線上線下雙軌制混合式教學優化與實踐
——以采礦工程專業“礦井通風與安全”課程為例

龔 爽

（河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003）

一、教改背景和意義

2018年6月，在新時代全國高等學校本科教育工作會議上，時任教育部部長的陳寶生第一次提出了“金課”的概念，提出“金課”的內涵主要在于課程的高階性、創新性和挑戰度。2018年11月，在中國大學教學論壇上，教育部高等教育司司長吳巖作了題為“建設中國‘金課’”的報告，他指出，課程是體現以學生發展為中心的“最后一公里”，課程雖是教育里的微觀問題，解決的卻是教育最根本的問題。教育部于2018、2019年先后出臺《教育信息化2.0行動計劃》《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》《教育部高等教育司關于開展2019年度國家虛擬仿真實驗教學項目認定工作的通知》等政策文件，明確提出國家虛擬仿真實驗教學項目是示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作的深化和拓展，是推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措。特別是2020年春季，新型冠狀病毒肺炎疫情對我國高校的正常教學活動造成了極大的影響。對于采礦工程專業本科生專業核心課程“礦井通風與安全”的教學而言，更加限制了學生深入礦井一線進行現場實習和動手參與實驗的可能性。鑒于此，河南理工大學開展了大范圍的線上虛擬仿真實驗項目建設，并積極將其融入“礦井通風與安全”課程的教學內容中。

隨著我國清潔能源的發展和煤炭行業智能化進展的加快，對采礦工程學科的發展提出了更高的要求。我校立足于中西部，積極響應國家煤炭智能化改革的政策，同時采礦工程專業為我校的傳統優勢專業，許多采礦專業的學生投身于國家能源開發的一線。2020年，3名采礦工程校友執掌的3家企業榮登全球企業500強榜單。

“礦井通風與安全”是研究礦井通風基礎理論和礦山災害（瓦斯、火災、礦塵、水害）防治技術的采礦工程專業的核心課程，是連接流體力學、安全科學與采礦工程專業的橋梁，具有實踐性和應用性較強的特點。在智能化和無人化采礦技術不斷發展的今天，如何讓課程教學與國際教育接軌；如何將最新的智能采礦及智能礦井通風的研究成果融入課題教學中；如何在地下礦井這一特殊環境中，彌補以往傳統教學僅靠模型參觀讓學生掌握礦井基本的生產工藝及安全管理方法的不足，通過虛擬仿真技術讓學生身臨其境地學習理解一系列（爆破工程施工及安全管理方法、沖擊地壓和煤與瓦斯突出等動力災害的預警及防治方法、井下突水危險探測方法等）極端教學環境下的教學內容，最終提升教學效果。這些課題正是當今課程教學所面臨的現實挑戰。

二、線上線下雙軌制混合式教學模式

針對以上所提出的問題，基于線上線下雙軌制教學模式的啟發，提出了基于線上虛擬仿真實驗、教學內容智能化改革及線下課程思政元素挖掘的“三位一體”線上線下雙軌制混合式教學優化模式，為本科學生深入理解掌握“礦井通風與安全”的基礎理論及安全管理提供了更為多樣化的學習路徑。

（一）融入虛擬仿真實驗

“礦井通風與安全”課程中涉及瓦斯、火災、礦塵、水害等多種極端環境和災害場景，一些案例中的真實通風技術、采掘工藝、礦井災害、設備操作等實驗項目很難在實驗室中開展。需要重點解決“礦井通風與安全”課程中有關不具備真實實驗項目條件或實際運行的困難，涉及的高?；驑O端環境、高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等問題。例如，典型的高瓦斯煤礦瓦斯抽采工藝實驗，包含鉆進介紹、操作步驟、鉆進方法、瓦斯抽采鉆孔布置等，供電電壓660V，設備功耗高達75kW，屬于典型高能耗、高風險行業，無法開展現場或者實驗室試驗。煤礦高瓦斯、突出礦井較多，煤礦安全形勢嚴峻，實習安排困難，很多礦區不愿意接收實習，制訂的實習計劃一般都難以完成。

河南理工大學歷來重視實驗教學改革，從早期的沙盤模型到信息化物理模型，再到交互式虛擬仿真實驗系統，一直走在礦業類高校的前列，2015年獲評國家級虛擬仿真實驗教學中心。自2013年起，課程組結合河南理工大學虛擬仿真實驗教學中心，在信息化物理模型的基礎上，將現代信息技術融入實驗教學項目，堅持“虛實結合”的原則，開發線下交互式虛擬仿真實驗教學系統。首先營造逼真的虛擬實驗環境，按照真實的設備操控臺制作仿真實驗操作臺，然后按照實驗項目的步驟、內容和要求，開發交互式仿真程序，使學生能夠在沉浸式的環境內開展相關實驗，并在后臺如實記錄學生的實驗過程和操作步驟，考核學生實驗的完成情況。為了進一步加強中心虛擬教學系統的共享和開放程度，自2015年開始，在線下虛擬仿真教學系統的基礎上，開發線上虛擬實驗系統，使學生能夠通過網絡終端自主學習實驗教學資源，并開展虛擬實驗練習，然后在規定的時間內完成相關的實驗操作，系統根據其學習和實驗操作的情況，按照綜合評價體系進行綜合考核。

《煤礦瓦斯抽采》屬于“礦井通風與安全”課程中第九章第六節的學習內容，是礦山開采的重要工作。在所有的高瓦斯礦井、突出礦井均有大量抽采鉆孔操作，其中，坑道式履帶鉆式鉆機是目前較先進的鉆井設備，設備性能還在逐步提高，新形勢下需要素質更高且能掌握先進掘進設備和工藝方面的人才。鉆機鉆進作業及瓦斯抽采手指口述內容作為該課程的主要教學內容，開設有相應的實驗課程，需要學生了解鉆機設備的工作環境，掌握鉆機組成和工作原理，訓練學生的鉆機操作能力和鉆機鉆進工藝操作技能，培養和鍛煉學生的手指口述綜合分析及設計能力。前期，主要通過模型講解、Flash動畫演示等手段展示和講解，學生以參觀和聽講為主，無法參與其中，學生自主學習和實驗教學效果較差。為此，將現代信息技術融入實驗教學項目，開發了線上瓦斯抽采鉆機操作虛擬仿真實驗系統，拓展了實驗教學內容的廣度和深度。

本實驗項目可以采用線上和線下交互式虛擬實驗系統共同完成。線上實驗教學系統擁有學生自主學習、模擬訓練、實驗操作及綜合考核等功能。學生在實驗開始之前先通過視頻教學資源講解，使其完全清楚實驗內容、步驟及要求，同時可以進行模擬訓練。通過自主學習后，再開展虛擬實驗，后臺會詳細記錄學生的自主學習、模擬練習及實驗操作的痕跡，最后給出綜合評價結果。線下實驗系統采用完全的虛實結合方式，鉆機的操作臺基本按照與真實設備1∶1的比例制作，虛擬場景是真實場景的虛擬再現，在通過VR頭盔、多通道環幕等沉浸式顯示環境，使學生獲得較強的臨場感，也可以通過虛擬設備自主設計實驗內容。通過線上和線下兩種虛擬實驗相結合，徹底改變了原來的模型參觀實驗教學方式，較好地拓展了實驗教學內容的廣度和深度，同時借助學校國家級虛擬仿真中心、國家一級安全培訓機構等平臺，實現向國內同類高校、煤炭企業培訓機構開放。開發線上虛擬實驗系統，使學生可以在任何計算機終端訪問實驗教學資源，并開展虛擬教學仿真實驗，完全打破了時間和空間的限制。通過開發線上和線下虛擬仿真教學系統，極大地提高了學生的參與度，實驗教學信息量也更加豐富了，打破了實驗教學時間和空間上的限制，完全改變了前期主要通過模型參觀的實驗教學方式，學生參與程度提高，臨場感增強，獲得了良好的實驗教學效果，提升了實驗教學的質量和水平。

（二）課程的智能化改革

將當前的智能通風理論與案例，如通風環境多元信息智能感知、通風狀態智能調控、智能網絡傳輸與智能通風設備等內容作為補充案例融入《礦井通風》章節的講授內容中，并且在通風網絡解算部分中融入Python/C++編程操作，以及機器學習和深度網絡等理論，鼓勵學生利用所學編程基礎知識開發礦山各類災害（瓦斯突出、火災、煤塵爆炸或突水事故）的智能預警系統，讓學生能夠將以往所學的編程知識真正應用于礦井通風與安全管理中，實現知識的交叉應用，并加深對“礦井通風與安全”基礎理論的理解。

此外，可以在《通風系統與網絡》章節的講授中融入當前智能通風的案例礦井，例如，陜西煤業化工集團有限責任公司中的黃陵礦業有限公司裝備了高精準感知通風設備，其傳感器在采集了礦井通風的壓力、溫度、濕度參數后，同步將其傳輸至控制中心進行數據融合和分析，隨后將分析后應該調整的參數反饋至通風構筑物和礦用通風機，實現設備各參數的調整。同時，該系統具有風阻類比數據庫，以及有毒有害氣體全空間實時分析功能。

在講授通風網絡的過程中，補充了前沿的風網監測與隱患辨識預警系統，能夠實現與采掘活動、運輸系統和地測資料同步互聯的數據監測體系，并對相應的通風網絡系統圖和通風系統立體圖進行了實時更新，達到了在控制中心實時掌握井下通風狀況參數的目的。此外，該預警系統還能夠根據巷道的變形情況、巷道支護參數，以及由季節變換引起的自然通風、摩擦風阻和局部阻力等參數的實時更新運算得出風量的最優分配方案、風網及風機的優化管理，并且連接至瓦斯和二氧化碳監測系統，基于大數據的分析算法，得出具有不同危險系數的礦井風速超限、風流短路或有害氣體超標等事故可能出現的概率，并進行自動報警和及時反饋。

（三）課程思政元素挖掘

在課程導論中，通過講解礦井通風的發展史，以及通風方法最早記錄于我國《天工開物》一書中的“燔石”章，使學生對我國的科學技術發展歷程有了更加深刻的認識，同時激發了民族自豪感，提升了文化自信。

在講解礦井安全部分時，首先和學生一起深入剖析近期的礦井安全事故案例及其原因和處理方法，如2020年6月10日，某省某煤業有限責任公司發生了較大的煤與瓦斯突出事故，造成7人死亡、2人受傷，直接經濟損失1666萬元。事故直接原因為該礦綜合防突措施執行不到位，掘進工作面瓦斯抽放鉆孔數量、抽采時間不夠，突出危險性預測流于形式，違規掘進施工導致了事故的發生。主要教訓有防突管理混亂、防突資料虛假、職工安全教育培訓不到位和地方煤礦安全監管部門履職不到位等。又如山西平遙峰巖煤焦集團二畝溝煤業有限公司發生的“11·18”瓦斯爆炸事故、重慶市永川區吊水洞煤業有限公司“12·4”重大火災事故、重慶松藻煤礦“9·27”重大火災事故和湖南省衡陽市耒陽市導子煤業有限公司源江山煤礦“11·29”重大透水事故等案例，通過剖析事故的發生過程、原因及從中汲取的教訓等，給學生以警示，讓其從慘痛的事故案例中明白礦井安全管理的嚴肅性和重要性，同時激發學生刻苦學習礦井瓦斯、礦井火災、礦塵和水災等的防治方法。

在講解礦井空氣流動理論中有關空氣流動的知識點時，結合我國流體力學專家和“兩彈一星”元勛錢學森的光榮事跡，激發學生的愛國主義情懷和為國奉獻的精神。同時，引導學生在課程開始時發起為我國雜交水稻之父袁隆平默哀三分鐘的悼念活動，通過袁老為我國的雜交水稻貢獻畢生的感人事跡，以及為我國的糧食安全做出的巨大貢獻，引導學生積極思考如何結合自己所學，樹立為我國能源安全貢獻力量的觀念。

結語

本文結合“礦井通風與安全”課程的定位，以及實踐性和應用性較強的特點，結合當前采礦工程專業的發展方向及趨勢，有針對性地提出了基于線上虛擬仿真實驗、教學內容智能化改革及線下課程思政元素挖掘的“三位一體”線上線下雙軌制混合式教學優化模式，為本科生深入理解掌握“礦井通風與安全”的基礎理論提供了更為多樣化的學習路徑。教學實踐表明，該教學模式不受傳統教學時間和空間的限制，通過將先進的虛擬仿真實驗課程資源、前沿的智能化通風教學內容及穿插在課堂中的思政元素等教學內容進行有機結合，激發學生的學習興趣，有助于學生對課程內容的深入理解和掌握，同時教學效果顯著。