采礦工程專業虛擬仿真實驗室教學體系建設*

薛黎明，劉 哲

（中國礦業大學（北京）能源與礦業學院，北京100083）

0 引 言

虛擬仿真實驗室以人機交互、3D 建模和云計算等技術為基礎，對實驗設備、場景、步驟進行模擬，使學生在虛擬中進行實驗，完成教學任務[1]。采礦工程專業傳統實驗室不具備或難以完成的教學實驗，虛擬仿真實驗室可輔助實現，實現教學資源體系完整化。學生可在采礦工程專業虛擬仿真實驗室平臺中熟悉礦井環境、礦井設計、礦井采掘、礦井災害防治等，從而有效提高學生的理論基礎和專業技能，進而提升學校的教學質量。為促進虛擬仿真實驗室的建設，從2013至2015 年間教育部開展了300 個國家級虛擬仿真實驗教學中心建設的工作，推動高校實驗教育創新，從2017 年開始啟動認定示范性虛擬仿真實驗教學項目[2]。全國高校正在積極的開展虛擬仿真實驗室的建設工作。中國礦業大學（北京）于2018 年建立采礦與安全虛擬仿真實驗室并用于實驗教學。本文通過分析國內礦業高校采礦工程專業的實驗教學現狀，并結合中國礦業大學（北京）采礦專業實驗教學實踐，發現采礦工程實驗教學存在一些共性問題，并針對相關問題對采礦工程專業虛擬仿真實驗室教學體系建設提出建設意見，可為其他礦業高校虛擬仿真實驗室建設提供參考。

1 采礦工程專業傳統實驗室教學模式及存在的問題

隨著各礦業高校生源的不斷擴招，使得學生人數增長速度過快與傳統實驗室資源不足的矛盾開始顯現。傳統的采礦工程專業實驗室會受到實驗設備價格昂貴、品種短缺、教學內容形式單一等條件的約束，不利于提高礦業院校教學質量，無法滿足培養綜合型人才的教學需求。

1.1 教學內容和形式比較單一

采礦課程教學多以課堂理論講解為主，實驗教學輔助配合，對如礦井開采、井田開拓等難理解的抽象專業知識配合實驗講解[3]。傳統采礦工程專業實驗教學主要形式是由實驗教師對實驗的原理和過程進行講解，示范實驗操作，最后由學生操作完成實驗基本內容，教師多注重是否完成實驗任務，缺少實驗過程中對創新思維的引導，這種“傳輸-接受”的實驗方式不利于提高學生的動手能力和對專業知識的理解，學生在實驗中的創新靈感因為實驗條件有限很難得到驗證和延伸，不利于培養學生的創新和實踐能力。

1.2 實驗時間和設備資源有限

一方面采礦工程專業實驗課時相對較少不利于學生實驗操作。另一方面大多數設備價格昂貴，經費投入不足，導致實驗室設備數量和種類較少，影響專業教學的正常開展。多數學生需對實驗進行多次操作才能掌握該實驗，由于資源有限，學生往往只能對實驗進行一次操作，這限制學生對知識的拓展。在采礦工程專業實驗課程中，會接觸到許多設備，但由于很多設備是封閉的，學生難以真正理解設備的原理和過程，這樣會影響學生專業的抽象的理論知識和學習效果。

1.3 實驗教學管理問題

采礦工程是實踐性較強的專業，專業理論知識的學習和創新實踐離不開實驗教學活動[4]。但在采礦工程專業的教學中，部分高校對實驗室管理工作不夠重視，把實驗教學僅當做教學過程中的一個輔助，有些高校把經驗不足的老師安排到實驗崗位，有時會因缺乏相關經驗影響實驗教學效果。不重視專門從事實驗教學崗位的教師，導致實驗室教師工作態度不夠積極。實踐能力強、學科特色鮮明的實驗教學管理隊伍不利形成，不利于采礦專業教學實驗的開展和科研創新。

2 采礦工程專業虛擬仿真實驗室建立的必要性

目前已有很多礦業高校在采礦工程專業虛擬仿真實驗室建設方面作出了好的示范。如東北大學利用采礦虛擬仿真實驗室服務于學生教學工作和課題研究；中國礦業大學建立采礦虛擬仿真實驗平臺，用于教學和科研工作[5-6]；在這種形勢下，中國礦業大學（北京）在2018 年建立采礦與安全虛擬仿真實驗室用于實驗教學，為教學提供礦山高危環境綜合性強、創新型強、復雜度高的典型實驗項目，顯著提高教學水平。在信息技術迅速發展的背景下，虛擬仿真實驗室成為采礦工程專業實驗教學的重要組成部分，它能有效提高實驗室的合理利用和經濟效果，提供豐富多彩的實驗內容。

2.1 緩解實驗室受經費和資源限制的重要途徑

在采礦工程專業虛擬仿真實驗中，利用計算機的優勢，通過虛擬仿真實驗模擬真實的實驗儀器設備和實驗場景。學生可隨時隨地利用采礦工程專業虛擬仿真實驗平臺操作實驗，且實驗可重復的操作演示，讓學生完全掌握實驗的原理和過程。這既可以克服實地資源緊張的困難，減少課程時間和實驗設備的制約，使教學實驗時間更自由，也能夠降低認識實驗的成本，提高了學生的學習質量和教師的教學質量。

2.2 提升教學資源共享的內在要求

學校可通過合理有效的開放運行機制管理虛擬仿真實驗室，服務學校的實驗教學計劃目標，又服務師生設計的創新型科研實驗項目，提升實驗室使用效率，為教師科研項目提供必要的實驗需求。采礦工程專業虛擬仿真實驗室的建設能加強學校之間、學科之間、教師以及學生之間的聯系與交流。采礦工程專業虛擬仿真實驗室在服務學校教學的基礎上，還可為礦山企業及研究院服務，充分地共享實驗資源。

2.3 培養專業型人才的迫切需要

為國家培養具有高專業素質的綜合型人才是高校的目標和責任。尤其針對采礦工程專業而言，學生需要掌握采礦學、通風安全建設、機電和排水系統管理等專業知識，而這些知識的學習需不斷的實踐來鞏固。由于受到安全、環境、繁忙生產等因素的影響，學生難以在真實現代化礦井危險環境進行系統學習和實驗。因此需要開設相關虛擬仿真實驗課程，通過采礦工程專業虛擬仿真實驗平臺使學生的專業實踐操作技能得到鍛煉，能獨立思考并解決遇到的實驗難題。

3 采礦工程專業虛擬仿真實驗室的教學體系建設

隨著虛擬仿真實驗室的建設逐漸增多，也出現了一些問題。如：院校虛擬仿真實驗室的教學資源整合與開放共享程度普遍較低，教學管理體系不完善等[7-9]。據此，對采礦工程專業虛擬仿真實驗室教學體系建設提出以下幾點有針對性的建議，實驗室教學體系建設結構如圖1 所示。

圖1 虛擬仿真實驗室教學體系建設結構

3.1 開放與共享虛擬仿真實驗室資源

在示范性虛擬仿真實驗室的帶領下，高校間可建立統一的交流機制和資源共享平臺系統。已建設采礦工程專業虛擬仿真實驗室的可以和其他專業融合，形成多專業綜合性實驗室，實現優勢互補，并可以輻射沒有虛擬仿真實驗室的礦業院校，實現采礦工程專業虛擬實驗室資源開放與共享，避免虛擬仿真實驗室重復建設和功能單一等缺點。相互學習借鑒優秀的虛擬仿真實驗教學方法和理念，均衡發展礦業院校的虛擬仿真實驗教學水平，整體提高高校在虛擬仿真實驗室教學發展的水平。

3.2 加強虛擬仿真實驗室的教學隊伍建設

采礦工程專業虛擬仿真實驗教師團隊要能夠滿足實驗教學的要求，緊跟科技前沿和工程實際。培養高水平的虛擬仿真實驗教學隊伍，院校既要制定虛擬仿真實驗教師的崗位職責制度，又要制定合理有效的考核監督和激勵機制，提高教師的積極性。鼓勵高水平教師積極加入到采礦工程專業虛擬仿真實驗教學工作中，制定科學合理的師資建設規劃，鼓勵和支持專業實驗室教師參加相關技能培訓，提高教師的知識儲備和教學能力，最終形成一支專業的虛擬仿真教學隊伍。

3.3 建立科學合理的虛擬仿真實驗室管理體系

科學合理的管理體系是促進高校虛擬仿真實驗室的建設和發展的重要保障，需結合學校和專業特色等實際情況綜合考慮建立合理的管理體系。管理體系如圖2 所示。

圖2 虛擬仿真實驗室管理體系

在各級領導的配合工作下，逐步建設完善合理的虛擬仿真實驗管理體系。建立虛擬仿真實驗室監督體制，對已經建成的或正在規劃籌建的虛擬仿真實驗室定期進行考核監督，使實驗室發揮應有的作用。

3.4 采礦工程專業虛擬仿真實驗室課程教學模式

綜合考慮采礦工程的專業特點和實際情況，將采礦專業課程教學與虛擬仿真實驗結合，強化實踐教學，利用計算機虛擬仿真技術，將教學過程中存在的重難點內容通過虛擬仿真的方式再現，使學生們對采礦課程的理解和掌握更加深刻。針對礦山的建設和開采，將礦山巷道、采煤方法、井田開拓方式、礦井通風等專業知識展現給學生，通過虛擬仿真環境模擬使礦山系統立體化，提高學生學習的感知水平，培養學生的創新思維和專業實踐。

4 結束語

采礦工程專業虛擬仿真實驗室的建設，實現了現代信息技術和實驗室教學的深度融合。使學生能夠在虛擬仿真環境下開展實驗，實驗教學內容更加生動有趣和豐富多彩，給傳統的采礦工程專業實驗教學注入新的活力。將采礦工程專業虛擬仿真實驗室與傳統采礦實驗室有效結合，對采礦工程專業虛擬仿真實驗室建設不斷推陳出新，將虛擬仿真實驗室建設和發展成為培養高素質、綜合型采礦工程專業人才的重要教學平臺。