基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)類課程資源建設(shè)及教學(xué)模式探索

牟宗龍，萬(wàn)志軍，張?jiān)矗R文頂

摘要：文章以中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)類課程為例，論述了建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的必要性，介紹了采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源和平臺(tái)，以及虛擬仿真教學(xué)資源的設(shè)計(jì)思路和過(guò)程;探討了基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)類課程翻轉(zhuǎn)教學(xué)方法，為解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)難題提供了一個(gè)途徑。

關(guān)鍵詞：人才培養(yǎng);實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬仿真;翻轉(zhuǎn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2020）01-0384-03

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是現(xiàn)代信息技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的具體體現(xiàn)之一。由于其重復(fù)性好、安全環(huán)保、成本低廉、節(jié)約能源，能達(dá)到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果。虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，潛力巨大[1，2]。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)非常重視虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革與實(shí)踐，2008年建立了采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。2014年，該中心被評(píng)為國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。中心堅(jiān)持理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合、虛擬仿真與實(shí)物儀器設(shè)備相結(jié)合的原則，研發(fā)了大量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，構(gòu)建了“模塊化、層次化、多元化”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[3，4]。隨之而來(lái)的是教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，實(shí)驗(yàn)方法的理論教學(xué)由課堂轉(zhuǎn)到了線上，總結(jié)、討論和點(diǎn)評(píng)由課下進(jìn)入課堂，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)由對(duì)未知的現(xiàn)象觀察轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓄A(yù)期的驗(yàn)證，課程由教師主導(dǎo)的“教”變成了學(xué)生自主的“學(xué)”，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)類課程的翻轉(zhuǎn)教學(xué)，取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

一、虛擬仿真資源建設(shè)的必要性

《巖層控制的實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)測(cè)技術(shù)》是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)本科生的必修課程，也是最具有代表性的實(shí)驗(yàn)類課程。該課程教學(xué)具有以下特點(diǎn)：（1）教學(xué)內(nèi)容具有針對(duì)性。課程主要圍繞礦山壓力基本原理、規(guī)律和常用實(shí)驗(yàn)方法、巖石力學(xué)性質(zhì)與實(shí)驗(yàn)方法、井巷工程技術(shù)等重要知識(shí)點(diǎn)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)探索。（2）教學(xué)項(xiàng)目具有前沿性。課程中創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大部分由優(yōu)秀的科學(xué)研究成果轉(zhuǎn)化而來(lái)，體現(xiàn)了學(xué)科領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，有利于學(xué)生了解學(xué)科的前沿知識(shí)，開闊視野。（3）實(shí)驗(yàn)技術(shù)具有先進(jìn)性。實(shí)驗(yàn)室擁有各類實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備6000余臺(tái)，涵蓋了巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、巖層移動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)、模型實(shí)驗(yàn)、儀器儀表實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)共6大類的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備。諸如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等資源在國(guó)內(nèi)具有領(lǐng)先地位。（4）實(shí)驗(yàn)過(guò)程開放性。目前，部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了資源共享、開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。通過(guò)網(wǎng)上預(yù)約，學(xué)生可自主選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時(shí)允許自擬實(shí)驗(yàn)題目，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用效率。（5）教學(xué)過(guò)程具有啟發(fā)性和引導(dǎo)性。通過(guò)本門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在強(qiáng)化學(xué)生基本理論知識(shí)和掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法的同時(shí)，還可以使學(xué)生對(duì)科學(xué)探索產(chǎn)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生申請(qǐng)各類科研訓(xùn)練項(xiàng)目，為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)條件，支持學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探索。

按照教學(xué)過(guò)程的復(fù)雜和難易程度，該課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大致分為以下幾類：第一類是實(shí)驗(yàn)原理明確、實(shí)驗(yàn)操作較簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、儀器儀表實(shí)驗(yàn)等;第二類是原理較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)部分可操作，如巖層移動(dòng)的相似物理實(shí)驗(yàn)等;第三類是原理復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)操作非常困難或者不可操作，如沖擊礦壓實(shí)驗(yàn)、煤與瓦斯突出實(shí)驗(yàn)等。對(duì)于這些不可逆的破壞性試驗(yàn)，只能借助大型實(shí)驗(yàn)裝置及制作成本和使用成本較高的試樣來(lái)完成，同時(shí)由于本科生缺乏該方向研究的專門知識(shí)和精確的操作技術(shù)，親自動(dòng)手操作該類實(shí)驗(yàn)還具有一定的危險(xiǎn)性，目前實(shí)驗(yàn)室還無(wú)法實(shí)現(xiàn)該類物理實(shí)驗(yàn)的本科教學(xué)功能。

二、虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)

（一）虛擬仿真資源庫(kù)

針對(duì)采礦高危的極端環(huán)境、開采過(guò)程不可逆的操作、大型設(shè)備操作的綜合訓(xùn)練高成本、高消耗等特殊情況，在采礦工程專業(yè)大學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，不僅可解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的難題，還有助于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解和掌握，拓展學(xué)生的知識(shí)面，激發(fā)學(xué)生對(duì)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)知識(shí)的追求[3-5]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的層次和功能的不同，采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)了“認(rèn)知礦山”“熟知礦山”“安全礦山”“綠色礦山”和“實(shí)驗(yàn)方法”等五大類實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)了多空間多系統(tǒng)演示仿真、綜合與設(shè)計(jì)仿真、創(chuàng)新與前沿仿真三個(gè)層次虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能。實(shí)驗(yàn)資源分5大類，25小類共100多個(gè)虛擬仿真項(xiàng)目，知識(shí)點(diǎn)幾乎覆蓋采礦工程專業(yè)所有的主干課程。

（二）虛擬仿真資源設(shè)計(jì)

1.資源建設(shè)目標(biāo)。學(xué)生可通過(guò)修改礦井地質(zhì)和開采技術(shù)條件，模擬沖擊地壓的孕育過(guò)程、影響因素及沖擊現(xiàn)象;能夠模擬開采過(guò)程中巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及在掘進(jìn)速度、采煤高度等開采技術(shù)條件、褶曲、斷層等地質(zhì)構(gòu)造條件等各個(gè)影響因素作用下沖擊礦壓危險(xiǎn)性的變化規(guī)律;能夠直觀展示采取爆破切頂、煤體爆破卸壓等不同解危措施后沖擊危險(xiǎn)性降低的情況。

2.資源建設(shè)內(nèi)容。基本建設(shè)內(nèi)容包括采場(chǎng)上覆巖層斷裂和運(yùn)移規(guī)律、沖擊礦壓孕育過(guò)程及發(fā)生機(jī)理、沖擊礦壓解危與治理共三部分：（1）上覆巖層斷裂及運(yùn)移規(guī)律。以三維場(chǎng)景建模，動(dòng)態(tài)描述隨著工作面自開切眼開始推進(jìn)，引起覆巖的初次斷裂與周期斷裂的動(dòng)態(tài)過(guò)程;以多指標(biāo)動(dòng)態(tài)描述采煤工作面兩側(cè)和前后支承壓力的分布特征，以及支承壓力隨工作面推進(jìn)的演化規(guī)律等。（2）沖擊礦壓影響因素及發(fā)生機(jī)理。根據(jù)輸入的采掘參數(shù)，以及褶曲、斷層、巖層結(jié)構(gòu)等地質(zhì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多條件下巖層塌陷情況的實(shí)時(shí)仿真;再現(xiàn)采掘參數(shù)及地質(zhì)條件等因素對(duì)沖擊礦壓的影響，實(shí)現(xiàn)沖擊發(fā)生過(guò)程、機(jī)理的交互模擬仿真。（3）沖擊礦壓解危與治理。可以根據(jù)具體的地質(zhì)及生產(chǎn)技術(shù)條件，選擇性地輸入褶曲、斷層等地質(zhì)參數(shù)及巖層爆破切頂、煤層放炮卸壓等技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同措施參數(shù)時(shí)的沖擊礦壓防治解危與治理效果的交互模擬仿真。

3.軟件特點(diǎn)。開發(fā)平臺(tái)能保證虛擬仿真軟件的實(shí)時(shí)渲染、實(shí)時(shí)交互和良好的可操縱性，以強(qiáng)大物理引擎內(nèi)核的虛擬仿真軟件開發(fā)平臺(tái)，具有強(qiáng)大的物理實(shí)時(shí)計(jì)算功能，能夠真實(shí)模擬場(chǎng)景重力、環(huán)境阻尼等環(huán)境特性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件界面干凈整潔，在保證運(yùn)行流暢的情況下，盡可能地優(yōu)化表面材質(zhì)，區(qū)分不同部件的不同材料質(zhì)感。地形地貌、山體、水體、地上地下人工建（構(gòu)）筑物等的三維表達(dá)，要反映對(duì)象的空間位置、幾何形態(tài)、紋理及屬性等信息。確保在系統(tǒng)里的界面、按鈕、文字、圖片、視頻等可視化的元素清晰無(wú)誤。能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)演示、控制角度自由觀察、局部縮放和隨時(shí)畫面截圖等功能;能按要求提供現(xiàn)場(chǎng)聲、背景音樂(lè)、字幕等;貼圖細(xì)膩有質(zhì)感，材質(zhì)真實(shí)，動(dòng)作流暢，鏡頭轉(zhuǎn)變較少。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

為了統(tǒng)一展示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，并為學(xué)生提供基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建立了“礦業(yè)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)”，如圖1所示。該網(wǎng)站平臺(tái)具有信息發(fā)布、用戶登錄管理及收費(fèi)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)課程導(dǎo)航、虛擬仿真教學(xué)資源展示及共享使用指南、在線學(xué)習(xí)及績(jī)效評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)預(yù)約及開放管理、學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)及交流活動(dòng)等功能模塊。該平臺(tái)反映了中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)在在線教學(xué)資源、虛擬仿真教學(xué)資源、師資隊(duì)伍等方面的建設(shè)成果，以及在教學(xué)資源開放共享、在線教學(xué)管理、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)體系等方面的創(chuàng)新成果。2017年，該平臺(tái)成為江蘇省礦業(yè)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)。

四、實(shí)驗(yàn)課翻轉(zhuǎn)教學(xué)方法

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，不僅僅是實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)形式的翻轉(zhuǎn)，更是“教”與“學(xué)”的轉(zhuǎn)變，本質(zhì)上是學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)權(quán)的變換[6]。學(xué)生更多地利用課下時(shí)間，使用互聯(lián)網(wǎng)自主且有選擇性地學(xué)習(xí)，更體現(xiàn)學(xué)習(xí)方式的個(gè)性化。課堂時(shí)間更多的是對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的方向引導(dǎo)、方法指引、系統(tǒng)補(bǔ)充、錯(cuò)誤糾正、內(nèi)容強(qiáng)化和討論內(nèi)化等。在這種教學(xué)模式下，教師的角色發(fā)生了很大的變化，不再是系統(tǒng)化、流程化的傳授知識(shí)，而是跳躍化、片段化、深入化知識(shí)的互動(dòng)導(dǎo)引，需要教師具有更強(qiáng)的課堂把握能力。

實(shí)驗(yàn)類課程的翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式與理論課程有一些差異。理論課程的翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式是學(xué)生通過(guò)在課下通過(guò)查閱教材、交流、網(wǎng)絡(luò)資源搜集等方式完成對(duì)理論知識(shí)的自主學(xué)習(xí)，課堂上由老師引導(dǎo)學(xué)生完成對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)、疑點(diǎn)的討論。實(shí)驗(yàn)類課程實(shí)現(xiàn)課堂翻轉(zhuǎn)以后，學(xué)生可以自主制訂實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)演示、人機(jī)互動(dòng)等方式完成對(duì)自然現(xiàn)象和規(guī)律的過(guò)程再現(xiàn)。課堂時(shí)間主要用來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論分析。對(duì)于比較經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，或是有爭(zhēng)議的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)室可以進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

以《巖層控制的實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)測(cè)技術(shù)》本科生課程為例，該課程共32學(xué)時(shí)，其中課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)各16學(xué)時(shí)。課堂教學(xué)主要是講授實(shí)驗(yàn)方法和技能，在實(shí)驗(yàn)室需要按照實(shí)驗(yàn)大綱的要求完成20個(gè)左右的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，教師的主要任務(wù)是講解實(shí)驗(yàn)方法、步驟和注意事項(xiàng)，指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)，最后是批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告并給定成績(jī)。主要教學(xué)過(guò)程是學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教師講解實(shí)驗(yàn)、學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)、教師批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂翻轉(zhuǎn)以后，實(shí)驗(yàn)方法講解和實(shí)驗(yàn)過(guò)程等均由學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上完成，教師的主要任務(wù)是在實(shí)驗(yàn)課上組織學(xué)生分組討論并進(jìn)行點(diǎn)評(píng)、對(duì)爭(zhēng)議實(shí)驗(yàn)開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并指導(dǎo)學(xué)生完成從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察到科學(xué)本質(zhì)探索的深化。學(xué)生可以根據(jù)任務(wù)目標(biāo)導(dǎo)向，自主完成實(shí)驗(yàn)方法、步驟、注意事項(xiàng)等學(xué)習(xí)，自主制訂實(shí)驗(yàn)方案，自主完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在討論環(huán)節(jié)，學(xué)生自由分組，有針對(duì)性地進(jìn)行討論，實(shí)驗(yàn)方法、結(jié)果都可以進(jìn)行對(duì)比分析，教師組織課堂，對(duì)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)情況和對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的把握程度有深入的了解，給定的成績(jī)也更科學(xué)。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，“教師”變成了“導(dǎo)師”。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課堂翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)空間的多樣化、教學(xué)形式的多樣化和教學(xué)目標(biāo)的全面化。

五、結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真教學(xué)是教育教學(xué)領(lǐng)域中的重要?jiǎng)?chuàng)新，有助于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解和掌握，拓展學(xué)生的知識(shí)面，激發(fā)學(xué)生對(duì)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)知識(shí)的追求。基于虛擬仿真技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)類課程的翻轉(zhuǎn)教學(xué)還處于探索階段，為解決實(shí)驗(yàn)成本高、儀器設(shè)備臺(tái)數(shù)少、實(shí)驗(yàn)過(guò)程不可逆、風(fēng)險(xiǎn)大等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課中的難題提供了一個(gè)途徑，是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充。

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Construction of Experimental Course Resources and Exploration of Teaching Mode Based on Virtual Simulation Technology

MU Zong-longa，b*，WAN Zhi-junb，c，ZHANG Yuanb，c，MA Wen-dingb，c

（a.Laboratory of Mine Earthquake Monitoring and Prevention （Jiangsu）;b.School of Mines;c.National Experimental Teaching Demonstration Center of Mining Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Abstract：Taking the experimental course of mining engineering of China University of Mining and Technology as an example，this paper discusses the necessity of constructing virtual simulation experiment teaching resources，and introduces the virtual simulation experiment resources and platform of mining engineering and the design ideas and process of virtual simulation teaching resources.It also probes into the flipped teaching method of experiment course based on virtual simulation technology，which provides an approach to solve the difficult problems in traditional experiment teaching.

Key words：talents cultivation;experiment teaching;virtual simulation;flipped teaching