“金属矿通风”课程教学改革与实践
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作者:姜元勇 曹建立
摘要：金属矿通风是采矿工程专业的一门重要的专业课程，为深部和高海拔地区金属矿产资源的安全高效开采提供关键的理论支持和技术支撑。文章通过对比分析“金属矿通风”与“煤矿通风”的异同，结合教学实践，从教学内容和教学方法两个方面进行了改革和实践，提高了学生学习的积极性和主动性，获得了良好的教学效果。
关键词：金属矿通风;课程架构;以学生为中心;教学改革与实践
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）41-0088-02
随着地球深部和高海拔地区金属矿产资源的开采，金属矿通风的作用进一步凸显，学习和研究的重要性得到了进一步的强化[1，2]。金属矿通风课程以流体力学、热力学和物理化学为理论基础，运用质量守恒、动量守恒、能量守恒和热力学基本定律，獲得具有工程意义的数学描述。由于煤矿通风的研究起步早，教材较多，金属矿通风教材和教学方法多数参考煤矿通风的相关经验进行，金属矿通风特色不够突出。因此，有必要对比分析金属矿与煤矿通风的异同，研究适合金属矿通风特点的教学内容和教学方法。
一、金属矿与煤矿通风的对比分析
1.对通风工作的重视程度不同。由于煤矿产量较大，机械设备较多，产尘量大，瓦斯突出事故伤亡人数多、影响范围广，因此煤矿重视通风工作，通风设计完备且先进，并且一般煤矿均设有专门的通风管理部门。而金属矿山，一般情况下没有瓦斯灾害，对通风系统的要求不如煤矿高，尤其是小型金属矿山，经常出现无机械通风设施，或者通风系统运转不规范的情况。
2.通风系统的工作目的存在差别。尽管金属矿和煤矿的通风系统都有为井下作业人员提供呼吸和排尘的作用，但是，对于深部金属矿山，通风系统还承担着不可忽视的降温作用。而煤矿的通风系统，主要承担防控瓦斯灾害的作用。
3.通风系统的空间分布状态不同。金属矿的矿体产状与煤矿不同，金属矿大多呈倾斜产出，矿体形状不规则，而煤矿多数呈水平（或近水平）的层状产出。这使得金属矿的通风井巷随着矿体呈现出明显的空间分布状态，而煤矿通风井巷多为平面分布状态。
4.通风系统的工作活动状态不同。金属矿床开采过程中，通常多个中段同时作业，这就要求通风井巷也在多中段同时有效工作，而煤矿通风井巷不存在多中段工作的情况。
鉴于以上诸多不同，需要在教学过程中有针对性的进行改革，以便满足培养金属矿通风人才的需求。
二、金属矿通风教学改革与实践措施
1.教学内容方面。（1）事故案例分析，提升学生对金属矿通风重要性的认识。在课程讲解的绪论阶段，通过视频的形式，向学生展示金属矿由于通风不良所造成的事故，如炮烟中毒、电缆和坑木起火、工人中暑和矽肺等。让学生切实感受到金属矿通风工作的必要性和重要性，从思想上真正认识到良好的通风是采矿作业正常进行的基本前提之一。随着深部金属矿产资源的开采，地热问题突出，通风的降温作用得到了进一步的重视，认识到金属矿通风的重要性，学生们的学习兴趣得到了很大的提升。（2）国内外教材相结合，培养学生的国际视野。将国外教材“Subsurface Ventilation Engineering”引入到教学中，使学生能够切实体会到中外教材之间的差异，感受到国外通风课程的侧重点。通过国内外教材的结合，使学生对矿井通风课程的认识更加深入，对矿井通风的国际研究和发展现状更加熟悉。（3）室内典型实验，使学生熟练掌握金属矿基本通风参数的测试方法。通风室内实验是课堂教学的重要补充[3]，在实验室向学生展示和讲解通风测试仪器，如气压计、压差计、温度湿度计、风速表、皮托管等，通过学生亲自动手操作，实现点压力测定、风量测定、流场系数测定、风机特性测定等，理解测试原理，掌握测试方法。室内实验能够加深学生对测试仪器工作原理的理解，强化动手动脑的能力，真正体会到通风测试规程的重要性，为现场测试奠定基础。 （4）金属矿实地考察和测量，加深学生对风速、风量和通风构筑物的认识和理解。利用采矿工程认识实习、生产实习和毕业实习的机会，将通风测试仪表带入井下，在风机房、典型通风巷道和通风构筑物附近进行测量，让学生掌握通风参数现场测量的方法和测量数据的处理方法。同时，对照矿山安全规程，让学生体会通风安全要求的重要性。通过现场学习，加深学生对通风机、通风井巷和通风构筑物的认识，切身感受到主要通风井巷、辅助通风井巷、采场、硐室、掘进工作面等不同工作地点的通风状况。切身体会到风速、温度、湿度之间的联系。
2.教学方法方面。（1）围绕金属矿通风任务，让学生明确课程架构。金属矿通风的主要任务是将地面新鲜空气连续地供给作业地点，稀释并排出有毒有害气体和粉尘，调节矿内气候条件，创造安全舒适的工作环境，为金属矿产资源的安全高效开采提供基础保障。可以看出，首先，金属矿通风要解决的是风量问题。这自然而然的就引出了通风动力和通风阻力的课程内容。通风动力，可以分为自然通风和机械通风。通风阻力，可以分为摩擦阻力、局部阻力和正面阻力。其次，金属矿通风要解决的是风质问题。这必然引出矿内大气的相关知识。另外，金属矿通风还要解决降温问题，这引出了矿内热源和人体温度感知的相关知识。围绕金属矿通风的主要任务，课程架构一目了然。
（2）运用专业软件，向学生展示金属矿通风系统的时空分布。考虑到专业软件已经逐渐成为一种重要的教学手段[4]，以实际金属矿山通风系统为依据，使用AutoCAD、MapGIS、3DMax等绘图软件，将通风系统进行三维展示，使学生建立起三维通风系统的空间概念。使用3DVent、Ventsim、Fluent等软件，模拟矿井风流流动和污染物运移，让学生从视觉上感受到矿内风流的三维流动，分支复合，以及粉尘的运动。（3）以学生为中心，引导学生自主提出问题，解决问题。授课过程中运用启发式教育，让学生假想置身于矿山环境中，如何区分通风引起的问题？碰到通风问题，如何处理？引导学生查阅相关资料，寻找类似矿山案例，提出解决问题的思路，进而给出具体解决措施。通过运用这种授课方式，提高了学生的课堂和课下参与度，激发了学生的学习热情。通过发现问题和解决问题，增强了学生解决问题的自信心、获得感和成就感。（4）与采矿方法相结合，培养学生的矿山系统思想。矿山的一切工作都是为采矿服务的，矿井通风也不例外。在教学过程中，围绕采矿方法讲解通风知识，不仅能够使学生明确通风的服务对象和要求，还可以培养学生的系统思想。通风设计一定要围绕采矿设计进行，并且要根据采矿设计的变更及时更新。将通风与采矿方法相结合，不但有利于学生掌握通风知识，而且加深了学生对采矿方法的认识和理解。（5）工程问题理论化，理论问题工程化，有机结合互相促进，培养学生的创新能力。矿井通风是一门工程实践性很强的课程，认知、了解和定性认识的知识占大多数，很多定量计算的知识点，也以经验公式的形式给出。这导致许多同学对通风知识的认识局限于了解概念、熟记规程、掌握工程方法等。其实，任何一门学科的背后都有深刻的科学原理，只有全面深入地认识到这些科学原理，并加以灵活运用才能够成功处理工程中遇到的各类棘手问题。如通风能量方程的使用条件，空气压缩性可以忽略的条件，通风基本定律（风量平衡定律、风压平衡定律、阻力定律）的适用范围等。如果不指出和强调这些公式和定律的适用范围，大部分同学在学习的过程中就会逐步淡忘这些限制条件，导致最终认为这些公式和定律是普遍适用的。另外，当对具体问题进行深入研究时，好多同学都觉得无从下手，浅层次的定性分析和经验方法无法满足要求，此时就必须要深层次的挖掘工程问题的理论基础，从理论方面寻求解决工程的新突破。
三、结论
通过实施上述教学改革措施，对传统的基于煤炭行业的矿井通风教材进行了改进，理清了金属矿通风教学的思路和重点。通过以解决实际问题为导向的课程教学，使学生明确了学习目标，理解了课程架构。以学生为中心，中外教材相结合，开阔了学生的国际视野，使学生的学习积极性和主动性得到了有力的提升。工程问题与理论问题相结合，打开了学生们深入研究工程实践问题和科学问题的大门。
参考文献：
[1]刘焕新，王剑波，赵杰，吴钦正.近海黄金矿床深部开采科技难题及研究展望[J]，金属矿山，2018，（2）：14-18.
[2]李国清，张亚明，龚剑，付乾峰.高原矿井增压通风研究[J]，金属矿山，2017，（2）：151-156.
[3]程为民.《矿井通风与安全》实验课程的改革与实践[J]，教育教学论坛，2016，（51）：260-262.
[4]李雨成，刘剑，贾进章.《矿井通风》课程建设目标及实现途径的研究与实践[J]，中国科教创新导刊，2013，（29）：153-155.
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