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基于CDIO 的矿山机械课程教学实践*
2018-10-08 09:34  

安徽理工大学 胡坤

1 CDIO基本概念

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的重要理论成果。CDIO的基本概念分别表示构思(Conceive,C)、设计(Design,D)、实现(Implement,I)和运作(Operate,O)。它是一种将课程模拟为项目的研发过程,以项目构思到项目运行的生命周期为载体,让学生全程参与、主动学习、注重实践的工程教育模式。CDIO的培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面,大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。

CDIO工程教育模式中特别强调项目教学和实践活动,它将学习与具体的项目挂钩,使学习者投入于项目实施过程中;它设计真实性生产任务,强调把学习设置到复杂的、有意义的问题情境中,通过学习者的自主探究和合作来解决问题,从而学习隐含在问题背后的科学知识,形成解决问题的技能和自主学习的能力。

2 CDIO在矿山机械课程教学中的应用

安徽理工大学原隶属于原国家煤炭工业部,是一所以煤炭为传统特色的中央与地方共建的高校。矿山机械是学校机械设计制造及其自动化和采矿工程相关专业的必修课程,主要讲授我国煤矿通用的采掘机械、提升运输设备和流体机械等矿山机械的工作原理、结构、性能、用途和选型方法等。作为机械与采矿相关专业课程体系的核心课程,矿山机械课程对煤炭相关专业人才的培养有着重要意义,它不仅是本科四年相关专业基础知识的交叉、融合与应用,更是煤矿现场机械设备的知识预备。矿山机械课程的教学好坏直接影响到煤炭专业技术人才的培养质量。

矿山机械课程以煤矿现场专业设备的工作原理及结构为主要内容,设备种类繁多,原理抽象,内容复杂,学科交叉,覆盖知识面广。而传统的照本宣科式的课堂教学方式,无法发挥学生主观能动性,容易造成教学内容与生产实际相脱节,已不能适应本课程的教学。

项目教学法是CDIO工程教育模式的先进教学理念的体现,它把课程内容的教学任务转化为具体项目的构思、设计、实施和运行过程,让学生充分参与其中,在实施项目的过程中学习、探索和应用知识,掌握实际项目开发的工作流程、组织与管理,培养CDIO能力;而教师教学也不再是“独角戏”,他们负责安排教学计划,组织、指导并参与学生活动,评价和反馈学习效果。因此,教师的角色实际上成为项目教学过程的组织者、指导者、参与者和评价者。

将CDIO应用于矿山机械课程的教学过程,将原本枯燥无味的机械专业知识转化成一个个生动有趣的工程实例,有利于学生融入其中,发挥主观能动性,自主地去学习知识、解决问题、培养能力。既有效地提高了矿山机械课程的教学质量,又培养了学生的CDIO工程理念,为毕业后快速转换角色、更好开展工作打下坚实的基础。

3教学案例

下面以矿山机械课程中两部分经典内容“液压支架的工作原理”和“带式输送机选型设计”为例,具体介绍CDIO在矿山机械课程中的教学实践。

教学案例一:液压支架的工作原理液压支架能够可靠而有效地支撑和控制工作面顶板,隔离采空区,防止矸石窜入工作面,保证作业空间人员和设备的安全;并能随着工作面的推进,推动刮板输送机、采煤机以及完成自移,是当今最重要的煤炭综采支护设备。液压支架的工作原理则是矿山机械专业方向的本科生必须重点掌握的基础知识之一。

在CDIO工程教育理念下,将液压支架工作原理的内容转化为一个工程设计实例来开展教学,以设计开发人员的角度去进行思考学习,其具体教学过程可以概括如下:

1)构思(C),首先应当让学生明确液压支架在井下综采工作面的支护作用,了解其支护和推移功能,进而构建其整个动作过程;

2)设计(D),将液压支架的工作过程进一步分解设计,可分为升架、降架、推移输送机和移架等四个主要动作;

3)实现(I),液压支架的动作主要依靠液压控制系统控制不同的液压缸来实现,重点掌握液压支架的关键液压元件和基本功能回路,能够画出液压支架基本架型的液压系统原理图,如图1所示。

1—顶梁;2—立柱;3—输送机;4—底座;5—推移液压缸;6—安全阀;

7—液控单向阀;8,9—操纵阀;10—乳化液泵站

图1  液压支架液压系统原理图

4)运作(O),让学生扩展性地学习液压支架的控制方式、操作规程等相关运行维护知识,并对学习过程进行总结,分析存在的问题与不足。

教学案例二:带式输送机选型设计带式输送机是目前世界上最重要的散状物料运输设备,具有运量大、运距长,可连续输送,易于集中控制等优点,主要应用于煤炭、冶金、建材、港口、化工及物流等行业。尤其是在煤炭工业中,带式输送机使用最为广泛,可用于采区顺槽、采区上下山、主要运输平巷、主斜井以及地面选煤厂等原煤运输环节,是煤炭生产系统中重要的组成部分。带式输送机的选型设计也是矿山机械课程中需要学生重点学习的教学内容之一,其从根本上决定了在运行过程中带式输送机是否能够高效、经济、安全、可靠地完成运输任务,具有举足轻重的作用。

通过对带式输送机的设计计算,还能进一步加深学生对带式输送机结构、原理、性能及运行维护等知识的认识与理解;并且它还是矿山机械专业学生本科阶段不可多得的工程设计实训环节。

教材设计实例如下:

某矿用井下下运带式输送机,其铺设倾角β=-9°,运输距离L=400 m,运输生产率A=500 t/h,煤的最大块度αmax=300 m。试对该带式输送机进行选型设计。

考虑到带式输送机选型设计本身就是一个实实在在的工程设计问题,其设计流程和项目教学过程是完全统一的,因而可以很好地体现CDIO工程教育理念,其具体教学过程如下。

1)构思(C):利用所给定的设计参数和基本运输条件,构思带式输送机设计草案,注意煤矿井下的设备安装环境,对井下空间狭小、空气潮湿、煤尘瓦斯、防爆安全等隐含条件都应予以充分考虑,并从经济性、安全性和技术性等多方面去评估、确定方案。

2)设计(D):根据设计草案,进一步具体规划带式输送机的运行路线,驱动装置位置、数量和布置形式,拉紧装置的位置及拉紧方式等。经过综合考虑,该带式输送机采用了适用井下下运环境的S形缠绕、双滚筒头部驱动和机尾部拉紧的布置方式,带式输送机系统布置简图如图2所示。

图2 带式输送机系统布置图

3)实现(I):根据摩擦传动条件,按照逐点张力法计算张力,并利用输送带垂度条件进行校核,进而获得相关设计参数并进行设备选型。

4)运作(O):根据选型计算结果,绘制零部件图及系统总图,并编制相关技术文件。此外,还需撰写总结报告,向教师及其他学生展示设计图纸,说明设计流程与步骤,并讨论设计过程中遇到的问题与不足。

经过带式输送机选型设计的项目教学,完成井下下运带式输送机的选型设计,部分设计参数如表1所示。

表1 选型设计部分参数

4结语

矿山机械课程中引入CDIO项目教学理念,将专业知识的传授过程项目化,教师、学生的教学活动角色化,充分调动学生的积极性和创造性,在模拟项目执行的过程中高效地完成知识的学习与能力的培养。笔者经过近几年的课堂教学实践,获得良好的教学效果。但矿山机械CDIO教学改革是一项长期而艰巨的任务,在取得初步成效的同时,也存在一些不足,主要表现为:

1)作为一门专业课,矿山机械一般开设在本科四年级上学期,学生考研与就业问题突出,相关活动容易干扰正常的教学活动,影响课程知识的系统性与完整性;

2)学生缺乏项目或产品的开发经验,项目教学流程较为陌生,需要一段时间去熟悉与适应;

3)传统的课程考试或考查手段已不能适应CDIO工程教学模式,课程相关的考核与评价体系亟待建立。

对于以上不足之处,将认真思考,在今后的实践中不断探索和完善,为高质量的矿山机械工程技术人才的培养打下坚实的基础。

(来源:2017年第14期《中国教育技术装备》)

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