線上線下混合式教學(xué)模式研究及實踐
——以“礦山虛擬仿真實踐”課程為例

張源 萬志軍 馬文頂 程敬義 中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院

● 引言

創(chuàng)新精神和實踐能力是高級專門人才的主要特征，實踐教學(xué)是培養(yǎng)大學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié)。[1-2]受新冠疫情影響，高等院校的專業(yè)實踐教學(xué)遇到了一些困難，尤其是工科專業(yè)的企業(yè)現(xiàn)場實踐環(huán)節(jié)，質(zhì)量較難保證。為了完成教學(xué)任務(wù)，各高校不斷創(chuàng)新實踐教學(xué)形式和方式，其中線上線下混合式教學(xué)得到了較廣泛的應(yīng)用，成功教學(xué)案例不斷出現(xiàn)。

筆者通過實踐發(fā)現(xiàn)，基于虛擬仿真實驗資源，開展線上線下混合式實踐教學(xué)，不僅可以充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)學(xué)習(xí)自由度大、可重復(fù)性強、受眾廣及虛擬仿真直觀形象、交互性強等優(yōu)勢，還可以再現(xiàn)現(xiàn)場場景，改善學(xué)生體驗，盡可能保證教學(xué)效果。筆者所在學(xué)校采礦工程專業(yè)的虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)在實踐教學(xué)中發(fā)揮了重要的作用——已涵蓋大部分專業(yè)知識點，資源形式也實現(xiàn)了多樣化，已具備單獨設(shè)置虛擬仿真實驗課程的條件，尤其是在新冠疫情期間，降低了疫情對實踐教學(xué)的影響。

目前，學(xué)校采礦工程專業(yè)已經(jīng)把部分虛擬仿真資源整合編入“礦山虛擬仿真實踐”課程中，制訂了課程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，開展了線下線上混合式教學(xué)實踐，豐富了專業(yè)實踐教學(xué)手段，改進(jìn)了實踐教學(xué)方式方法，補充了傳統(tǒng)現(xiàn)場實踐教學(xué)的不足，保證了實踐教學(xué)質(zhì)量。

● 課程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制訂

“礦山虛擬仿真實踐”是采礦工程專業(yè)的專業(yè)拓展課程，共分3章，分別是認(rèn)識礦山、安全礦山和智慧礦山。課程設(shè)有虛擬仿真體驗、虛擬仿真實操和虛擬仿真實驗3個環(huán)節(jié)。

1.課程目標(biāo)

通過本課程的學(xué)習(xí)，能鞏固和拓展所學(xué)的采礦工程專業(yè)知識，加深對礦山開采、災(zāi)害防治、智能開采等技術(shù)的理解，并了解最前沿的采礦技術(shù)及發(fā)展趨勢；能把采礦工程專業(yè)知識和現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，具有多學(xué)科交叉的意識；具有在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析和解決問題的能力和素質(zhì)；能夠理解人工智能、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代科技對傳統(tǒng)礦山可持續(xù)發(fā)展的重大意義，做中國特色社會主義現(xiàn)代化礦山建設(shè)和資源開發(fā)事業(yè)的建設(shè)者和接班人。

對照工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，課程可對工程知識、設(shè)計/開發(fā)解決問題、現(xiàn)代工具、工程與社會、環(huán)境可持續(xù)、個人和團隊、溝通和終身學(xué)習(xí)共8條畢業(yè)要求起到支撐作用。

2.課程內(nèi)容

課程內(nèi)容包括認(rèn)識礦山、安全礦山和智慧礦山，共計64學(xué)時（2學(xué)分）。從內(nèi)容上來看，這三章層層推進(jìn)，逐漸深入。每一部分均包含體驗、實操和實驗環(huán)節(jié)，每一個教學(xué)環(huán)節(jié)都有對應(yīng)的思政教學(xué)點（如下表）。

3.教學(xué)組織

本課程作為專業(yè)拓展課程，目的在于加深學(xué)生對采礦工程專業(yè)知識的理解，進(jìn)一步完善采礦工程專業(yè)本科生的知識結(jié)構(gòu)。在教學(xué)過程中，主要內(nèi)容設(shè)置遵循“能實不虛，虛實結(jié)合”的原則，在重點介紹煤炭開采的基本知識、開采技術(shù)的同時，可以適當(dāng)介紹虛擬仿真技術(shù)。

同時，本課程教學(xué)突出動手能力培養(yǎng)，教學(xué)內(nèi)容側(cè)重礦山開采技術(shù)、災(zāi)害防治技術(shù)、環(huán)境保護(hù)等方面。課程學(xué)習(xí)途徑可以多樣化，建議教師充分利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)質(zhì)資源進(jìn)行教學(xué)和引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課程學(xué)習(xí)。在教學(xué)過程中，突出教師的引導(dǎo)作用，充分發(fā)揮學(xué)生個人的主觀能動性，積極實踐課堂教學(xué)的翻轉(zhuǎn)。課程采用線上、線下混合式教學(xué)方法。線上教學(xué)以預(yù)習(xí)、自學(xué)和多角色任務(wù)演練為主，線下教學(xué)以實操為主。

● 平臺和資源建設(shè)

筆者所在學(xué)校擁有采礦工程國家級虛擬仿真實驗中心，為“礦山虛擬仿真實踐”課程的開設(shè)提供了高層次的實踐教學(xué)平臺。目前，中心擁有各類虛擬仿真軟硬件100余臺（件、套），建立了“多空間多系統(tǒng)演示仿真實驗、綜合與設(shè)計仿真實驗、創(chuàng)新與前沿仿真實驗”三個層次、不同模塊相互交叉融合滲透的虛擬仿真教學(xué)資源體系，其中包括線上互動資源、視頻動畫及線下互動實操等多種類型，在本科生實踐教學(xué)中發(fā)揮了重要作用。[3-4]

同時，通過虛擬場景再現(xiàn)和過程仿真，學(xué)校自主開發(fā)了在線交互式“煤礦智能化工作面開采虛擬仿真實驗”，吸收了巖層控制及智能開采領(lǐng)域最新研究成果，主要服務(wù)于“采礦學(xué)”“礦山壓力與巖層控制”及“智能采掘”等核心課程。實驗包含多個高仿真度的交互性操作模塊，涉及智能采煤工作面生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。學(xué)生可通過自主選擇進(jìn)刀方式、移架方式等實驗條件及參數(shù)搭配出上百種實驗方案。

課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

除了以上虛擬仿真平臺和資源，國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺上的虛擬仿真實驗資源也非常豐富，目前共有3250門，其中礦業(yè)類35門，在礦業(yè)類課程中，采礦工程有23門課程。這些虛擬仿真課程是礦業(yè)類院校集中優(yōu)勢師資隊伍建立的高質(zhì)量虛擬仿真資源，具有重要的應(yīng)用價值。

● 教學(xué)設(shè)計與實踐

“礦山虛擬仿真實踐”課程設(shè)計了線上課程學(xué)習(xí)、線上實踐和線下實操3個教學(xué)環(huán)節(jié)。線上課程學(xué)習(xí)主要通過在線課程、視頻動畫等方式，使學(xué)生了解虛擬仿真的基本知識，以及對虛擬仿真資源的使用進(jìn)行培訓(xùn)等。線上實踐主要在“國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺”（網(wǎng)址為http://www.ilab-x.com/）上完成。線下實操部分在學(xué)校采礦工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心完成。實踐和實操內(nèi)容主要包括線上虛擬仿真實驗、智能綜采工作面模型操作、煤礦VR智能體驗和煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)仿真實操等，涵蓋課程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的實驗內(nèi)容。

線上實踐環(huán)節(jié)，要求學(xué)生至少完成4個線上課程的虛擬仿真實驗，其中在煤礦智能化工作面開采虛擬仿真實驗、綜采放頂煤虛擬仿真教學(xué)實驗等4個國家級一流課程中任選2門，在煤巷綜掘裝備及快速支護(hù)掘進(jìn)工藝虛擬仿真、煤礦掘進(jìn)安全虛擬仿真實驗等8個申報課程中至少選2門。在所選4門課程中，要求必須完成虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)，完成實驗后要提供成績證明。圖1所示為煤礦智能化工作面開采虛擬仿真實驗的界面。

圖1 線上虛擬仿真實驗

在線下實操環(huán)節(jié)，學(xué)生5~7人編為一組，自主分組并編號，分批進(jìn)入實驗室。智能采煤工作面模型操作，要求在集控室遠(yuǎn)程完成采煤機記憶割煤、跟機移架、推移刮板輸送機等工藝過程，如圖2所示。在煤礦VR智能體驗中，要求學(xué)生戴頭盔完成緊急避險、崗位作業(yè)流程等仿真視頻觀看和互動操作，如圖3所示。煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)仿真實操部分，要求學(xué)生在對應(yīng)的虛擬仿真設(shè)備上完整完成采煤工藝、掘進(jìn)工藝、主副井提升等操作工作。上頁圖4所示是學(xué)生在操作掘進(jìn)虛擬仿真設(shè)備。

圖2 智能采煤工作面實操

圖3 煤礦VR智能體驗

圖4 巷道綜合機械化掘進(jìn)虛擬仿真實操

2021-2022學(xué)年第1學(xué)期，“礦山虛擬仿真實踐”課程首次在采礦工程卓越工程師班中開設(shè)，選課學(xué)生共26人。從過程來看，學(xué)生普遍對該課程感興趣，參與程度很高，對該授課方式普遍接受。從完成情況來看，學(xué)生均能完成教學(xué)設(shè)計中規(guī)定的實踐內(nèi)容，完成度高，但是完成質(zhì)量參差不齊。從課程成績來看，平均分為86.4分，總體優(yōu)秀。以上情況說明，基于虛擬仿真資源的線上線下混合式實踐教學(xué)模式應(yīng)用效果較好。

當(dāng)然，實踐中也存在以下三個方面的問題：一是線上的虛擬仿真資源占用內(nèi)存較大，加載時間較長，對網(wǎng)速要求較高，只能在計算機上學(xué)習(xí)，手機終端無法使用，這在一定程度上影響了學(xué)生的體驗；二是實操部分的虛擬仿真設(shè)備臺數(shù)有限，學(xué)生分組較多，實操時間過長，教學(xué)組織困難；三是評價體系還需要進(jìn)一步完善。

● 結(jié)語

虛擬仿真實驗教學(xué)作為新形勢下現(xiàn)代實踐教學(xué)的重要手段之一，在人才培養(yǎng)中的作用越來越明顯。在后疫情時代，基于虛擬仿真資源的線上線下混合式實踐教學(xué)模式應(yīng)不斷發(fā)展完善。