以问题为导向的研究生教学模式探索

—以《矿山机械设计理论及应用》课程为例

尹中会 ，张安宁，张立祥     

（安徽理工大学  机械工程学院   安徽  淮南  232001）

[摘  要]：为了提高研究生专业课程的课堂教学效果，本文提出以问题为导向的研究生教学模式。在以问题为导向教学的课前准备和课堂教学活动中，根据教学大纲的要求和教学内容的安排，首先设计相关的问题并分组布置，让学生在课前预习时针对问题进行独立思考。其次在课堂教学中以问题为导向，教师通过问题对学生进行引导，答疑解惑，学生通过小组讨论、汇报问题解决方案，让每个学生结合自己的研究方向参与课堂。最后根据培养目标的达成度去对教学效果进行考核。该方法运用在2020届研究生矿山《机械设计理论及应用》课程的教学实践中，取得了满意的效果。

[关键词]：问题导向；研究生教学；教学研究；矿山机械设计理论及应用；培养目标

[基金项目]:2020年安徽省教育厅高等学校省级质量工程项目：“矿井提升虚拟仿真实验教学项目”，编号：2020xfxm16

[作者简介]：尹中会，女，（1970-），汉族，安徽舒城人，工学博士，硕士生导师，安徽理工大学机械工程学院副教授，研究方向：机械设计及理论；张安宁，男，（1961-），汉族，山东栖霞人，工学博士，硕士生导师，安徽理工大学机械工程学院教授，研究方向：机械设计及理论；张立祥，男，（1966-），汉族，籍贯安徽省天长市，现在工作单位地址安徽省淮南市，学位硕士，硕士生导师，安徽理工大学机械工程学院教授，研究方向：矿山机械。

[中图分类号]：G640.2     [文献标志码]：A   

引言

教育部学位与研究生发展教育中心的关于“研究生教育”的官方解释为：“研究生教育”是指大学本科教育后进行的培养高层次专门人才的一种学历教育，属于高等教育的最后阶段，通常分为硕士研究学位和博士研究生学位两个层次。与本科生的培养相比，研究生教育阶段更加注重科研和解决问题能力的培养和训练^[1]。

以问题为导向（problem based learning FBL）是基于现实世界的，以学生为中心的教育模式，以学生主动学习为主，引导学生自主思考解决问题的方法，教学过程中教师慢慢“隐退”，仅在关键时刻起到点拨、联系与指导的作用。教师不再是唯一的知识库，而是知识构建的促进者，学科专家和信息的咨询者^[1]。教学过程是在授课教师的指导和整体控制下，把学习的知识点以“问题”的形式呈现给学生，让学生在分析，探索解决问题的过程中，掌握“问题”本质的科学知识。其核心理念是让“问题”去指导学生的学习过程，充分调动学生的积极性和主观性，进而在教学过程中培养学生发现问题，解决问题和自主学习的技能 ^[2] 。

以问题为导向的教学模式是一种新型的教学方式，是以问题为中心和驱动力，围绕问题组织教学活动。实施以问题为导向的教学活动，以问题为导向，课前预习内容以问题为导向来设计，通过问题引导学生对即将学习的内容产生思考和兴趣。以问题为导向的教学模式可以分为以下步骤：1）设计问题；2）解决问题；3）教学效果考核和达成度评价这几个环节。

1、以问题为导向教学要点设计：

1）《矿山机械设计理论及应用》课程的特点及教学目标要求

安徽理工大学机械专业的特色是矿山机械，研究生培养的很多方向都与该门课程息息相关，该课程教学的目标达成度的情况很大程度上支撑着培养目标和毕业要求指标达成情况^[3]。

首先根据学校硕士研究生的培养目标要求，制定《矿山机械设计理论及应用》的研究生教学大纲，大纲规定教学目标如下：通过本课程的教学使学生掌握煤矿常见的采掘机械、支护设备、提升运输设备和流体机械等矿山机械的用途、工作原理、主要结构、性能和选型方法等；同时使学生了解现代矿山机械的前沿发展现状和趋势，技术标准与设计规范及相关运行维护知识，掌握矿山机械设备的选型设计理论与方法，初步具有分析和解决实际工程问题的能力。

上述教学目标要支撑下列培养要求，即掌握解决机械工程问题所需的专业基础知识，并具备对其应用的能力，了解机械领域的行业发展现状和趋势；能够结合文献研究方法，对机械领域的复杂工程问题进行设计分析，形成有效的结论；能够认识工程实施中的社会、健康、安全法律及文化问题和毕业要求；能够理解机械工程实践在环境保护和社会可持续发展的内涵和意义。

2）设计问题

《矿山机械设计理论及应用》课程在研究生一年级开设，属于专业选修课程，选课的学生主要是后续要从事与矿山机械方向相关的研究。该阶段的学生是研究生的入门阶段，主要任务是基础理论知识的学习，包括研究生知识结构的完善和补充、文献查阅和管理、学术报告的准备和讲解等。在研究生进入课题研究之前必须具有一定的基础知识储备以及进行科研的基本能力。教师在此阶段可以通过专题讨论的形式对矿山机械学科前沿技术研究进展展开介绍，使得研究生对矿山机械国际学术前沿研究有全面的了解，为自己的未来研究方向奠定一定的基础。通过对研究生入门阶段基础知识的普及，增强研究生进行该学科研究的兴趣，提升研究生推动学科进步与发展的社会责任感。

教师根据教学内容分层次由浅入深提出问题，问题主要是对所要学习的知识点进行梳理。根据研究方向来分类，《矿山机械设计理论及应用》这门课程问题可以分为设计类和应用类。设计类主要涵盖采掘、运输、提升、支护和流体系统的整机或部件设计，内容主要包括：方案（功能）设计、参数设计、结构设计等。这里的问题可以围绕设计的基本理论计算展开，用图纸的形式展示设计的结构，通过仿真分析结构的机械性能是否满足设计要求。例如运输机械系统中，立井提升系统的选型设计，带式输送机选型设计，掘进机截割头设计等。

设计应用类的问题主要是结合工程实际中的问题，开发新产品，新技术，利用新技术新方法来解决问题，把新的创新成果运用到工程实际中，使原有的设备更加安全高效地生产，把原来没有的新技术、新产品、新设备运用到生产中去。前沿技术、智能化，新结构，新功能等，这类问题主要是培养学生解决工程实际问题的能力。例如采掘机械中，目前最先进的掘进设备有哪些？最先进的掘进工艺有哪些？智能化的掘进设备有哪些？如何实现智能化？其他类型矿山机械以此类推。这类问题涉及到学科前沿知识，需要查阅大量最新的参考文献和研究动态。也和学生后期的研究方向息息相关，因此这类问题的设计是围绕不同类型的矿山机械设备展开，学生根据自己的研究方向选择性地进行研究。

2、教学及问题的解决引导

1） 布置问题

矿山机械包括采煤、掘进、支护、运输、提升、流体等类型。让学生按照研究方向和学习兴趣分成若干小组，每个小组承担一个问题，学生选择问题的根据一是自己的研究方向，另外一个就是自己的学习兴趣，兴趣是最好的老师，能够驱使学生主动地去探索。

课堂讲授，教师针对某一类矿山机械进行课堂讲授，结合参考书目，现场录像以及虚拟仿真动画以及专题报告的形式。对于《矿山机械设计理论及应用》这门课程，首先要了解矿山机械设备的功能，功能是问题的核心^[4]。问题的设计应围绕不同种类矿山机械的功能展开，为实现该功能需要的结构，工作原理和技术要求。参考书本上讲述的内容都是以文字、简图的形式给出，学习起来抽象枯燥，难以理解。因此讲授这部分内容引用大量的三维动画和现场的录像来讲解，学生从三维动画上清晰地了解系统的结构，工作原理和工作过程。例如滚筒采煤机的结构组成和工作原理，利用三维动画展示其基本结构三大块：工作机构、行走机构和机身。截割臂上的截割电机+截割减速器+滚筒结构完成采煤装煤功能；行走电机+行走减速器+行走轮结构完成行走功能；机身将工作机构、行走机构、变压器、变频器、油泵箱连接成一个整体；三维动画同时还能模拟截割部和行走部的运动，这样每个部件动作都能非常清楚地展现出来。

现场的录像可以展示矿山机械的作用、工作场所及工作环境，使机械设备具体化、形象化，易于理解和掌握。例如综采工作面的录像可以让学生熟悉井下采煤现场环境，采煤机、液压支架、刮板输送机如何进行三机配套完成采煤、支护、运煤的功能：采煤机在液压支架的掩护下沿着刮板输送机往复移动，截割滚筒负责割煤和装煤，液压支架的支撑和掩护提供了安全的工作面空间，刮板输送机将采煤机落下的煤矿运离工作面，同时为采煤机提供行走的轨道和为液压支架提供移动的支点，每种设备的工作过程都非常直观和清晰。每次看到这样的录像，学生的反应都是太辛苦了，环境太恶劣了，如何改善井下的采煤环境，减轻工作强度等问题会促使学生考虑如何利用现在的远程控制和无人操作技术的实现和应用。

对于学科前沿技术，参考书本上这部分内容很少，教师通过查阅整理大量的文献以专题报告的形式向学生展示，同时布置学生也要查阅相关资料用来讨论问题。例如重大装备中的8.8米液压支架，无人驾驶的矿车，智能控制的刮板输送机，不要打地基的皮带输送机等先进设备的介绍和演示，专题报告—智能化开采技术及其装备等。学生通过这些煤矿机械设备的前沿技术的学习，了解国内外矿山机械领域最新的发展动态，最新的技术应用状态以及未来的发展趋势，激发学生的学习热情、兴趣和探索精神，为学生提供更为广阔的研究空间。

2）讨论解决问题，这个阶段需要教师和学生之间的积极互动，小组成员分别承担问题的一个方面，先独立思考，查询资料，然后相互讨论形成结论。对于某项功能的实现每位学生可以有自己的结构，对于某项技术的实现每位学生都可以有自己的方案，这时学生可以广开思路，大胆设计。例如智能控制技术在采煤工作面运输机械系统中的应用—智能挂板输送机。为了提高采煤工作面刮板输送机的安全高效运行，减少人工故障检测和维修强度。学生此时要解决的是上述的智能化操作采用什么技术来实现？这里涉及机械，电控，软件编程等多个学科方向共同协调，可以根据自己的研究方向来选择某个学科要解决的问题。

3）问题的解决引导

在以问题为导向的课堂教学活动中，学生是课堂的主角，教师的主要任务是引导学生来理解问题，对学生的学习疑问进行答疑解惑，帮助学生找到解决问题的方法。特别是一些工程实际问题，可以利用以往现场工作经验来进行解决。每个小组的讨论结果用PPT的形式来展示，PPT的内容可以包括每位学生的观点，由组长概括并指定组员陈述，可以有一个组员代表来陈述，其他组员补充，也可以由每个组员分别陈述问题的一个方面。每组陈述完成，指导教师给与分析和纠正。研究生学习的目的是后面的论文，因此本阶段可以培养学生查阅参考文献，总结参考文献，合理利用参考文献的能力。例如刮板输送机驱动链轮组件的设计分析研究，针对某种型号的刮板输送机的链轮组件，采用有限元分析的方法来研究，小组成员通过分工合作完成圆环链的建模、链轮的建模、圆环链和链轮啮合的静态接触有限元分析、动态特性分析工作，老师指导整个工作过程，对分析结果加以指导和纠正，这样每位小组成员不仅可以得到独立锻炼，同时也锻炼了成员间的协作能力。

在《矿山机械设计理论及应用》的案例教学中，可推荐参考文献、现场录像以及模拟动画来帮助学生对基础理论知识和综合知识的理解掌握。参考文献有教材、现行规范、专著手册等。教材选用中国矿业大学出版社《矿山机械》（第二版）；现行的规范有《煤矿安全规程》，《煤矿安全标准规范》，各类设备的设计标准，例如钢丝绳的设计标准；专著手册，学校的网络资源有中文文献和英文文献等。除了上述文献参考资料，学生还可以充分利用学院的沉浸式矿山虚拟仿真实验室教学平台。安徽理工大学机械机械学院建立了基于G-float虚拟现实的煤矿生产系统试验教学平台，采用背投和正投相结合的方式，配合完美的拐角连接技术来展现三维现实环境。这种虚拟仿真平台补充了目前学生下井不方便的缺陷，让学生犹如置身煤矿井下的生产现场，对煤矿机械的结构和运行有了直观的感受和体验，对学生考虑煤矿机械设备的功能要求和技术实现提出了具体的要求。

3、教学效果考核及目标达成度评价

本科专业认证体系中课程目标的达成度是检验教学效果的一项重要指标^[5]，是对课程考试的达成情况的计算分析，达成度的数值反应教学活动对教学目标的支撑程度，即达到培养目标的程度称之为达成度^[3]。研究生教学效果的评价方法可以借鉴上述方法做定性的分析。运用以问题为导向的教学方法，考核方式为平时成绩+期末考核的综合形式，两种各占50%。平时成绩包括学生讨论问题的表现，查阅参考文献的能力，解决实际工程问题的能力等；期末考核的方式是以大论文的方式进行，结合自己的研究方向撰写学术论文，论文的观点、思路、方法、结论等都可以看作是考核的点。授课教师根据每位同学的平时成绩和大论文的质量给出综合成绩。该方法在研究生2020级试运用后，取得了较好的效果，学习主动性提高，自由学习，参与意识的增强，综合业务能力增强，学习效果反馈及时。完成了教学大纲的培养要求，在以后的研究生教学活动中将继续探索运用该方法，不断地提高研究生专业课程的教学效果。

[参考文献]

[1]高培虎，郭永春，杨忠等. 问题启发与专题研讨相结合的材料类研究生教学新模式[J]，铸造技术，2020,41（1）：91-95

[2]王建，赵国生. 基于问题的教学模式在研究生教学中的探索_以_信息系统安全工程_教学改革为例[J]，黑龙江高教研究，2016,11：91-94

[3]尹中会，张安宁，张立祥. 工程教育课程目标达成度计算方法研究[J]，教育教学论坛，2020,1（14）：136-138

[4]尹中会，张安宁，苏畅. 以功能为导向的翻转课题教学方法探索——以滚筒采煤机的截割为例[J]，教育教学论坛，2020,12（151）：300-302

[5]尹中会，张安宁，苏畅. 以专业认证为契机提升矿山机械教学质量的方法研究[J]，教育教学论坛，2019,5（20）