基于“理工医融合”的自主学习与创新能力培养教学设计

胡祖祥，高宇，陈莞尔

（安徽理工大学安全科学与工程学院，安徽淮南 232001）

在提升大学生核心素养的背景下，矿井粉尘防治的基本知识、防治措施的传统教学目标发生了变化，学习理论基础也在变化[1-2]。对于“理工医融合”的矿井粉尘防治理论与职业健康课程教学应当如何设计，是需要认真思考的问题。在“教学过程是师生交往的动态过程、教学过程是教师指导下学生的特殊认识过程、教学过程是一个促进学生身心发展的过程、教学过程是教书育人紧密结合的过程”[3-5]这些对教学本质的宏观理解前提下，本文结合交叉学科特点，融合矿井粉尘防治与职业健康课程内容，根据教学目标对课堂教学进行设计研究。现代信息技术下“互联网+”模式针对大学生自主学习与创新能力培养提出了更高要求[6-8]。为解决大学生自主学习与创新能力提升过程中存在的问题，并探索自主学习与创新能力培养和提升策略，结合矿井粉尘防治理论与职业健康课程的新理论、新技术、新设备及发展趋势，构建了“协作自主学习”与“知识—实践—竞赛”创新能力培养教学过程。

1 教学分析

1.1 教学内容

本课程基础理论知识以除尘降尘展开，通常采用的降尘方式可归纳为两大类：干法除尘与湿法除尘。湿式除尘的工作介质大多采用水雾，喷雾降尘的降尘效率最高，课程以喷雾除尘为重点讲解。课程内容包括喷雾降尘机理、喷雾除尘形式、水的特性对喷雾降尘效果的影响、喷嘴参数对喷雾降尘效果的影响、喷雾系统的参数和布置、喷雾降尘关键技术分析。

1.2 教学目标

按照工程教育专业认证的理念，按照学校的培养定位，依据能力培养要求，结合课程特点进行目标设计。通过矿井粉尘防治理论与职业健康的理论教学和实践教学，希望达到如下目标[9-11]：

1.2.1 知识目标

掌握工业常用除尘降尘技术原理及其在煤矿生产系统中的应用，了解粉尘除尘技术，熟知掘进工作面的尘源分布，熟知掘进工作面各主要工序防尘方法，熟知采煤工作面的尘源分布，熟知采煤工作面各主要工序的防尘方法，了解常见自动喷雾装置和一般喷雾洒水装置，熟知喷雾参数的确定，熟知带式输送机转载点防尘罩的原则布置及主要技术参数的确定。

1.2.2 技能目标

能根据掘进工作面各主要工序产尘特点正确选择防尘方法，能根据采煤工作面各主要工序产尘特点正确选择防尘方法，制定综采工作面综合防尘技术措施及优化措施，能正确选择喷嘴类型，熟知密闭抽尘净化，了解密闭喷雾降尘和其他防尘措施。

1.2.3 素养目标

培养学生跨学科自学能力，在学习理学、工学、医学跨学科专业知识时能够掌握知识间的联系，养成对复杂问题进行深入研究的习惯。培养学生的自学能力和创新思维，充分挖掘学生的学习潜能，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。通过竞赛培养学生创新能力、组织管理能力、沟通协作能力。

2 教学过程设计

2.1 课前新知识、新问题的自主探究阶段

国外学者研究表明，自我效能感与学习动机的影响是相互的，自我效能感越高，就会激发越强烈的学习欲望[12]。其研究普遍证实，学生的自我效能感对学习行为及成就有重要影响，并对其目标定向及学习成绩具有积极的影响[13-14]。课前教学主要通过线上形式开展，教师负责构建课前自主学习所需的矿井除尘相关资料和平台。在平台设计签到活动以督促学生，布置学生针对采掘工作面、皮带转载点等粉尘产生严重区域提出科学合理的粉尘治理新技术方案，再进行投票、讨论等活动，通过对尘源点的治理技术学习引导学生解决自主学习过程中遇到的问题。教师以整个矿井粉尘防治知识体系和矿井粉尘不同污染源的治理方法为基本元素的体系结构，集成丰富多媒体素材资源，方便后期粉尘防治新理论、新技术的更新与扩展，还能开展网上具体尘源治理案例直播授课，帮助学生完成课前自主学习。利用数字融媒体技术，链接多媒体资源和交互VR 资源，展示不同尘源点除尘技术的除尘机理、除尘方式示意图及原理，辅助实践操作。

2.2 课中知识学习与问题解决的提高阶段

2.2.1 知识讲解

教师采用传统授课结合讨论的方式，讲解课程中矿尘粒度、分散度、粒度分布、粉尘的理化性质、粉尘的危害、尘肺病的产生与预防、各除尘方式的除尘原理、优缺点及应用范围等内容，强调知识之间的连通性；教师可以通过演示或选择合理的学习分组代表选取1～2 个知识点讲解粉尘的测定，帮助学生形成知识体系，教师针对知识点，从知识层面引导到应用层面。另外，根据课程每章内容，将相关防尘设备模型或实物展示给学生，例如给学生展示不同规格的喷嘴等；充分利用现代多媒体，如视频播放粉尘爆炸的过程。

2.2.2 问题解决

通过组建学习小组总结学习任务，小组讨论解决自主学习存在的问题；教师引导学生追踪矿井粉尘防治技术的国内外现状和趋势，建构矿井各产尘源的除尘方案和设备选型设计、喷雾降尘系统选型设计等，帮助学生厘清粉尘防治与职业病防控的来龙去脉，为学生对粉尘治理的学习，培养发散思维提供足够的空间。教师引导学生对矿井粉尘各尘源的治理技术、整个矿井粉尘防治知识体系及查阅的矿井除尘相关资料进行梳理、筛选、提取、组合。学生通过查阅文献学习尘源点的治理技术，这个过程可能形成与以往经验不同的路径，由此产生解决问题的方法和策略。教师在帮助学生解决问题的过程中，组织学生按照想法提出创新性除尘方式，并探索其除尘机理，绘制除尘方式示意图。

2.2.3 实验教学

通过设计矿井生产中掘进机、采煤机、运输机以及粉尘监测系统等实体客观结构，虚拟仿真还原矿井粉尘的分布场景，每一名学生都要在实验平台上开展物理实验，深刻理解粉尘监测技术与原理。通过设置喷雾降尘实验开展湿式除尘教学，帮助学生更好地学习喷嘴及喷雾降尘理论，强化矿井粉尘防治应用；还可以设计物理、化学抑尘以及粉尘浓度、粒度分布等检测实验，帮助学生掌握粉尘浓度、粒度及游离二氧化硅含量测定方法，从而全面掌握抑尘剂制备实验步骤以及粉尘采样与检测方法等，结合实验报告及答疑情况完成实验综合考核；学生借助 VR 技术在三维动画虚拟仿真中切身体验矿山粉尘职业危害产生的尘肺演变场景，强化学生对矿山粉尘职业危害防控知识体系的认知。

2.2.4 组织竞赛

学生在学习粉尘相关基础知识后，分组查阅资料、相互讨论完成研究、设计、实验等方面的要求，如对尘源点的创新治理这一项目的设计，需要满足除尘需求的系统或工艺流程、除尘方案和设备选型或仿真模型设计，并在课堂内进行分组演讲，通过学生互评、投票的方式，评选出优秀课程小组代表，设计出的作品可以参加相关竞赛，加深学生对矿井粉尘危害和治理技术的认识。获得竞赛名次的学生同时获得参与粉尘治理项目实施过程的资格，使学生毕业时能够“零距离”上岗。

2.3 课后反思巩固和优化阶段

教师综合分析尘肺病危害及煤尘爆炸危害、尘源点治理与职业病防护、多学科粉尘治理技术各阶段需要的练习量，设计能够培养学生自行设计煤尘爆炸抑爆方案和尘源点除尘技术的问题，难度由低向高过渡，布置能够帮助学生掌握粉尘相关研究的任务或活动，如在保证学生安全的条件下，带领学生去煤矿进行参观学习，邀请专业技术人员为学生讲解。安徽理工大学安全工程作为国家重点培养学科，其粉尘研究团队有多年研究粉尘治理项目的经验，通过以往相关具有一定实际意义的粉尘治理项目，要求学生重新对项目除尘方案进行设计，以便提高学生自主创新能力。对教材上的例题和习题进行适当地改造，引导学生在知识网络中找到与问题相关的信息，将问题放到现实背景中考察。注重发挥矿井粉尘防治理论与职业健康课程的优势，培养学生粉尘防治与职业健康防控的责任感与使命感，使题目的解答发挥出更大的教育功能。

3 效果评价

3.1 学生学习效果评价方式

将学生的学习态度、互动效果、自学成效等方面的表现及存在的问题进行指标化，每个评价指标具有具体描述和权重。学生作业由教师分配先进行互评，并给出得分标准，再根据学生线上线下的综合表现，给予学生中肯的评价分数。教师在每章教学内容完成后公开每位学生的过程评价得分。

3.2 课堂教学效果评价方法

3.2.1 专家听课评价

专家评价标准要求教师对教学工作充满热情，责任心强，上课精神饱满等；教学内容充实且能反映矿井粉尘防治与职业健康发展的新思想、新概念；引导学生能够应用多学科的基本原理分析复杂粉尘治理与健康防控问题；对产尘源点除尘设计等难点内容讲解透彻，并拓宽学生的知识面，给予学生联想、创新的空间；及时布置与课程关系紧密的学习任务，认真讲评、答疑；能够恰当地借助多媒体技术、网络学习资源辅助教学。

3.2.2 人工智能技术分析

首先通过线上学习设备和学习平台录取学生的学习视频信息；然后对视频中的学生人脸进行检测与识别，同时进行学生的表情识别和学习行为识别；最后实现对学生学习行为的分析，进而实现对教学效果的评价。

4 结语

本文提出“协作自主学习”与“知识—实践—竞赛”方法全新教学模式，教学设计取得了一些不错的效果与成绩，从学生的反馈来看，这个改革是十分有必要的。课程教学充分利用理论教学和实践教学相融合，课内学习和课外学习相补充，调动学生的学习积极性。一方面储备了扎实的矿井粉尘防治理论与职业健康知识，为其他粉尘类专业课的学习打下了良好的基础；同时在竞赛中培养了学生思考问题时的创新意识，提升了分析问题、解决问题的创新能力和综合能力。