“礦山機械”課程教學改革與實踐研究

任春平　徐鵬　劉春生　趙存有　王本永　孔繁朝

摘要：本文針對“礦山機械”課程在教學過程中發現的問題，提出了時空耦合的教學過程與方法的新模式，即跨越時空的線上、線下相結合的形式，將課前導學、課中研學和課后練學整合為有機的統一體，為打造高效課堂奠定基礎。

關鍵詞：礦山機械；教學改革；時空耦合；教學過程與方法

“礦山機械”課程是一門專業必修課，該門課程面向對象為機械專業的本科三年級學生，包括機械設計制造及其自動化和機械工藝技術。課程教學內容主要圍繞采煤機結構及結構參數、液壓支架結構與參數、刮板輸送機等知識點為主線，突出理論知識聯系工程實踐，使內容在深度和廣度上適用不同專業人才培養的需要，力求課程教學內容具備學科前沿性和時代性［1-3］。與工程案例密切相連的同時，可滿足社會對于應用型培養人才的需求［4-7］。“礦山機械”課程在以往教學過程中發現存在課時較少、學習任務較重及教學模式單一的問題，因此，探求解決該痛點問題的有效方法對于學生培養質量至關重要。

基于上述的不足問題，“礦山機械”課程教學改革與實踐創新迫在眉睫，堅持秉承以學生為中心、產出為導向、持續改進的OBE教學理念，構建了“時空耦合的教學過程與方法”的新模式，采用“翻轉課堂”“給—與耦合的教學方法”，綜合運用“中國大學生慕課、智慧樹平臺、QQ群、學習通等”現代信息技術及優質教學網絡資源，力求“礦山機械”課程達到兩性一度的課程目標。

一、“礦山機械”課程教學改革的思路

本門課程教學設計理念來源于所在高等院校“以學生為主體”的教學理念。根據學校的總體定位，為著力有效發揮“礦山機械”課程的服務專業的基礎功能與作用，在機械工程學院及機械設計教研室的領導下，對“礦山機械”課程進行了“線上自學+線下導學+線上拓展”的混合式教學模式，結合問題情境教學改革與實踐，本節課內容可見一斑。本門課程教學環節中以“采煤機結構及其參數”為案例，介紹目前礦井下主要采煤機的機型，線上拓展閱讀“采掘機械的應用”設計，體現了學校倡導的“理論知識與實踐能力、基礎知識與專業知識、人文教育與工程教育、課內與課外、校內與校外”五個相結合，力爭從一點一滴為學校“著力培養思想道德素質高、工程實踐能力強的‘一高一強的應用型高級專門人才”目標而貢獻力量。該教學設計也符合《全面提高高等教育質量的若干意見》中落實“文化知識學習和思想品德修養、創新思維和社會實踐、全面發展和個性發展緊密結合”的人才培養要求。“礦山機械”課程總體的教學改革思路為構建了“時空耦合的教學過程與方法”的新模式，具體的思路如下表所示。

（一）課前導學

教師通過QQ群發布本次課的學習任務，具體包括兩種課前預習學習形式，第一種預習方式為學生利用中國大學生慕課、智慧樹平臺等進行任務在線學習。第二種學習方式為通過知網或者在PUBMED上檢索相關的文獻進行閱讀學習，學生通過騰訊會議討論問題，提出至少3個科學問題進入接下來的課中研學，通過課前預習減少了課中學習的時間，節約了大量的寶貴時間，為高效傳授課程內容知識點奠定了基礎，該階段采用了翻轉課堂，可有效解決學生課上學習任務較重的問題。

（二）課中研學

學生走上講臺進行小組匯報，讓學生成為“主角”，通過學生的匯報，其他組別對匯報學生的預習情況提問和點評，教師做最后的總結，該階段的時間分配為6分鐘左右。由于“礦山機械”課程涉及結構圖較多，學生對于結構理解不是很透徹，部分學生尤其對于采掘機械知識感到困惑。為了解決這一問題，本門課在教學設計過程中，提出了一種IRE的啟發式教學模式，以此引起學生對采掘機械知識的學習興趣，同時也可以培養學生的科研思維和潛質，鍛煉了學生們利用基礎理論相關的知識分析案例問題的思維邏輯能力，該過程可解決教學模式單一的問題。

（三）課后練學

由于課中研學階段時間有限，為了更好地讓學生牢固掌握講課中的知識點，將教學過程與方法擴展到課后練學，針對學生在課中沒聽懂的問題或疑難問題，通過QQ群或微信群等方式進行在線解答，以此達到答疑解惑的作用。利用網絡平臺進行章節擴展閱讀和章節自測，對本節課進行延伸，布置課外的擴展閱讀學習任務，以此提高學生對課程的深度理解，該過程融入了擴展教學模式，以便節約更多時間，解決課時較少的問題。

二、“礦山機械”課程教學改革與實踐的途徑

課中研學階段即線下的課堂教學，主要依據學情分析和學生學習興趣等，結合教師做科學研究的情況，構建了“以學生學習興趣為中心、與教師科研相結合、挖掘學生科研潛質為目的”的啟發式教學模式（Interest，research，exploration簡稱IRE），同時融入“給—與耦合教學方法”，即學生之間互相講解、提問、討論，教師與學生互評等，同時設置了找茬等游戲環節，提高學生參與課堂的積極性。該教學過程與方法主要包括問題引入、知識融入、科研結合、小組討論和歸納總結，同時課程思政元素內嵌于整個教學環節，具體如下所示。

（一）問題導入方法與手段

教師首先將問題引入，然后學生之間分組討論，可以是組內討論，也可以是組與組之間進行探究，將所提出的問題進行深入剖析，最后進行全面的總結歸納。通常設置開放式問題，比如提出生活中的例子和問題，引起學生對問題的興趣和好奇，讓學生可以主動去思考問題。通過講解“煤炭的來源”背景研究，讓學生理解科學家如何思辨地將宏觀與微觀聯系起來，探索微觀世界的美妙之處。

（二）知識融入方法與手段

根據本節課內容，通過工程案例的分析與講解，讓學生切身感受到采掘機械應用的美妙之處，比如在大傾角煤層條件下，使用何種型號采煤機，此時采煤機滾筒直徑如何確定，葉片選擇頭數、筒轂直徑如何確定等，通過實際工程案例分析，鍛煉學生利用“礦山機械”課程中相關內容解決和分析實際問題的思維和能力，以此達到教學目標中的“能力目標”，即培養學生利用礦山機械知識解決復雜實際煤礦機械問題的能力。

（三）科研結合方法與手段

在教學過程中探尋到教學與科研的聯系點，將這些好的科研例子分享給學生，以此提高學生分析案例的高階思維能力，進而提高學生做科學研究的潛質。礦山機械中，隨著煤礦開采深度的不斷加深，煤巖的硬度增強，抗壓強度為80MPa、磨蝕性指數為1.0的硬巖亟須先進的截割刀具。機械破碎截割硬巖在工程領域有廣泛的應用，但用于破巖的刀具磨損與失效形式會嚴重影響破巖效率，深層探究破巖刀具的抗耐磨性能對于破巖生產率提高起到重要的作用，因此，確定刀具上的溫度分布及其規律尤為關鍵。刀具紅外測溫原理與裝置通過碟盤刀具紅外熱像圖，可清晰判斷刀具磨損狀態，這樣將教學內容與科研進行了緊密結合，提高了學生解決工程案例的思維邏輯能力。

（四）小組探究方法與手段

在小組討論中，教師一定要讓學生的表達能力與想象力得到充分發揮，激發學生的創新思考能力，采用“給—與耦合的教學方法”，培養學生成為課堂中的“主角”，讓教師轉變為課堂中的“導演”，可設置搶答拔高、找茬等游戲環節，提高學生參與課堂積極性。利用智慧教室創設全景教學環境，老師導入問題，學生之間進行分組討論。在該環節，將學生可分成不同的討論小組，讓各小組成員努力去“腦洞大開”，每個小組內部可以相互研討，外部又可以形成良性競爭。最后，各個小組完成一份總結報告，報告內容包括研究背景、案例的采用不同方法的原理以及討論結果的預期效果等，或是讓學生課堂上臺講解。

這里以其中完成度較高的一個小組成果為例，該小組預想未來可研發一種復合集熱器設計裝置。該結構頂面設置玻璃蓋板，供應白天的熱能；結構底面設置冷板，供應晚上制冷。中間結構部分通常設置為保溫的材料，設置的裝置既有創新性，又有設計依據。通過這種發散式思維的不斷啟發，培養學生的探索問題、發現問題的能力。對于有非常好的想法的學生，教師應該鼓勵其進行更進一步的論證，積極鼓勵學生去參加各種有益于開發創新思維的創新創業大賽、TRIZ大賽、積極申報國家專利等，培養學生做科學研究的潛質，鍛煉學生的表達能力，以此達到教學目標中關于素質目標中闡述的指標點。

正如前面所說的，課程思政元素一直內嵌貫穿于整個教學環節，潤物無聲地滋潤學生，培養學生的愛國主義，堅定學生的報國信念。同時教師歸納總結本節課的基本內容，強調本節課的重、難點等內容，升華課程思政主題，從而培養學生樹立求實的科學態度和嚴謹科學思維。以往的教學模式以教師為主，“填鴨式”教學會導致大部分的學生對于上課沒有興趣，對于知識的吸收理解處于表層，存在“等、靠、要”的被動思想，多數學生僅能形成“記憶、掌握”的低層學習能力，缺乏獨立思考和表達能力。為了避免這一問題，在教學過程中要換位思考，角色互換，讓學生根據慕課和文獻預習內容，登上講臺。針對講授的相關知識點，給學生設定的研討主題“智能化采煤機”，分別找2～3名主講學生上臺給大家講解、研討和分享這個主題。比如“智能采掘機械設備結構創新”，這是一個開放式研討主題，教材和講義上都沒有具體的答案，主要考查學生自主學習能力和上網搜索資料的能力。主講學生可以任選某一種，甚至兩種介紹。主講學生講完后，開啟質疑環節，詢問臺下學生是否有想研討的地方。同時教師會準備幾個備用問題，例如“采煤機結構創新與所做的科研有何聯系？”“你從發展歷程中，學習到了哪些？”等問題，如果學生間已經討論得很激烈了，則教師不追加問題；否則教師要將問題拋出，激發臺上、臺下學生的研討，并根據學生最后的研討結果給予點評。通過學生的自我講述和研討，更深地植入學生的內心，激發學生探索宇宙中的未知、追求永恒的真理，激發學生的愛國主義情懷和探索科學的使命感。

三、“礦山機械”課程教學改革與實踐的成效

“礦山機械”課程經過4輪的教學實踐，機械專業2015級至2018級的學生在機械知識、專業技能、就業單位的認可度等方面均有穩步提升，在國家級、省級比賽中均有獎項斬獲。在山東舉辦的“全國高校機械類專業建設高端論壇”上，團隊成員做了“礦山機械”課程創新理念的專題報告。此外，團隊編寫的特色教材《礦山機械》，正在被部分兄弟高校礦業類專業的學生所使用。學生作為志愿者參加哈爾濱國際經濟貿易洽談會、國際產學研用合作會議等大型會議，為大會提供專業領域的服務。學生正在用所學到的機械知識服務龍江地區經濟發展，助力龍江發展建設。以上就是“礦山機械”課程對應國家、行業、專業需求，在符合校情、學情基礎上所進行的課程改革和探索，以及目標達成的具體路徑。

近五年問卷調查，對于“礦山機械”課程開展教學過程與方法進行的創新與改革研究，絕大多數同學完成了在線的學習任務，積極參與線下學習，課程通過率和優秀率逐年升高，學習興趣明顯提高，學生們自主學習“礦山機械”課程的能力得到了顯著的提高，學生對課堂的互動性與啟發性、礦山機械知識的獲得性、礦山機械中實際工程案例的獨特性給出了非常滿意的評價，獲得了學生的一致認可。近幾年，通過教學實踐環節，學生學以致用的能力得到提升，學生先后多次參加國家、黑龍江省舉辦的TRIZ創新方法大賽，碩果累累，獲得多項國家級和省市獎，成績取得的背后彰顯了課程創新的教書育人，培養學生創新綜合素養的教學目標。近五年，通過“礦山機械”課程的學習，多數學生做科學研究的思維能力得到了大幅度的提高，獲批多項校級大學生科研立項，申請或授權多項實用新型專利。該門課程順應國家、行業和專業需求，在符合校情和學情的基礎上對課程進行了改革與創新探索，未來繼續秉承工匠精神，將課程改課落到實處，該門課程的教學創新設計模式會對其他課程創新提供參考，具有一定的推廣價值。

結語

本文提出了基于時空耦合的教學過程與方法的新模式，有效解決了“礦山機械”課程在傳統教學過程中存在的課時較少、學習任務重及教學模式單一的痛點問題。采用多種教學活動形式，真正做到以學生為主體，教學為主導的教學思想，同時將課程思政元素內嵌于整個教學環節，培養學生嚴謹的科學態度、使命擔當與愛國主義情懷。

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基金項目：黑龍江省教育科學“十四五”規劃2022年度重點課題“課程思政與智能信息技術融合的《礦山機械》課程教學體系重構與推演研究”（GJB1422121）

作者簡介：任春平（1987—），男，漢族，黑龍江肇東人，博士，講師，碩士生導師，研究方向：機械設計及理論。