尹中會 張安寧 張立祥

[摘 要] 為提高研究生專業(yè)課程的課堂教學效果，提出以問題為導向的研究生教學模式。在以問題為導向教學的課前準備和課堂教學活動中，根據(jù)教學大綱的要求和教學內(nèi)容的安排，首先設計相關的問題并分組布置，讓學生在課前預習時針對問題進行獨立思考。其次在課堂教學中以問題為導向，教師通過問題對學生進行引導，答疑解惑，學生通過小組討論匯報問題解決方案，讓學生都能結(jié)合自己的研究方向參與課堂。最后根據(jù)培養(yǎng)目標的達成度對教學效果進行考核。該方法在2020級研究生“礦山機械設計理論及應用”的課程教學中進行了實踐，取得了滿意的效果。

[關鍵詞] 問題導向;研究生教學;教學研究;礦山機械;培養(yǎng)目標

[基金項目] 2020年度安徽省教育廳高等學校省級質(zhì)量工程項目“礦井提升虛擬仿真實驗教學項目”（2020xfxm16）;2020年度安徽省教育廳省級教學示范課“礦山機械”（782）

[作者簡介] 尹中會（1970—），女，安徽舒城人，工學博士，安徽理工大學機械工程學院副教授，碩士生導師，主要從事機械設計及理論研究;張安寧（1961—），男，山東棲霞人，工學博士，安徽理工大學機械工程學院教授，碩士生導師，主要從事機械設計及理論研究;張立祥（1966—），男，安徽天長人，碩士，安徽理工大學機械工程學院教授，碩士生導師，主要從事礦山機械研究。

[中圖分類號] G643.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）24-0128-04 [收稿日期] 2021-08-11

引言

教育部學位與研究生發(fā)展教育中心關于“研究生教育”的官方解釋為：研究生教育是指大學本科教育后進行的培養(yǎng)高層次專門人才的一種學歷教育，屬高等教育的最后階段，通常分為碩士研究生學位和博士研究生學位兩個層次。與本科生的培養(yǎng)相比，研究生教育階段更加注重科研和解決問題能力的培養(yǎng)和訓練[1]。

以問題為導向（Problem-based Learning， PBL）是基于現(xiàn)實世界的，以學生為中心的教育模式，以學生主動學習為主，引導學生自主思考解決問題的方法，教學過程中教師慢慢“隱退”，僅在關鍵時刻起到點撥、聯(lián)系與指導的作用。教師不再是唯一的知識庫，而是知識構(gòu)建的促進者，學科專家和信息的咨詢者[1]。教學過程是在授課教師的指導和整體控制下，把學習的知識點以“問題”的形式呈現(xiàn)給學生，讓學生在分析，探索解決問題的過程中，掌握“問題”本質(zhì)的科學知識。其核心理念是讓“問題”去指導學生的學習過程，充分調(diào)動學生的積極性和主觀性，進而在教學過程中培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題，解決問題和自主學習的技能[2]。

以問題為導向的教學模式是一種新型的教學方式，是以問題為中心和驅(qū)動力，圍繞問題組織教學活動，通過問題引導學生對即將學習的內(nèi)容產(chǎn)生思考和興趣。以問題為導向的教學模式可以分為以下步驟：（1）設計問題;（2）解決問題;（3）教學效果考核和達成度評價。

一、以問題為導向教學要點設計

（一）“礦山機械設計理論及應用”課程的特點及教學目標要求

安徽理工大學機械專業(yè)的特色是礦山機械，研究生培養(yǎng)的很多方向都與該門課程息息相關，該課程教學的目標達成度很大程度上支撐著培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求指標達成情況[3]。

首先根據(jù)學校碩士研究生的培養(yǎng)目標要求，制定“礦山機械設計理論及應用”課程研究生教學大綱，大綱規(guī)定教學目標如下：通過本課程的教學使學生掌握煤礦常見的采掘機械、支護設備、提升運輸設備和流體機械等礦山機械的用途、工作原理、主要結(jié)構(gòu)、性能和選型方法等內(nèi)容;同時使學生了解現(xiàn)代礦山機械的前沿發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，技術(shù)標準與設計規(guī)范及相關運行維護知識，掌握礦山機械設備的選型設計理論與方法，初步具有分析和解決實際工程問題的能力。

上述教學目標要支撐下列培養(yǎng)要求，即掌握解決機械工程問題所需的專業(yè)基礎知識，并具備對其應用的能力，了解機械領域的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢;能夠結(jié)合文獻研究方法，對機械領域的復雜工程問題進行設計分析，形成有效的結(jié)論;能夠認識工程實施中的社會、健康、安全法律及文化問題和畢業(yè)要求;能夠理解機械工程實踐在環(huán)境保護和社會可持續(xù)發(fā)展中的內(nèi)涵和意義。

（二）設計問題

“礦山機械設計理論及應用”課程開設于研究生一年級，屬于專業(yè)選修課程，選課的學生主要是后續(xù)要從事與礦山機械方向相關的研究。該階段是研究生的入門階段，主要任務是基礎理論知識的學習，包括研究生知識結(jié)構(gòu)的完善和補充、文獻查閱和管理、學術(shù)報告的準備和講解等。研究生在進入課題研究之前必須具有一定的基礎知識儲備及進行科研的基本能力。教師在此階段可以通過專題討論的形式對礦山機械學科前沿技術(shù)研究進展展開介紹，使得研究生對礦山機械國際學術(shù)前沿研究有全面的了解，為自己未來的研究奠定一定的基礎。通過對研究生入門階段基礎知識的普及，增強研究生進行該學科研究的興趣，提升研究生推動學科進步與發(fā)展的社會責任感。

教師根據(jù)教學內(nèi)容分層次由淺入深提出問題，問題主要是對所要學習的知識點進行梳理。根據(jù)研究方向來分類，“礦山機械設計理論及應用”課程的問題可以分為設計類和應用類。設計類主要涵蓋采掘、運輸、提升、支護和流體系統(tǒng)的整機或部件設計，內(nèi)容主要包括：方案（功能）設計、參數(shù)設計、結(jié)構(gòu)設計等。這里的問題可以圍繞設計的基本理論計算展開，用圖紙的形式展示設計的結(jié)構(gòu)，通過仿真分析結(jié)構(gòu)的機械性能是否滿足設計要求。例如運輸機械系統(tǒng)中，立井提升系統(tǒng)的選型設計，帶式輸送機選型設計，掘進機截割頭設計等。設計應用類的問題主要是結(jié)合工程實際中的問題，開發(fā)新產(chǎn)品，新技術(shù)，利用新技術(shù)新方法來解決問題，把新的創(chuàng)新成果運用到工程實際中，使原有的設備更加安全高效地生產(chǎn)，把原來沒有的新技術(shù)、新產(chǎn)品、新設備運用到生產(chǎn)中去。前沿技術(shù)、智能化，新結(jié)構(gòu)，新功能等，這類問題主要是培養(yǎng)學生解決工程實際問題的能力。例如采掘機械中，目前最先進的掘進設備有哪些？最先進的掘進工藝有哪些？智能化的掘進設備有哪些？如何實現(xiàn)智能化？其他類型礦山機械以此類推。這類問題涉及學科前沿知識，需要查閱大量最新的參考文獻和研究動態(tài)。也和學生后期的研究方向息息相關，因此這類問題的設計是圍繞不同類型的礦山機械設備展開，學生根據(jù)自己的研究方向選擇性地進行研究。

二、教學及問題的解決引導

（一）布置問題

礦山機械包括采煤、掘進、支護、運輸、提升、流體等類型。讓學生按照研究方向和學習興趣組成若干小組，每個小組承擔一個問題，學生可根據(jù)研究方向和學習興趣討論選擇問題，興趣是最好的老師，能夠驅(qū)使學生主動探索。

教師針對某一類礦山機械進行課堂講授，結(jié)合參考書目、現(xiàn)場錄像、虛擬仿真動畫及專題報告的形式。對于“礦山機械設計理論及應用”課程，首先要了解礦山機械設備的功能，功能是問題的核心[4]。問題的設計應圍繞不同種類礦山機械的功能展開，為實現(xiàn)該功能需要的結(jié)構(gòu)、工作原理和技術(shù)要求。參考書本上講述的內(nèi)容都是以文字、簡圖的形式給出，學習起來抽象枯燥，難以理解。因此講授這部分內(nèi)容時可引用大量的三維動畫和現(xiàn)場錄像，學生從三維動畫中可清晰地了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和工作過程。例如滾筒采煤機的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，利用三維動畫展示其基本結(jié)構(gòu)三大塊：工作機構(gòu)、行走機構(gòu)和機身。截割臂上的截割電機+截割減速器+滾筒結(jié)構(gòu)完成采煤裝煤功能;行走電機+行走減速器+行走輪結(jié)構(gòu)完成行走功能;機身將工作機構(gòu)、行走機構(gòu)、變壓器、變頻器、油泵箱連接成一個整體;三維動畫同時還能模擬截割部和行走部的運動，這樣每個部件動作都能非常清楚地展現(xiàn)出來。

現(xiàn)場的錄像可以展示礦山機械的作用、工作場所及工作環(huán)境，使機械設備具體化、形象化，易于理解和掌握。例如綜采工作面的錄像可以讓學生熟悉井下采煤現(xiàn)場環(huán)境，采煤機、液壓支架、刮板輸送機如何進行三機配套完成采煤、支護、運煤的功能：采煤機在液壓支架的掩護下沿著刮板輸送機往復移動，截割滾筒負責割煤和裝煤，液壓支架的支撐和掩護提供了安全的工作面空間，刮板輸送機將采煤機落下的煤礦運離工作面，同時為采煤機提供行走的軌道和為液壓支架提供移動的支點，每種設備的工作過程都非常直觀和清晰。每次看到這樣的錄像，學生的反應都是“太辛苦了，環(huán)境太惡劣了”，思考如何改善井下采煤環(huán)境，減輕工作強度等問題會促使學生考慮如何利用遠程控制和無人操作技術(shù)的實現(xiàn)和應用。

教材及參考書中關于學科前沿技術(shù)的內(nèi)容很少，教師通過查閱整理大量的文獻以專題報告的形式向?qū)W生展示，同時給學生布置查閱相關資料的任務用來討論問題。例如重大裝備中的8.8米液壓支架、無人駕駛的礦車、智能控制的刮板輸送機、不要打地基的皮帶輸送機等先進設備的介紹和演示，專題報告—智能化開采技術(shù)及其裝備等。學生通過對這些煤礦機械設備等前沿技術(shù)的學習，了解國內(nèi)外礦山機械領域最新的發(fā)展動態(tài)、最新的技術(shù)應用狀態(tài)及未來發(fā)展趨勢，激發(fā)學生的學習熱情、興趣和探索精神，為學生提供更為廣闊的研究空間。

（二）討論解決問題

這一階段需要教師和學生之間的積極互動，小組成員分別承擔問題的一個方面，先獨立思考，查詢資料，然后相互討論形成結(jié)論。對于某項功能的實現(xiàn)每個學生可以有自己的結(jié)構(gòu)，對于某項技術(shù)的實現(xiàn)每個學生都可以有自己的方案，這時學生可以廣開思路，大膽設計。例如智能控制技術(shù)在采煤工作面運輸機械系統(tǒng)中的應用—智能掛板輸送機。為保障采煤工作面刮板輸送機的安全高效運行，減少人工故障檢測和維修強度。學生此時要解決的是上述的智能化操作要采用什么技術(shù)，這里涉及機械、電控、軟件編程等多個學科方向共同協(xié)調(diào)，可以根據(jù)自己的研究方向來選擇某個學科要解決的問題。

（三）問題的解決引導

在以問題為導向的課堂教學活動中，學生是課堂的主角，教師的主要任務是引導學生理解問題，對學生的學習疑問進行解惑，幫助學生找到解決問題的方法。特別是一些工程實際問題，可以利用以往現(xiàn)場工作經(jīng)驗來進行解決。每個小組的討論結(jié)果用PPT的形式來展示，PPT的內(nèi)容可以包括每個學生的觀點，由組長概括并指定組員陳述，可以由一個組員代表陳述，其他組員補充，也可以由每個組員分別陳述問題的一個方面。每組陳述完成，指導教師給予分析和糾正。研究生學習的目的是后續(xù)的論文，因此本階段可以培養(yǎng)學生查閱參考文獻、總結(jié)參考文獻、合理利用參考文獻的能力。例如刮板輸送機驅(qū)動鏈輪組件的設計分析研究，針對某種型號的刮板輸送機的鏈輪組件，采用有限元分析的方法來研究，小組成員通過分工合作完成圓環(huán)鏈的建模、鏈輪的建模、圓環(huán)鏈和鏈輪嚙合的靜態(tài)接觸有限元分析、動態(tài)特性分析工作，教師指導整個工作過程，對分析結(jié)果加以指導和糾正，這樣鍛煉小組成員的個人能力，同時也鍛煉了成員間的協(xié)作能力。

在“礦山機械設計理論及應用”案例教學中，可推薦參考文獻、現(xiàn)場錄像及模擬動畫幫助學生對基礎理論知識和綜合知識的理解掌握。參考文獻有教材、現(xiàn)行規(guī)范、專著手冊等。教材選用中國礦業(yè)大學出版社出版的《礦山機械》（第二版）;現(xiàn)行的規(guī)范有《煤礦安全規(guī)程》與《煤礦安全標準規(guī)范》，各類設備的設計標準，例如鋼絲繩的設計標準;專著手冊，學校的網(wǎng)絡資源有中文文獻和英文文獻等。除了上述文獻參考資料，學生還可以充分利用學院的沉浸式礦山虛擬仿真實驗室教學平臺。安徽理工大學機械學院建立了基于G-float虛擬現(xiàn)實的煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)試驗教學平臺，采用背投和正投相結(jié)合的方式，配合完美的拐角連接技術(shù)來展現(xiàn)三維現(xiàn)實環(huán)境。這種虛擬仿真平臺補充了目前學生下井不方便的缺陷，讓學生猶如置身煤礦井下的生產(chǎn)現(xiàn)場，對煤礦機械的結(jié)構(gòu)和運行有了直觀的感受和體驗，對學生考慮煤礦機械設備的功能要求和技術(shù)實現(xiàn)提出了具體的要求。

三、教學效果考核及目標達成度評價

本科專業(yè)認證體系中課程目標的達成度是檢驗教學效果的一項重要指標[5]，是對課程考試達成情況的計算分析，達成度的數(shù)值反映教學活動對教學目標的支撐程度，即達到培養(yǎng)目標的程度稱之為達成度[3]。研究生教學效果的評價可以借鑒上述方法做定性的分析。運用以問題為導向的教學方法，考核方式為平時成績+期末考核的綜合形式，兩種各占50%。平時成績包括學生討論問題的表現(xiàn)，查閱參考文獻的能力，解決實際工程問題的能力等;期末考核以大論文的方式進行，結(jié)合自己的研究方向撰寫學術(shù)論文，論文的觀點、思路、方法、結(jié)論等都可以看作是考核的點。授課教師根據(jù)學生的平時成績和大論文的質(zhì)量給出綜合成績。該方法在2020級研究生試運用后，取得了較好的效果，學生學習主動性提高，自由學習、參與意識與綜合業(yè)務能力增強，學習效果反饋及時。達到了教學大綱的培養(yǎng)要求，在今后的研究生教學活動中將繼續(xù)探索運用該方法，不斷提高研究生專業(yè)課程的教學效果。

參考文獻

[1]高培虎，郭永春，楊忠，等.問題啟發(fā)與專題研討相結(jié)合的材料類研究生教學新模式[J].鑄造技術(shù)，2020，41（1）：91-95.

[2]王健，趙國生.基于問題的教學模式在研究生教學中的探索：以“信息系統(tǒng)安全工程”教學改革為例[J].黑龍江高教研究，2016（11）：91-94.

[3]尹中會，張安寧，張立祥.工程教育課程目標達成度計算方法研究：以《礦山機械》課程為例[J].教育教學論壇，2020（4）：136-138.

[4]尹中會，張安寧，蘇暢.以功能為導向的翻轉(zhuǎn)課堂教學方法探索：以滾筒采煤機的截割部為例[J].教育教學論壇，2020（51）：300-302.

[5]尹中會，張安寧，蘇暢.以專業(yè)認證為契機提升礦山機械教學質(zhì)量的方法研究[J].教育教學論壇，2019（20）：187-189.

Exploration of the Problem-based Postgraduate Teaching Mode： Taking the Course of Theory and Application of Mining Machinery Design as an Example

YIN Zhong-hui， ZHANG An-ning， ZHANG Li-xiang

（School of Mechanical Engineering， Anhui University of Science﹠Technology， Huainan，

Anhui 232001， China）

Abstract： In order to improve the classroom teaching effect of postgraduate professional courses， a problem-oriented teaching mode for postgraduates is proposed in this paper. In the pre-class self-study and classroom teaching activities of problem-oriented teaching， and according to the requirements of the teaching syllabus and the arrangement of the teaching content， we firstly design some related questions are distribute tasks in groups， so that students can think independently about the questions in pre-class preview. Secondly， in the problem-based classroom teaching， teachers guide the students to learn by answering these questions， and students report their solutions based on group discussion， so that each student can participate in the class with his own research direction. Finally， the teaching effect is evaluated according to the achievement of the training objectives. The method has been applied in the teaching practice of the course of Mining Machinery Design for the postgraduates in 2020， and has achieved satisfactory results.

Key words： problem-based; postgraduate teaching; teaching and research; mining machinery; training objectives