習，能夠掌握礦井通風與防塵的基本規律和基本原理，掌握礦內風流運動的規律、礦井通風管理與檢測技術以及礦井通風的設計與計算方法，從而使學生具有從事礦井通風與安全相關的科研、設計和管理工作的能力，為學生更好地從事礦山的開發和管理奠定基礎。

一、通風系統模型的制作

（一）通風系統模型制作的目的

礦井通風課程的特點是實踐性、應用性強，傳統的教學方法主要以理論教學、課堂講授為主。隨著礦山開采進度的推進，開采深度不斷增加，井下溫度、濕度、壓力等氣候條件也會隨著發生很大變化。為給井下工人創造良好的工作條件和工作環境，必須加強礦井通風。在這種情況下，以傳統的教學方法培養的通風技術人才已經無法滿足企業需求。學生普遍反映該課程的學習難度較大。目前大部分礦井已轉入地下開采，但是由于種種原因，學生到礦山實習的機會非常少，這就導致學生對抽象的課本知識理解起來比較困難，很難弄清楚井下各種通風巷道之間的空間關系和位置關系。利用通風系統模型能夠形象直觀地展示礦體的產狀以及各種巷道之間的關系，從而使學生對通風系統有更為深刻的理解和認識。

（二）通風系統模型的分類

通風系統模型按照物理性質一般可以分為兩大類，即實體仿真模型和虛擬模型。實體仿真模型通常是用各種材料按照一定的比例和尺寸組裝而成。這些材料可以是強度較低但易于加工的塑料、木材，也可以是強度大但不易加工的金屬類材料。這類模型可以直觀地展示通風系統各種巷道及構筑物在井下的位置關系與分布。除了這一特點外，還可以在這種模型上附加各種電子電氣元件和操作控制系統，從而使觀察者可以進行手動操作演示。虛擬模型即數字模型，它是利用現代計算機技術以及各種數字軟件做成的非實物模型。比如可以利用Datamine、3Dmine等軟件制作礦井通風系統通風網絡結構虛擬模型。

（三）通風系統模型制作的過程

1.確定模型制作的內容及分工

在進行模型制作前，學生必須明確所做模型的類型及主要內容，指導教師也要對項目組成員有所了解，然后在此基礎上按照學生自身的優缺點進行分工，盡可能地發揮他們的優勢和長處。在進行分工前，指導教師應該確定項目組組長的合適人選與職責，然后與組長一起確定項目組其他成員的分工。

本次模型制作類型為物理實體仿真模型，該模型可以展示某金屬礦整個通風系統。該項目研究內容主要包括以下幾個方面：一是研究礦井通風系統的主要類型、適用條件及優缺點，二是研究各種通風系統的基本結構特征與結構參數，三是研究礦井通風系統中中段通風、采區通風的結構特征及通風路線，四是研究通風附屬構筑物在通風系統中的作用及合理配置。

2.確定模型制作的進度計劃

凡事預則立，不預則廢，制定合理而周密的進度計劃是保證項目順利完成的前提。這項工作可以由項目組組長牽頭完成，指導教師做適當調整即可。由于模型制作是一項復雜的設計工作，涉及本專業的諸多知識，而且有些知識點在課本上無法獲取，這就需要進行調查研究。調研文獻資料時，指導教師可以有針對性地指定一些相關的參考資料，這些資料可以是網絡的電子資料，也可以是圖書館的紙質資料。但不論是哪種資料，一定要由學生自己親自查閱找到答案，而不是由教師直接給他們答案，這樣才能提高他們學習的興趣和主動性。現場實地調研則是到礦山井下對礦井通風系統進行觀摩學習，以便將理論知識和現場實際生產加以對比。由于目前礦山企業的特殊性，這是最難執行的，但也是對模型制作最為有價值的調研。項目組充分利用學校建立的校企關系網，多次到當地的地下礦進行了通風系統考察調研，充分了解了目前金屬礦山地下礦通風系統的特點，為下一步的模型制作打下了堅實基礎。

3.分析資料并確定設計方案

在完成上述調研工作以后，學生的理論知識儲備基本能滿足模型制作的要求。回到實驗室后要進行資料匯總和分析并最終確定設計方案。這一工作應該由項目組學生完成，指導教師對最終的設計方案進行點評指導，查漏補缺。如前所述，通風系統和開拓系統、采礦方法聯系緊密，而金屬礦山的礦床開拓方法和采礦方法非常之多，不同類型的開拓方法和采礦方法的組合就構成了完全不同的通風系統。在確定設計方案的過程中，學生要對這些開拓方法和采礦方法的基本構成、適用條件、優缺點等有詳盡的了解。完成這項工作后，學生對所學的礦井通風及其他相關課程的理論知識都會有更為深刻的理解和認識。

本模型最終確定的設計制作方案是這樣的：以豎井開拓為主要開拓方法，采用下盤豎井開拓，主、副井集中布置;主井為箕斗井，用來提升礦石，兼做回風井;副井為罐籠井，用來運送人員、材料、設備并兼做人風井;井底車場以雙環形井底車場為例進行制作，設置有主副井重車線、空車線及調車線，車場附近設置有調度室、變電所、水泵房、候罐室等;以淺孔留礦采礦方法為例進行制作，采用裝巖機出礦平底裝車的底部結構;采用中央并列式通風，新鮮空氣由副井進入井下，通過石門進入沿脈運輸巷道，再由沿脈巷道進入穿脈，由穿脈進入上部的人行通風井，清洗工作面后由上部的回風平巷進入主井排出地表。

4.完成模型制作

制作過程是模型制作最關鍵也是最煩瑣的一項工作。在這個過程中，指導教師要給予學生足夠的自由空間，最大限度地發揮他們的主觀能動性。在此期間，學生必然會遇到很多困難，指導教師應適時地進行啟發點撥，但不是代替學生去解決這些問題。在這個過程中，教師是引導者和組織者，處于主導地位，指導學生查閱資料和積極地思考分析，而學生是完成制作任務的真正的主體。

（1）繪制模型圖紙

在模型設計制作方案確定以后，首先要做的就是按一定比例尺繪制所要制作模型的圖紙。圖紙是模型制作成功與否的關鍵所在，因為圖紙真實地反映了模型各個部位之間的空間位置關系，它是模型制作的指揮棒。這些圖紙包括從宏觀上把握布局的總設計圖，還包括局部地反映細枝末節的細部圖，都由學生親自完成繪制。

（2）選取制作材料

制作材料的選取要考慮制作成本、材料加工、硬度、材料透明度、模型運輸等因素。不同的制作材料有不同的優缺點，綜合考慮以后本次模型制作選取4mm厚的有機玻璃板。這種材料的優點在于堅固、易于加工制作而且透明度高，有利于觀察者看到模型內部的結構。

（3）加工與打磨材料

買回來的有機玻璃板都是一整張的，需要學生按照模型各個部位尺寸大小進行裁剪、切割并進行必要的打磨。這個過程尤其要提醒學生裁剪、切割的方式方法，避免材料無謂的浪費。同時要提醒學生注意安全，避免造成人身傷害。

（4）組裝模型

組裝是模型制作的最后一步，即將較小的部件組裝成為較大的部件，再將較大的部件按照總設計圖紙組裝成為整個模型。學生在組裝過程中必然會因加工誤差而造成有些部件無法銜接，這就要指導學生耐心地對這些部件進一步修改完善。

二、通風系統模型制作的意義

（一）有助于提高學生學習的興趣與積極性

偉大的科學家愛因斯坦說過：興趣是最好的老師。興趣可以激發人的創造熱情、好奇心和求知欲。如前所述，礦井通風課程作為采礦工程專業的一門主要專業課，涉及了理論、實踐和設計等多方面內容，有一定的學習難度。傳統的礦井通風課程的教學過程往往是這樣的：教師在課堂講解理論知識，學生完成課后思考題，同時教師結合理論知識開展課內實驗教學。學生雖然在實驗課也有動手實踐的機會，但基本上都是以驗證性實驗為主，學生按照實驗要求依葫蘆畫瓢地完成實驗任務，并沒有能夠很好地激發學生的創造性和主動性。而通風系統模型制作則不然。當給學生理論結合實踐的機會時，他們會發現自身理論知識的匱乏，這就會促使他們帶著興趣更主動地去學習。

（二）有助于學生學習采礦相關課程的知識

礦井通風系統與礦床開采的開拓系統、采礦方法、運輸提升等都有緊密的聯系。開拓是礦床開采的第一步，采礦方法則是對礦塊的采準、切割和回采等工作的總稱。礦床開拓要開掘一系列巷道，如井底車場、石門、階段運輸巷道、采準巷道及各種硐室，這些巷道將礦塊和井筒等開拓巷道連接起來，從而形成完整的運輸、通風、排水等系統。這樣才能在保證將礦塊采出的礦石運到地表、材料設備運到井下的同時，將從人風井進來的新鮮空氣順利輸送至各工作面，各工作面形成的污風順利地由回風井排出，從而為工人創造良好的工作環境。不同的采礦方法會有不同的采場底部結構，不同的采場底部結構則會形成不同的采場通風網絡。合理的采場通風網絡和通風方法，是保證整個通風系統發揮有效通風作用的最終環節，是整個通風系統的重要組成部分。比如對于無出礦水平的巷道型或硐室型采場，風路簡單，通風容易，一般采用主扇的總風壓形成貫穿風流通風;而對于分段及階段礦房法等采礦方法，則應廣泛采用出礦底部結構，在利用貫通風流通風的同時保持風流方向穩定、分配均勻，避免鑿巖作業面和出礦水平之間風流的串聯。通過制作通風系統模型，可以使學生更清楚地了解主要開拓巷道、輔助開拓巷道、采場的采切工程、底部結構等工藝，從而對礦床的開采順序、開采步驟等有更深刻的理解和認識。

（三）有助于培養學生的空間思維能力

空間思維能力就是人對現實世界的物體和圖形的形狀、大小及位置的理解和把握的一種能力。采礦工程專業研究的對象是埋藏在地表以下幾百米甚至上千米的礦體，學生是無法直接用肉眼觀察的，這就需要學生充分利用空間思維能力。礦井通風巷道遍布井下，縱橫交錯，種類繁多。制作通風系統模型，不僅要有扎實的理論知識做基礎，而且要有豐富的空間想象能力。比如，入風井和回風井的位置關系，直接決定了所采用的通風方式;階段進風巷道、階段回風巷道、礦井總回風巷道等巷道的空間關系和連接方式，決定了所采用的通風網絡結構類型。只有理清了這些巷道的空間位置關系，做出的模型才有可能與真實的礦井通風系統結構相符。

（四）有助于提高學生的實踐動手能力

實踐就是人們能動地改造和探索現實世界一切客觀物質的社會性活動。中國自古以來就非常重視實踐，比如孔子說過的“學而時習之，不亦說乎”的“習”字，就是實踐的意思。還有“行是知之始，知是行之成”“臨淵羨魚，不如退而結網”等諸多名言警句都揭示了實踐的重要性。當今世界科學技術發展日新月異、突飛猛進，企業對高素質人才的要求也越來越高。對于剛離開校園邁人社會的學生來說，不僅要具備扎實的理論基礎，還要具備一定的實踐動手能力。通風系統模型的制作就是一項非常好的實踐項目。制作通風系統模型實際上也是一個通風系統設計的過程，而且這個設計結果要用物理模型或者數字模型體現出來。學生在這個過程中，從理論一實踐一理論一實踐，從確定設計主題一制定計劃一調查研究、分析數據一確定設計方案一完成模型制作，每一步都需要他們深入地思考和耐心地操作，這就能夠使他們增強合作意識與實踐動手能力。

三、結語

實踐創新能力的培養是目前大眾創業、萬眾創新背景下高校專業教育的一項重要任務。實踐培養人才，實踐體現能力，而人才的創新能力在實踐中也能夠得到激發和鍛煉。本研究通過組織引導學生制作通風系統模型，提高了學生的動手操作能力，培養了學生的團隊協作精神，更為重要的是激發和培養了學生的實踐創新思維，使學生敢于思考、勇于創新，為學生今后走上工作崗位打下了基礎。