采矿概论时空四维知识关联教学法研究

摘  要：采矿概论课程教学内容广、概念多、知识抽象，教学难度大，学生学习困难。如何有效进行教学，成为教学面对的难题。文章分析了采矿概论知识的时间、空间相关性特点，论述了知识学习的逻辑关联、时间关联、空间关联、联想关联等4种基本关联类型，基于采矿概论知识特征和人脑知识学习的一般规律，提出构建时空四维知识关联教学法，指出通过模型教学法、图示法、虚拟现实法、视频教学法、现场实践等时空四维关联教学，合理建立采矿知识的时空四维关联，提高教学效果。

关键词：采矿概论;时空四维;教学方法;知识结构

中图分类号：G642         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2019）18-0080-03

Abstract： The teaching content of mining introduction course is wide， contains many concepts and abstract knowledge， which is difficult to teach and difficult for students to learn. How to teach effectively has become a difficult problem in teaching. This paper analyzed the characteristics of temporal and spatial correlation of mining knowledge， discussed four basic types of association of knowledge learning， such as logical association， temporal association， spatial association and associative association. Based on the characteristics of mining knowledge and the general rules of human brain knowledge learning， it put forward the construction of spatial-temporal four-dimensional knowledge association teaching method， and pointed out that through model teaching method， graphic teaching method and virtual reality. According to the model teaching method， graphic teaching method， video teaching method and on-site practice，it can reasonably establish the spatial-temporal four-dimensional teaching method of mining introduction and improve the teaching effect.

Keywords： mining introduction; spatial-temporal four dimensions; teaching method; knowledge structure

采矿概论是地矿类专业开设的专业选修课程。主要开设专业为土地资源管理、地质工程、地球物理学、水文与水资源工程、煤与煤层气工程、资源环境与城乡规划管理、矿物加工工程、测绘工程等。通过该课程的学习，使学生对煤炭及非煤固体矿床开采有概括性、全面性的了解，并了解国内外采矿工业发展概况、最新采矿技术及其发展趋势，为学生学习与采矿相关的课程及到矿山企业实习奠定良好的基础。由于采矿概论涉及的知识专业性较强，选修该课程的学生缺乏必要的知识基础，因此教师教学、学生学习都较为困难[1]。采矿概论教学法研究与改革一直受到采矿工程教师重视[2，3]。本文分析了采矿概论课程知识特点，提出了构建时空四维知识结构体系的教学探索，以期提高采矿概论的教学效果。

一、采矿概论知识特点

（一）时间相关性

采矿概论教学内容主要涉及采矿工业的发展历程及趋势、煤田地质及矿图知识、井田开拓、矿井开采巷道布置及生产系统、井巷掘进、准备方式、采煤方法与工艺、矿井安全技术、非煤固体矿床开采等几个方面。其中采矿工业的发展历程及趋势、井田开拓、井巷掘进与支护、采煤方法与工艺等几个方面主要介绍与时间相关的知识点。如采矿工业的发展涉及到不同发展历史时期、不同阶段采矿技术具有的标志性特点;井田开拓通过开拓巷道的开拓流程形成时间相关的开凿或掘进先后顺序;井巷掘进与支护、采煤方法与工艺，通过采掘循环形成采掘工序的时间流程循环。因此，这几部分内容所涉及的知识点在时间上具有极强的相关性。

（二）空间相关性

采矿概论课程讲授的所有知识点几乎都与空间建立联系。煤田地质介绍的主要是煤系地层及其结构的空间产状;矿图知识介绍代表空间相关性的二维矿图知识。通过投影形成的矿图体现了煤田地质信息和采掘工程空间信息。井田开拓、矿井开采巷道布置及生产系统、井巷掘进、准备方式、采煤方法与工艺等采矿工程是在地层空间中实施的井巷工程和开采工程，具有典型的空间性。通过对土地资源管理专业49名选课学生进行匿名问卷调查表明，64%的学生认为采矿概论课程知识点空间立体感极强，27%的学生认为空间立体感较强，认为采矿概论课程知识点空间立体感较强以上的学生达到91%。因此，采礦概论课程知识点学生普遍认为具有较强的空间相关性。

二、人脑学习知识的过程

学生学习知识的过程就是在大脑中建构知识关联、知识架构的过程。如果新学习的知识之间关联不强，则学生在学习过程中，需要通过自己的理解把新进入大脑的信息理解透彻形成新知识，从而将新知识和大脑中已有的知识架构建立某种关联。这种依靠自身理解能力建立的关联可能合理也可能不合理，可能关联紧密或关联不够紧密。尤其当学生没有充分理解新知识点的情况下，进入大脑的信息处于一种暂存状态，学习者不能直觉而自觉建立新信息与已有知识架构的某种合理关联。此时，进入大脑的新信息还不能成为新知识，如果不能及时复习，进一步加深理解，建立合理而稳固的关联，新进入的信息就会很快遗忘。

基于以上人脑学习的规律，教师教学需要实现两个方面的功能。其一，教师需要将知识点阐述清楚或通过某种教学方法让学生深刻理解知识点。其二，建立新知识合理而稳固的联系并使之与学生已有知识或认知架构建立密切关联。

三、知识关联的基本类型

（一）逻辑关联

逻辑关联指新知识是基于学习者已有知识通过知识之间的严密逻辑关系推导得出。逻辑关联又称推理关联。学习者对新知识理解深刻，建立起新知识与已有知识的逻辑关联。该逻辑关联自然而然成为新知识与已有知识的关联。基于逻辑关联学习的新知识在短时间内记忆深刻。新知识如果能够及时加以巩固，很快可以固化形成长久记忆的知识。如果不及时巩固，当新知识与已有知识的逻辑关系被遗忘，则逻辑关联自然失效，新知识将遗忘殆尽。因此，基于逻辑关系学习的新知识，应该能够及时得以巩固，通过逻辑关系快速理解习得，建立逻辑关联，通过巩固而成为长久记忆。当形成长久记忆后，基于逻辑关系的初始逻辑对于习得知识就不那么重要了。

（二）时间关联

时间的先后顺序自然形成一个有条不紊的线性逻辑关系，正因为这种简单而明晰的关系，学习者容易以时间先后顺序为线索将相关知识点串成一组相互关联的知识，从而形成长久记忆，比如学习植物的生长过程，对于种子发芽、生长、开花、结果相关知识，本身相互孤立的知识点，通过植物生长的先后阶段串联起来;比如对于历史知识的学习，通过历史事件的先后关系，通过年代表与历史事件的关联，可对年代相关的历史知识形成较为稳固的联想记忆。这种时间关联，在大脑中形成了类似于一维的空间关联。

（三）空间关联

对于与空间场景相关的知识，自然形成空间关联。空间关联的独特优势是空间信息是学习者的亲身经历或通过视频或空间描述构建形成了空间场景。人脑对于空间场景的图像记忆是直观和深刻的，一旦形成空间关联的知识，往往经久不忘。时间关联实际上是空间关联的一个特例，学习者在大脑中对于时间关联知识的记忆，往往是基于时间轴的线性一维空间进行抽象的时间关联知识的记忆。实际上几乎所有习得知识，当需要使用的时候，大脑中总是以某种画面呈现出来，可能是知识在书本中的页面、也有可能是知识的文字表述画面、或者是知识与生活中某种场景的奇特关联场景。因此，空间关联可能是最为重要和根本的知识关联形式。目前，教学中的知识结构图常常以思维导图的方式进行展示。思维导图实际上就是将抽象的思维进行必要的二维空间关联，将抽象的不确切的知识想象场景进行确切和固化，进一步以视觉场景的方式存入大脑，加深并固化一类知识的空间关联。

（四）联想关联

联想关联可以理解为逻辑关联、时间关联、空间关联的复合关联。学习者通过将新知识与已有知识架构以某种复合逻辑的、具有时间或空间相关性的、或某种复杂相关关系的关联。这种联想关联是基于学习者自身的生活经历，关联形式千变万化。同一知识点，不同学习者在记忆过程中往往存在不同的联想方式，而这种关联在大脑中最终以某种形式的画面呈现出来。

四、采矿概论时空四维关联教学探讨

以上分析表明，知识的学习是关联的建立过程。教师不但需要使学生理解知识，同时需要构建知识的合理关联。采矿概论相关知识具有典型的时间相关性和空间相关性。基于知识关联的基本类型的分析表明，知识的关联虽然有多种形式，但最基本的是空间关联，知识在大脑中最终以某种图像场景而存在。因此，基于采矿概论知识点的时空相关性，采矿概论的教学应重点采用时间关联和空间关联两种关联模式构建知识的相关关系，从而使学生能够直观接受并自然构建采矿概论知识体系的时空四维关联。

采矿概论时空四维关联教学方法体系如下：

1. 模型教学法。模型教学法是在课堂授课过程中引入让学生看得见、摸得着的实物模型，增强学生对学习对象的直观空间认识[4]。模型教学法在采矿工程教学中，常采用按比例缩小的模型进行教学，不但增强了学生对采矿及相关知识的直观认识，同时通过模型比例的缩小，可以从全局的角度建立采矿空间架构的联系。当采矿空间结构在学生大脑中建立空间关联时，这个空间架构就成了采矿知识的关联体系。因为，采矿概论的几乎所有知识都是基于采矿空间展开的。因此，模型教学法充分利用了知识学习的空间关联的优越性。

2. 图示法。图示法是将具有某种层次关系或时间先后顺序的逻辑关联知识，采用绘图的方法，直观呈现相关知识点的逻辑关联性，从而使学生习得相关知识点的教学方法。如当前在各学科教学中广泛使用的思维导图法就是将学科知识点按照层次关系、并列关系、联想关系等采用结构图的方式呈现出来，从而有利于学生掌握知识的相互关系，将各知识点形成二维图像记入大脑中[5]。图示法实际将知识点实现了二维空间关联[6]。采矿工程教学中当前应用最多的图示法为采掘工程作业循环图表。该方法将采掘工程在时间上有先后顺序的作业工序，采用时间与空间相结合的二维图，将各作业工序绘制其上，从而建立采矿工序的时空二维图，便于学生在大脑中形成采掘工序的时空关联。另外，对于采矿工业发展等具有时间先后顺序的知识点，也可以采用时间轴的方法串联采矿工程发展的关键阶段，从而建立时間先后顺序的二维图，将时间关联转化为空间关联，便于学习记忆。

3. 虚拟现实法。虚拟现实法是利用现代计算机技术，建立采矿工程的实际场景模型，尽可能逼真地模拟现实采矿场景，使学生有如身临实际的感受，通过视觉直观的感知深达千米的矿井深处的采掘场景，加深对知识的直观认知[7]。该方法实际上是采用现代计算机技术，通过建模的方法，构建采矿知识的时空四维关联，利用了学习中时空关联的重要优势，提高教学效果。当前虚拟仿真教学已成为采矿工程教学的主要发展方向之一，不断丰富着采矿概论教学资源。

4. 视频教学法。视频教学法是将采矿井下危险区域或非采矿人员不易到达区域的实际情况采用视频的方式记录下来，通过视频播放，让学生直观观看采矿不同环节的生产组织情况。该方法比较成熟，应用广泛。但该方法单独运用时，学生只能建立单一场景的生产组织形式，不能很好建立矿井全局的空间关联。如果将视频教学法和模型教学法、图示法结合起来，可实现采矿概论知识的时空关联有效建构，充分提升采矿概论的教学效果。

以上采矿概论时空四维关联教学法是目前较为常用的教学方法。除此之外，还可以合理安排必要的现场实践、现场参观等方式让学生身临其境，感受矿井现场，建立时空关联。但現场实践对于非采矿工程专业学生来说一般难以实现。在实际教学中应以构建学生时空四维知识关联为宗旨，合理搭配利用相关教学方法，以使学生准确、稳固的建立采矿知识的时空四维关联，提高教学效果。

五、结论

（1）采矿概论知识点中井田开拓、采掘顺序、采煤工艺、采矿工业发展等具有明显的时间相关性，煤田地质、矿图知识、井田开拓、生产系统、井巷掘进、准备方式、采煤方法与工艺等采矿工程是在地层空间中实施的井巷工程和开采工程，具有空间性。

（2）学生学习知识的过程是在大脑中建构知识关联、知识架构的过程。知识关联具有逻辑关联、时间关联、空间关联、联想关联几种基本形式。教师需要使学生深刻理解知识，同时需要建立新知识合理而稳固的联系并使之与学生已有知识或认知架构建立密切关联。

（3）采矿概论教学可充分利用其知识点的时空相关性，通过模型教学法、图示法、虚拟现实法、视频教学法、现场实践等时空四维关联教学方法体系，合理建立采矿知识的时空四维关联，提高教学效果。

参考文献：

[1]郭敬中，段绪华，赵启峰.关于《采煤概论》的立体化教学模式的几点思考[J].华北科技学院学报，2013，10（3）：71-74.

[2]冯光明.非煤专业《采煤概论》课程教学探析[J].煤炭高等教育，1998，4：91-91.

[3]侯英翔.论提高“采煤概论”教学质量的方法[J].实验技术与管理，2010，27（3）：126-128.

[4]杨予，傅军.模型教学法在建筑结构专业课程中的应用探讨[J].理工高教研究，2009，28（6）：125-127.

[5]孙玲，何晓瑾.联系记忆法——思维导图在中医学基础课程和临床学习中的运用研究[J].中医药导报，2015（21）15：116-117.

[6]徐文一.形象记忆与知识构建的平面图形在教学中的应用[J].云南电大学报，2011，13（3）：21-24.

[7]马文顶，吴作武，万志军，等.采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践[J].实验技术与管理，2014，31（9）：14-18.

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