基于虛擬仿真技術的實驗類課程資源建設及教學模式探索

牟宗龍，萬志軍，張源，馬文頂

摘要：文章以中國礦業大學采礦工程專業實驗類課程為例，論述了建設虛擬仿真實驗教學資源的必要性，介紹了采礦工程虛擬仿真實驗資源和平臺，以及虛擬仿真教學資源的設計思路和過程;探討了基于虛擬仿真技術的實驗類課程翻轉教學方法，為解決傳統實驗教學難題提供了一個途徑。

關鍵詞：人才培養;實驗教學;虛擬仿真;翻轉教學

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

虛擬仿真實驗教學是現代信息技術在教育教學領域中應用的具體體現之一。由于其重復性好、安全環保、成本低廉、節約能源，能達到傳統實驗室實驗不具備或難以實現的教學效果。虛擬仿真技術在實驗教學中的廣泛應用，潛力巨大[1，2]。中國礦業大學非常重視虛擬仿真實驗教學方法的改革與實踐，2008年建立了采礦工程虛擬仿真實驗教學中心。2014年，該中心被評為國家級虛擬仿真實驗教學中心。中心堅持理論教學與實驗教學相結合、虛擬仿真與實物儀器設備相結合的原則，研發了大量虛擬仿真實驗項目，構建了“模塊化、層次化、多元化”的虛擬仿真實驗教學體系[3，4]。隨之而來的是教學模式的轉變，實驗方法的理論教學由課堂轉到了線上，總結、討論和點評由課下進入課堂，實驗室實驗由對未知的現象觀察轉變為有預期的驗證，課程由教師主導的“教”變成了學生自主的“學”，實現了實驗類課程的翻轉教學，取得了良好的實驗教學效果。

一、虛擬仿真資源建設的必要性

《巖層控制的實驗方法與實測技術》是中國礦業大學采礦工程專業本科生的必修課程，也是最具有代表性的實驗類課程。該課程教學具有以下特點：（1）教學內容具有針對性。課程主要圍繞礦山壓力基本原理、規律和常用實驗方法、巖石力學性質與實驗方法、井巷工程技術等重要知識點開展實驗教學和科學探索。（2）教學項目具有前沿性。課程中創新性實驗項目大部分由優秀的科學研究成果轉化而來，體現了學科領域的最新研究進展，有利于學生了解學科的前沿知識，開闊視野。（3）實驗技術具有先進性。實驗室擁有各類實驗儀器設備6000余臺，涵蓋了巖石力學實驗、巖層移動模擬實驗、模型實驗、儀器儀表實驗、虛擬仿真實驗和數值模擬實驗共6大類的實驗儀器和設備。諸如虛擬仿真實驗等資源在國內具有領先地位。（4）實驗過程開放性。目前，部分實驗項目已通過虛擬仿真實驗平臺實現了資源共享、開放式實驗教學。通過網上預約，學生可自主選擇實驗時間、實驗內容，同時允許自擬實驗題目，自主設計實驗項目，發揮了學生的主觀能動性，提高了實驗設備利用效率。（5）教學過程具有啟發性和引導性。通過本門課程的實驗教學，在強化學生基本理論知識和掌握科學實驗方法的同時，還可以使學生對科學探索產生興趣，引導學生申請各類科研訓練項目，為學生提供實驗條件，支持學生進行科學探索。

按照教學過程的復雜和難易程度，該課程的實驗項目大致分為以下幾類：第一類是實驗原理明確、實驗操作較簡單的實驗項目，如巖石力學實驗、儀器儀表實驗等;第二類是原理較復雜，實驗部分可操作，如巖層移動的相似物理實驗等;第三類是原理復雜，實驗操作非常困難或者不可操作，如沖擊礦壓實驗、煤與瓦斯突出實驗等。對于這些不可逆的破壞性試驗，只能借助大型實驗裝置及制作成本和使用成本較高的試樣來完成，同時由于本科生缺乏該方向研究的專門知識和精確的操作技術，親自動手操作該類實驗還具有一定的危險性，目前實驗室還無法實現該類物理實驗的本科教學功能。

二、虛擬仿真項目建設

（一）虛擬仿真資源庫

針對采礦高危的極端環境、開采過程不可逆的操作、大型設備操作的綜合訓練高成本、高消耗等特殊情況，在采礦工程專業大學生的實踐創新能力培養環節中引入虛擬仿真實驗教學模式，不僅可解決傳統實驗教學面臨的難題，還有助于加強學生對專業知識的理解和掌握，拓展學生的知識面，激發學生對先進科學技術知識的追求[3-5]。根據實驗項目的層次和功能的不同，采礦工程虛擬仿真實驗教學中心建設了“認知礦山”“熟知礦山”“安全礦山”“綠色礦山”和“實驗方法”等五大類實驗教學資源，實現了多空間多系統演示仿真、綜合與設計仿真、創新與前沿仿真三個層次虛擬實驗教學功能。實驗資源分5大類，25小類共100多個虛擬仿真項目，知識點幾乎覆蓋采礦工程專業所有的主干課程。

（二）虛擬仿真資源設計

1.資源建設目標。學生可通過修改礦井地質和開采技術條件，模擬沖擊地壓的孕育過程、影響因素及沖擊現象;能夠模擬開采過程中巖層的運動規律，以及在掘進速度、采煤高度等開采技術條件、褶曲、斷層等地質構造條件等各個影響因素作用下沖擊礦壓危險性的變化規律;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性降低的情況。

2.資源建設內容。基本建設內容包括采場上覆巖層斷裂和運移規律、沖擊礦壓孕育過程及發生機理、沖擊礦壓解危與治理共三部分：（1）上覆巖層斷裂及運移規律。以三維場景建模，動態描述隨著工作面自開切眼開始推進，引起覆巖的初次斷裂與周期斷裂的動態過程;以多指標動態描述采煤工作面兩側和前后支承壓力的分布特征，以及支承壓力隨工作面推進的演化規律等。（2）沖擊礦壓影響因素及發生機理。根據輸入的采掘參數，以及褶曲、斷層、巖層結構等地質參數，實現多條件下巖層塌陷情況的實時仿真;再現采掘參數及地質條件等因素對沖擊礦壓的影響，實現沖擊發生過程、機理的交互模擬仿真。（3）沖擊礦壓解危與治理。可以根據具體的地質及生產技術條件，選擇性地輸入褶曲、斷層等地質參數及巖層爆破切頂、煤層放炮卸壓等技術參數，實現不同措施參數時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。開發平臺能保證虛擬仿真軟件的實時渲染、實時交互和良好的可操縱性，以強大物理引擎內核的虛擬仿真軟件開發平臺，具有強大的物理實時計算功能，能夠真實模擬場景重力、環境阻尼等環境特性。虛擬仿真實驗軟件界面干凈整潔，在保證運行流暢的情況下，盡可能地優化表面材質，區分不同部件的不同材料質感。地形地貌、山體、水體、地上地下人工建（構）筑物等的三維表達，要反映對象的空間位置、幾何形態、紋理及屬性等信息。確保在系統里的界面、按鈕、文字、圖片、視頻等可視化的元素清晰無誤。能實現自動演示、控制角度自由觀察、局部縮放和隨時畫面截圖等功能;能按要求提供現場聲、背景音樂、字幕等;貼圖細膩有質感，材質真實，動作流暢，鏡頭轉變較少。

三、虛擬仿真實驗教學平臺

為了統一展示虛擬仿真實驗教學資源，并為學生提供基于互聯網的虛擬仿真實驗平臺，中國礦業大學建立了“礦業工程虛擬仿真實驗教學平臺”，如圖1所示。該網站平臺具有信息發布、用戶登錄管理及收費系統、實驗課程導航、虛擬仿真教學資源展示及共享使用指南、在線學習及績效評價、實驗預約及開放管理、學術動態及交流活動等功能模塊。該平臺反映了中國礦業大學采礦工程專業在在線教學資源、虛擬仿真教學資源、師資隊伍等方面的建設成果，以及在教學資源開放共享、在線教學管理、學習評價體系等方面的創新成果。2017年，該平臺成為江蘇省礦業工程虛擬仿真實驗教學共享平臺。

四、實驗課翻轉教學方法

翻轉課堂教學模式，不僅僅是實現課堂教學形式的翻轉，更是“教”與“學”的轉變，本質上是學生學習主動權的變換[6]。學生更多地利用課下時間，使用互聯網自主且有選擇性地學習，更體現學習方式的個性化。課堂時間更多的是對學生自主學習的方向引導、方法指引、系統補充、錯誤糾正、內容強化和討論內化等。在這種教學模式下，教師的角色發生了很大的變化，不再是系統化、流程化的傳授知識，而是跳躍化、片段化、深入化知識的互動導引，需要教師具有更強的課堂把握能力。

實驗類課程的翻轉教學模式與理論課程有一些差異。理論課程的翻轉教學模式是學生通過在課下通過查閱教材、交流、網絡資源搜集等方式完成對理論知識的自主學習，課堂上由老師引導學生完成對重點、難點、疑點的討論。實驗類課程實現課堂翻轉以后，學生可以自主制訂實驗方案，通過網絡動態演示、人機互動等方式完成對自然現象和規律的過程再現。課堂時間主要用來對實驗結果進行討論分析。對于比較經典的實驗，或是有爭議的實驗結果，在實驗室可以進行驗證實驗。

以《巖層控制的實驗方法與實測技術》本科生課程為例，該課程共32學時，其中課堂教學和實驗室實驗各16學時。課堂教學主要是講授實驗方法和技能，在實驗室需要按照實驗大綱的要求完成20個左右的實驗項目。在傳統實驗教學過程中，教師的主要任務是講解實驗方法、步驟和注意事項，指導學生在實驗室完成實驗，最后是批改實驗報告并給定成績。主要教學過程是學生預習實驗內容、教師講解實驗、學生開展實驗、教師批改實驗報告。

實驗教學課堂翻轉以后，實驗方法講解和實驗過程等均由學生在虛擬仿真實驗教學平臺上完成，教師的主要任務是在實驗課上組織學生分組討論并進行點評、對爭議實驗開展實驗驗證，并指導學生完成從實驗現象觀察到科學本質探索的深化。學生可以根據任務目標導向，自主完成實驗方法、步驟、注意事項等學習，自主制訂實驗方案，自主完成實驗內容，并撰寫實驗報告。在討論環節，學生自由分組，有針對性地進行討論，實驗方法、結果都可以進行對比分析，教師組織課堂，對學生完成實驗情況和對實驗原理的把握程度有深入的了解，給定的成績也更科學。從本質上來說，“教師”變成了“導師”。實驗教學的課堂翻轉實現了教學空間的多樣化、教學形式的多樣化和教學目標的全面化。

五、結語

虛擬仿真教學是教育教學領域中的重要創新，有助于加強學生對專業知識的理解和掌握，拓展學生的知識面，激發學生對先進科學技術知識的追求。基于虛擬仿真技術開展實驗類課程的翻轉教學還處于探索階段，為解決實驗成本高、儀器設備臺數少、實驗過程不可逆、風險大等傳統實驗課中的難題提供了一個途徑，是對傳統實驗室實驗教學的重要補充。

參考文獻：

[1]王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，32（12）：5-8.

[2]張源，萬志軍，馬文頂，嚴紅.礦山壓力與巖層移動虛擬仿真實驗教學方法探討[J].實驗室研究與探索，2016，35（6）：83-86.

[3]馬文頂，吳作武，萬志軍，屠世浩，張源.采礦工程虛擬仿真實驗教學體系建設與實踐[J].實驗技術與管理，2014，31（9）：14-18.

[4]張東升，屠世浩，張利先，等.基于學科優勢的采礦工程專業創新人才全過程培養[J].煤炭高等教育，2010，28（3）：105-107.

[5]張東升，屠世浩，萬志軍，等.采礦工程特色專業創新能力培養的實驗教學改革探索[J].實驗室研究與探索，2011，30（3）：110-113.

[6]閻群，李擎，崔家瑞，等.基于翻轉課堂的電工技術實驗教學模式探析[J].實驗室科學，2016，19（4）：93-96.

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