煤礦安全監測監控課程教學改革及效果分析

王凱，蔣曙光，吳征艷，邵昊，裴曉東

(中國礦業大學安全工程學院，江蘇徐州221116)

安全工程專業是在礦井通風與安全專業的基礎上發展而來的，安全監測監控作為安全工程專業的一門專業課，隨著煤礦機械自動化及監控智能化的發展，逐步凸顯了課程配置的重要性。鑒于監控技術的發展，教材及課程配置都在與時俱進的修訂，監控單元主體由單片機系統的基礎講解升級為PLC系統基礎知識講解，但是，課程的基礎實驗與課堂教學演示系統一直沒有進行系統化配置與改進，造成課程開設過程中教師授課理論內容枯燥、學生學習困難的問題。通過自主研發安全監測監控基礎實驗裝置，整合升級了現有實驗室資源，合理配置實驗課程，建立開放實驗室，加強了學生監測監控基礎能力的訓練。開發安全監測監控課堂教學演示系統，擺脫理論講解的乏味，提高學生的課堂學習效率;課程教學計劃結束后，建立完善的課程設計計劃，高效實現了安全監測監控系統設計的整體拓展訓練目標［1］。

1 實驗教學裝置的開發及開放實驗室建設

實驗教學因其直觀性、實踐性、科研性及綜合性等獨特條件，在高等院校整個教學體系中具有十分重要的地位［2］。它比課堂理論講授更接近學生的實際，更容易啟發和培養學生的創新思維及實踐能力。常規實驗和科研訓練是一種知識與能力、理論與實踐相結合的活動，是一種全方位提高學生綜合素質和科研訓練水平的重要教學環節，其目的不僅在于驗證理論或加深理論的理解，更重要的是培養學生的科研創新能力和分析解決實際問題的能力［3，4］。如何改變實驗設備的現狀，滿足新時代要求，是擺在我們面前的一項緊迫任務。

結合我校安全工程學院江蘇省實驗教學中心的現狀，建設煤礦安全監測監控基礎實驗系統及教學科研一體化的開放實驗［5，6］很有必要。開發一套可編程控制的教學實驗系統——PLC實驗教學模擬控制板及各種方便學生實驗操作的監測監控組件，著重培養學生的實踐能力，并給學生留有科研拓展的發揮空間，具有很好的適應性和擴展性，形成一套安全監測監控基礎知識學習與科研拓展訓練于一體的實驗平臺。實驗教學系統的開發應用不僅能豐富教師的教學手段，提高學生的學習興趣，提高教學效果，而且能夠為專業老師在復雜控制系統、智能控制系統等方面的研究提供實驗對象及實驗設備。通過建設基于光纖通信的PLC主從式站點通信實驗平臺，提高學生對監控系統遠程通信的硬件組合及軟件編程能力;鑒于井下風電瓦斯閉鎖要求，建立基于PLC自動控制的局扇瓦斯超限斷電模型實驗系統，提高學生對監控系統功能實現的認知和編程能力。整合調試實驗室已有的KJ90型煤礦安全綜合監控系統，基于PLC遠程控制的煤礦井下避難硐室環境綜合監控系統，通過組合功能調試，提高學生設計監測監控系統的能力。

2 課堂教學演示系統的開發與應用效果分析

安全監測監控這門課程是從事工業自動化、安全管理等行業人才所應具備的基礎控制技術的重要教學內容［7，8］。該課程任務是使學生掌握可編程控制器的基本組成和工作原理，理解工業控制網絡及現場總線技術，了解安全監測監控系統的組成，掌握可編程控制器的各種單元、規格，內部繼電器及數據區，理解其通信功能，能按照可編程控制器的設計步驟去分析和設計對應的控制系統。因為該課程的理論性和實踐性都很強，所以為了提高教學效果，在學習理論知識的同時，必須利用課堂教學演示系統提高教學效果，加強認知實踐能力的培養，以培養適合面向生產一線的高技能人才，滿足社會的需求。

教學演示系統是為教學而設計，鑒于課堂教學的特殊性，其應該具有以下幾個特點:1)系統結構小巧，便于攜帶，操作方便，且可與可編程的PC機一塊置于實驗臺上，隨時進行編程和實驗。2)實驗裝置采用插頭和插座式的連接方式，硬件導線的連接十分簡易，在實驗室可以實現即插即用，不用任何工具即可進行實驗［9］。3)突出教學實習、實驗裝置的實用性，具有模擬量和開關量多種輸入方式，設計了可以實現這兩種實驗的實驗模塊，簡單實用。4)具有很好的可擴展性。

作為整個課堂教學演示系統的核心部分，PLC教學模擬控制板需要進行組裝，組裝過程中要遵循以下原則:1)接口的分布要合理，恰當。2)器件的布置要做到美觀，符合人們的使用習慣。3)在焊接的過程中要避免短路，使焊點之間保持一定的距離。該模塊在制作過程中，先把PLC、EM231、EM232固定在印刷板上，模塊和模塊之間通過電纜進行連接。在印刷板正面，通過導線將PLC及其擴展模塊各接口引到前面的接線柱上面，在印刷板底部，利用烙鐵將接線柱底部和排線插頭底部連接起來，在這個過程中，要確保接口的合理分布以及連接可靠，避免脫落、短路的情況出現，連接后的模塊示意圖如圖1所示。

開關量輸入模塊作為實驗系統的主要部分，在組裝過程中除了要遵守一般的器件組裝原則之外，還要根據實驗的內容和要求，合理布置器件在印刷板上的位置和間距，由于器件比較多，板子上空間有限，所以，在組裝的過程中要特別的注意。方法和PLC及其擴展模塊的組裝方法一樣，板子正面通過接線柱連接，板子底面用烙鐵把排線插頭和接線柱連接起來，組裝好的開關量輸入模塊如圖2所示。

圖2 開關量輸入模塊實物圖

課堂教學演示系統在教學過程中提高了學生的學習興趣，課堂教學演示系統有多種輸入輸出方式，實驗效果明顯，便于觀察，可以增強同學們學習的積極性，將枯燥的專業課教學轉變為類似的“案例教學”。課堂教學演示系統還可以實現的實驗內容豐富多樣，學生可以根據不同的實驗要求，利用不同的輸入輸出元件，編寫相應的控制程序，使理論學習與實踐操作緊密結合，提高學生的編程能力和創新思維能力，大幅度的提高學習效果。

3 完善課程設計的各個環節及整體的拓展訓練

課程設計是本科實踐教學的一個重要環節，以培養和提高學生創新能力和綜合解決問題能力為目的，傳統的課程設計方式無法與自動化信息化技術的發展及社會需求發展相適應，為了提高學生的實踐能力，結合課堂教學的改革及開放實驗室的建設，培養學生理論與實踐相結合能力、工程設計能力、創新能力，完成工程師基本技能訓練。通過分析課程的課堂教學，提出挑戰性的設計題目、指導教師的主導作用及評分機制等教學內容對課程設計的作用效果，構建將多種教學元素與課程設計交匯融合的創新課程設計模式，對課程設計的各個環節進行全面改革和拓展［10］。

為了提高課程設計的教學實踐效果，具體通過以下幾個方面進行改革:1)加強課堂教學與課程設計的交匯融合，在課堂教學中間階段適時地把課程設計的題目、任務、要求等告知學生，通過課堂教學引導學生的創新思維，將課堂教學與課程設計融會貫通，使學生在課程設計時就有了充分的準備和認知，更能發揮學生的創新潛能［11］。2)提高學生的創新思維能力，鼓勵學生大膽創新，在課程設計的每一個環節都要融入創新思想和意識，選題一定要具有前沿性和挑戰性，設計過程中要注重創新思維。教師在指導過程中要善于啟發、鼓勵學生，增加網絡信息資源的查閱量，切實通過課程設計提高學生的理論知識和實際工程的結合能力，為以后工作打下良好的基礎。3)教師在課程設計的指導過程中要做到因材施教，充分考慮學生間的個體差異及學習的層次基礎，分不同的難度系數對每一組學生安排課程設計題目，最大限度發揮每一位學生的潛能。4)改變課程設計的評分機制，打破對設計圖紙和設計說明書進行綜合評分確定總分的傳統方法，融入答辯式評分模式，最好能融入到設計的每個階段，激發學生的辯論思維能力，提高答辯權重，保證課程設計的創新性和應用性，培養學生解決實際問題的能力［12］。

4 結論

通過對煤礦安全監測監控課程改革進行全面分析，全方位的對課堂教學、實驗課程及開放實驗室建設、課程設計等方面的改革進行了論述，獲得了如下結論:

1)設計了基于PLC的綜合教學實驗系統，整合了實驗原有的監測監控系統資源，建成了集教學科研于一體的開放實驗室，既可以滿足基本教學科研的實際應用，又節省了大量的實驗裝置，經濟實惠，一舉兩得。

2)研制了一種新型的可編程控制器教學演示系統——PLC教學模擬控制板，著重培養學生的認知實踐能力，并給學生留有足夠的發揮空間，提高了學生的學習興趣，實現了良好的學習效果。

3)通過課堂教學與課程設計交匯融合、提出挑戰性與創新性的設計題目、指導教師的主導作用、評分機制等四個方面進行課程設計的教學改革。構建了多種教學元素與課程設計交匯融合的創新模式，全面提高了學生理論知識和實際工程結合的實踐能力。

［1］付詳釗.建筑環境與設備工程專業本科教育平臺課程的研究［J］.高等建筑教育，2004，13(3):58－59.

［2］劉艷峰，王曉昌，王勁松.建筑環境與設備工程本科生培養模式期望調查研究［J］.西安建筑科技大學學報(社會科學版)，2007，26(4):96－99.

［3］肖勇全，張志剛，朱穎心，等.建筑環境與設備工程專業中平臺課程體系構建與教學實踐［J］.高等建筑教育，2003，12(2):39－42.

［4］馬朝興，馬履中.機械原理及設計課程教學改革探索與實踐［J］.江蘇大學學報(高教版)，2002，24(2):91－94.

［5］孫福，趙月飛，郭惠廣，等.開放式實驗教學管理模式的改革與實踐［J］.實驗室研究與探索，2008，27(11):142－144.

［6］張海燕.淺談現代先進教學設備對科學教學的影響［J］.科學教育，2011，17(4):81－82.

［7］蔣曙光，吳征艷，邵昊.安全監測監控［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2013.

［8］劉立.基于工業組態軟件的PLC實訓教學系統的研究與開發［D］.大連:遼寧師范大學，2010.

［9］孫營超.環模制粒機制粒工藝研究與控制系統開發［D］.南京:南京理工大學，2009.

［10］林嶸，康其桔，侯曉霞，等.課程設計教學模式探索［J］.實驗室研究與探索，2006，24(增刊):389－393.

［11］丁元新，姜秀英，金偉良.建立實踐基地培養創新人才［J］.高等理科教育，2005(4):298－300.

［12］閆秋慧，南曉紅，李安桂.課程設計教學模式的研究［J］.西安建筑科技大學學報(社會科學版)，2008，27(4):94－97.