基于通风系统模型制作的学生实践创新能力培养探讨

王子云 庄世勇 王寰宇

[摘要]该研究以采矿工程专业学生制作通风系统模型为例，阐述了模型制作的过程与现实意义，期望对培养学生的实践创新能力有所帮助。

[关键词]实践创新;模型制作;通风系统

[中图分类号]G64 [文献标识码]A [文章编号]2095-3437（2019）12-0021-03

应用型人才的培养，关键是培养其实践能力，而本科层次的应用型人才培养，其培养目标应定位于创新型应用型人才培养。这类人才不但要具有实践能力、动手操作能力，而且应具有创新能力和创新精神。实践能力是指具有主观能动性的人有目的地、自觉地改造客观对象和解决实际问题的能力。创新能力是指人们在各种社会实践活动中，运用已有的思想、方法、理论和技术，开展变革现实活动、产生新事物并不断提供有价值的使社会受益的能力。在应用型人才培养的浪潮中，高校应该积极为学生创造实践的平台和条件。

通风工程实验室就为采矿工程专业学生提供了这样一个平台。通风工程实验室主要服务于采矿工程专业本科生矿井通风课程及相关地下开采课程的实践教学。矿井通风课程是采矿工程专业本科生的一门专业必修课，要求学生通过该课程的学习，能够掌握矿井通风与防尘的基本规律和基本原理，掌握矿内风流运动的规律、矿井通风管理与检测技术以及矿井通风的设计与计算方法，从而使学生具有从事矿井通风与安全相关的科研、设计和管理工作的能力，为学生更好地从事矿山的开发和管理奠定基础。

一、通风系统模型的制作

（一）通风系统模型制作的目的

矿井通风课程的特点是实践性、应用性强，传统的教学方法主要以理论教学、课堂讲授为主。随着矿山开采进度的推进，开采深度不断增加，井下温度、湿度、压力等气候条件也会随着发生很大变化。为给井下工人创造良好的工作条件和工作环境，必须加强矿井通风。在这种情况下，以传统的教学方法培养的通风技术人才已经无法满足企业需求。学生普遍反映该课程的学习难度较大。目前大部分矿井已转入地下开采，但是由于种种原因，学生到矿山实习的机会非常少，这就导致学生对抽象的课本知识理解起来比较困难，很难弄清楚井下各种通风巷道之间的空间关系和位置关系。利用通风系统模型能够形象直观地展示矿体的产状以及各种巷道之间的关系，从而使学生对通风系统有更为深刻的理解和认识。

（二）通风系统模型的分类

通风系统模型按照物理性质一般可以分为两大类，即实体仿真模型和虚拟模型。实体仿真模型通常是用各种材料按照一定的比例和尺寸组装而成。这些材料可以是强度较低但易于加工的塑料、木材，也可以是强度大但不易加工的金属类材料。这类模型可以直观地展示通风系统各种巷道及构筑物在井下的位置关系与分布。除了这一特点外，还可以在这种模型上附加各种电子电气元件和操作控制系统，从而使观察者可以进行手动操作演示。虚拟模型即数字模型，它是利用现代计算机技术以及各种数字软件做成的非实物模型。比如可以利用Datamine、3Dmine等软件制作矿井通风系统通风网络结构虚拟模型。

（三）通风系统模型制作的过程

1.确定模型制作的内容及分工

在进行模型制作前，学生必须明确所做模型的类型及主要内容，指导教师也要对项目组成员有所了解，然后在此基础上按照学生自身的优缺点进行分工，尽可能地发挥他们的优势和长处。在进行分工前，指导教师应该确定项目组组长的合适人选与职责，然后与组长一起确定项目组其他成员的分工。

本次模型制作类型为物理实体仿真模型，该模型可以展示某金属矿整个通风系统。该项目研究内容主要包括以下几个方面：一是研究矿井通风系统的主要类型、适用条件及优缺点，二是研究各种通风系统的基本结构特征与结构参数，三是研究矿井通风系统中中段通风、采区通风的结构特征及通风路线，四是研究通风附属构筑物在通风系统中的作用及合理配置。

2.确定模型制作的进度计划

凡事预则立，不预则废，制定合理而周密的进度计划是保证项目顺利完成的前提。这项工作可以由项目组组长牵头完成，指导教师做适当调整即可。由于模型制作是一项复杂的设计工作，涉及本专业的诸多知识，而且有些知识点在课本上无法获取，这就需要进行调查研究。调研文献资料时，指导教师可以有针对性地指定一些相关的参考资料，这些资料可以是网络的电子资料，也可以是图书馆的纸质资料。但不论是哪种资料，一定要由学生自己亲自查阅找到答案，而不是由教师直接给他们答案，这样才能提高他们学习的兴趣和主动性。现场实地调研则是到矿山井下对矿井通风系统进行观摩学习，以便将理论知识和现场实际生产加以对比。由于目前矿山企业的特殊性，这是最难执行的，但也是对模型制作最为有价值的调研。项目组充分利用学校建立的校企关系网，多次到当地的地下矿进行了通风系统考察调研，充分了解了目前金属矿山地下矿通风系统的特点，为下一步的模型制作打下了坚实基础。

3.分析资料并确定设计方案

在完成上述调研工作以后，学生的理论知识储备基本能满足模型制作的要求。回到实验室后要进行资料汇总和分析并最终确定设计方案。这一工作应该由项目组学生完成，指导教师对最终的设计方案进行点评指导，查漏补缺。如前所述，通风系统和开拓系统、采矿方法联系紧密，而金属矿山的矿床开拓方法和采矿方法非常之多，不同类型的开拓方法和采矿方法的组合就构成了完全不同的通风系统。在确定设计方案的过程中，学生要对这些开拓方法和采矿方法的基本构成、适用条件、优缺点等有详尽的了解。完成这项工作后，学生对所学的矿井通风及其他相关课程的理论知识都会有更为深刻的理解和认识。

本模型最终确定的设计制作方案是这样的：以竖井开拓为主要开拓方法，采用下盘竖井开拓，主、副井集中布置;主井为箕斗井，用来提升矿石，兼做回风井;副井为罐笼井，用来运送人员、材料、设备并兼做人風井;井底车场以双环形井底车场为例进行制作，设置有主副井重车线、空车线及调车线，车场附近设置有调度室、变电所、水泵房、候罐室等;以浅孔留矿采矿方法为例进行制作，采用装岩机出矿平底装车的底部结构;采用中央并列式通风，新鲜空气由副井进入井下，通过石门进入沿脉运输巷道，再由沿脉巷道进入穿脉，由穿脉进入上部的人行通风井，清洗工作面后由上部的回风平巷进入主井排出地表。

4.完成模型制作

制作过程是模型制作最关键也是最烦琐的一项工作。在这个过程中，指导教师要给予学生足够的自由空间，最大限度地发挥他们的主观能动性。在此期间，学生必然会遇到很多困难，指导教师应适时地进行启发点拨，但不是代替学生去解决这些问题。在这个过程中，教师是引导者和组织者，处于主导地位，指导学生查阅资料和积极地思考分析，而学生是完成制作任务的真正的主体。

（1）绘制模型图纸

在模型设计制作方案确定以后，首先要做的就是按一定比例尺绘制所要制作模型的图纸。图纸是模型制作成功与否的关键所在，因为图纸真实地反映了模型各个部位之间的空间位置关系，它是模型制作的指挥棒。这些图纸包括从宏观上把握布局的总设计图，还包括局部地反映细枝末节的细部图，都由学生亲自完成绘制。

（2）选取制作材料

制作材料的选取要考虑制作成本、材料加工、硬度、材料透明度、模型运输等因素。不同的制作材料有不同的优缺点，综合考虑以后本次模型制作选取4mm厚的有机玻璃板。这种材料的优点在于坚固、易于加工制作而且透明度高，有利于观察者看到模型内部的结构。

（3）加工与打磨材料

买回来的有机玻璃板都是一整张的，需要学生按照模型各個部位尺寸大小进行裁剪、切割并进行必要的打磨。这个过程尤其要提醒学生裁剪、切割的方式方法，避免材料无谓的浪费。同时要提醒学生注意安全，避免造成人身伤害。

（4）组装模型

组装是模型制作的最后一步，即将较小的部件组装成为较大的部件，再将较大的部件按照总设计图纸组装成为整个模型。学生在组装过程中必然会因加工误差而造成有些部件无法衔接，这就要指导学生耐心地对这些部件进一步修改完善。

二、通风系统模型制作的意义

（一）有助于提高学生学习的兴趣与积极性

伟大的科学家爱因斯坦说过：兴趣是最好的老师。兴趣可以激发人的创造热情、好奇心和求知欲。如前所述，矿井通风课程作为采矿工程专业的一门主要专业课，涉及了理论、实践和设计等多方面内容，有一定的学习难度。传统的矿井通风课程的教学过程往往是这样的：教师在课堂讲解理论知识，学生完成课后思考题，同时教师结合理论知识开展课内实验教学。学生虽然在实验课也有动手实践的机会，但基本上都是以验证性实验为主，学生按照实验要求依葫芦画瓢地完成实验任务，并没有能够很好地激发学生的创造性和主动性。而通风系统模型制作则不然。当给学生理论结合实践的机会时，他们会发现自身理论知识的匮乏，这就会促使他们带着兴趣更主动地去学习。

（二）有助于学生学习采矿相关课程的知识

矿井通风系统与矿床开采的开拓系统、采矿方法、运输提升等都有紧密的联系。开拓是矿床开采的第一步，采矿方法则是对矿块的采准、切割和回采等工作的总称。矿床开拓要开掘一系列巷道，如井底车场、石门、阶段运输巷道、采准巷道及各种硐室，这些巷道将矿块和井筒等开拓巷道连接起来，从而形成完整的运输、通风、排水等系统。这样才能在保证将矿块采出的矿石运到地表、材料设备运到井下的同时，将从人风井进来的新鲜空气顺利输送至各工作面，各工作面形成的污风顺利地由回风井排出，从而为工人创造良好的工作环境。不同的采矿方法会有不同的采场底部结构，不同的采场底部结构则会形成不同的采场通风网络。合理的采场通风网络和通风方法，是保证整个通风系统发挥有效通风作用的最终环节，是整个通风系统的重要组成部分。比如对于无出矿水平的巷道型或硐室型采场，风路简单，通风容易，一般采用主扇的总风压形成贯穿风流通风;而对于分段及阶段矿房法等采矿方法，则应广泛采用出矿底部结构，在利用贯通风流通风的同时保持风流方向稳定、分配均匀，避免凿岩作业面和出矿水平之间风流的串联。通过制作通风系统模型，可以使学生更清楚地了解主要开拓巷道、辅助开拓巷道、采场的采切工程、底部结构等工艺，从而对矿床的开采顺序、开采步骤等有更深刻的理解和认识。

（三）有助于培养学生的空间思维能力

空间思维能力就是人对现实世界的物体和图形的形状、大小及位置的理解和把握的一种能力。采矿工程专业研究的对象是埋藏在地表以下几百米甚至上千米的矿体，学生是无法直接用肉眼观察的，这就需要学生充分利用空间思维能力。矿井通风巷道遍布井下，纵横交错，种类繁多。制作通风系统模型，不仅要有扎实的理论知识做基础，而且要有丰富的空间想象能力。比如，入风井和回风井的位置关系，直接决定了所采用的通风方式;阶段进风巷道、阶段回风巷道、矿井总回风巷道等巷道的空间关系和连接方式，决定了所采用的通风网络结构类型。只有理清了这些巷道的空间位置关系，做出的模型才有可能与真实的矿井通风系统结构相符。

（四）有助于提高学生的实践动手能力

实践就是人们能动地改造和探索现实世界一切客观物质的社会性活动。中国自古以来就非常重视实践，比如孔子说过的“学而时习之，不亦说乎”的“习”字，就是实践的意思。还有“行是知之始，知是行之成”“临渊羡鱼，不如退而结网”等诸多名言警句都揭示了实践的重要性。当今世界科学技术发展日新月异、突飞猛进，企业对高素质人才的要求也越来越高。对于刚离开校园迈人社会的学生来说，不仅要具备扎实的理论基础，还要具备一定的实践动手能力。通风系统模型的制作就是一项非常好的实践项目。制作通风系统模型实际上也是一个通风系统设计的过程，而且这个设计结果要用物理模型或者数字模型体现出来。学生在这个过程中，从理论一实践一理论一实践，从确定设计主题一制定计划一调查研究、分析数据一确定设计方案一完成模型制作，每一步都需要他们深入地思考和耐心地操作，这就能够使他们增强合作意识与实践动手能力。

三、结语

实践创新能力的培养是目前大众创业、万众创新背景下高校专业教育的一项重要任务。实践培养人才，实践体现能力，而人才的创新能力在实践中也能够得到激发和锻炼。本研究通过组织引导学生制作通风系统模型，提高了学生的动手操作能力，培养了学生的团队协作精神，更为重要的是激发和培养了学生的实践创新思维，使学生敢于思考、勇于创新，为学生今后走上工作岗位打下了基础。