采礦工程專業課程虛實結合教學模式探索

陳冬冬，謝生榮，吳仁倫，張守寶

（中國礦業大學（北京）能源與礦業學院 北京 100083）

信息化技術近年來得到了長足發展，其在教育教學當中發揮的作用也日益顯著。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010―2020 年）》指出：“信息技術對教育發展具有革命性影響，必須予以高度重視”[1]。高等教育是社會進步的重要保障，是國家發展和民族振興的基礎工程。黨的十八大以來，我國全面深化教育改革，加快推進社會主義現代化建設，高校作為人才培養基地和科學研究中心，在新時代中國特色社會主義事業中具有不可替代的作用，必須要牢牢把握信息技術對當今教育教學的積極影響[2]。采礦工程專業課程內容包含大量地下空間內容，如何有效提升采礦工程專業本科生的專業認知和專業興趣，從而進一步提高本科生的專業素養，是采礦工程專業本科教學的重中之重。然而傳統教學模式中存在許多薄弱環節，采礦工程專業教學模式改革勢在必行，基于信息化虛擬技術逐漸發展的大環境，“虛實結合”的新型教學模式是當前重要發展方向。

1 傳統教學模式的局限性

由于采礦行業的特殊性，尤其是涉及地下開采領域，需要學生在掌握理論知識之外，還要學會處理復雜的現場環境。注重系統科學知識培養的傳統教學模式，不可避免地存在一些問題。

1.1 教學內容更新滯后

國際上采礦專業出現較早，在西方產業革命期間已規模初具，具有悠久的歷史，中國最早在1909 年于中國礦業大學成立該專業[3]。經過多年發展，有關礦床開采的理論已相當成熟，但是從理論上派生出來的相關技術飛速發展，多學科交叉創新的研究成果不斷涌現。對于采礦工程專業本科層次的學生而言，教材理論知識與當前工程技術之間存在著時差，甚至存在采用十年之前傳統教材的情況，勢必造成教學內容更新滯后的問題。盡管部分教師在教學過程中適當補充最新的技術發展成果，但由于未形成系統的教學模式，容易使學生對其理解不夠深刻或產生偏差。

1.2 教學方式單一保守

傳統教學方式是以“灌輸式”保守教學方法為主，輔助以實驗。學習過程中，面對抽象的采礦空間和復雜的結構網絡關系，學生多處于被動接受知識的狀態，很難理解理論知識，特別是以采礦工程為背景的頂板空間結構研究，大多涉及力學知識，學習起來枯燥乏味，容易喪失對課程的學習興趣。長此以往，學生的主觀能動性越來越差，對專業及課程興趣度不高，更不必談創新。此外，多數院校所能提供的實訓、實習場所及時間等實踐條件有限，很難達到實踐教學的實際需求，使得實踐教學的效果得不到有效保障。從實際情況看，遠未達到理想效果。

1.3 實踐教學渠道受限

采礦工程是一門知識復雜、專業性強的專業，其知識體系囊括采礦、礦壓、瓦斯、安全、測繪等內容，盡管教學內容已形成系統，但在實踐內容上顯然有所欠缺。采礦行業新技術不斷革新，對實習基地提出了較高的要求，需投入更大規模的實訓場地與實訓設備，但目前大多數院校沒有建設相應的實驗室或實訓室，不能滿足教學需求；施工現場環境復雜多變、建設過程存在一次性不可逆的特點，加之施工周期長，工種多，致使學生在課程學習時出現理論難理解、與實際聯系不夠緊密的問題；同時隨著社會需求變化以及大學生就業形勢嚴峻，對畢業生提出了更高要求，但部分畢業生出現實習時間短、任務重，學生難以將所學專業知識運用于生產實踐，導致畢業后無法適應用人單位需要。

2 虛實結合教學模式的優越性

虛實結合教學模式的關鍵在于打破傳統教學模式的課程設置方式，致力于運用信息化虛擬技術和傳統教學相結合，升級課堂教學內容和效果，促進學生全面成長成才，提升大學生對專業知識和先進采礦知識的了解度及掌握度，以培養實踐性采礦人才為目標的教學體系。該教學模式已經在基礎教育、展覽教育、培訓教育等領域廣泛應用[4]。

2.1 教學資源開放共享

信息化虛擬技術作為互聯網發展到一定階段的產物，它具有互聯網共享性和開放性等特點[5]。信息化技術條件下，教學課件能夠通過網絡進行發布與傳播，教學過程中教師和學生都可借助于網絡查找相關的教學及學習的資料，教學課件也可供師生重復使用，避免出現學生因上課跑神錯過知識點的學習。在網絡渠道的幫助下，老師們還可以實現信息的交流和共享，同時學生也能及時獲得老師對自己學習情況的反饋與評價，進一步促進教學水平和質量的提升。充分利用信息開放共享的優勢，跨學科多學科交叉學習，不斷融合其他專業的知識，培養學生運用多學科的視角解決復雜現實問題的能力，滲透創新思維。

2.2 教學模式科學高效

緊隨時代發展，虛擬仿真技術逐漸成熟，虛擬教學是利用信息化虛擬技術模擬實際實踐教學環境，形式類似動畫，但更具互動性和真實感。利用3D、VR 等現代化技術創造出的采礦虛擬實驗平臺，可以直觀模擬礦山現場環境及其作業過程，結合課堂虛擬演示與實際設備操作，有效調動學生多種感官，讓學生身臨其境，創造想象空間，激發學習興趣，發揮學生主體優勢，使課堂更加生動有趣。通過理論學習與實際應用有機結合，幫助學生理解理論教學知識，強化理論知識和實際操作能力，達到更理想的教學效果。

2.3 拓寬實踐教學渠道

采礦工程專業因其特殊性決定了其人才培養過程中要著重培養學生的綜合素質和能力，特別是實踐環節的培養。虛擬仿真系統能夠真實再現礦山生產全流程，包括開拓、采準、切割和回采等。在此基礎上，可通過計算機重現礦井生產系統及裝備、礦井開采方法及工藝、設備工作原理及使用過程、災害演變過程、礦壓觀測原理與測試技術等。學生僅需一臺計算機，安裝相應軟件就可在虛擬仿真實驗教學平臺上自行學習與自主操作，方便快捷，大大減少購買大型實驗設備的費用，還能做到及時更新，解決因實踐條件不足帶來的困難，同時還避免復雜實習環境中存在的不安全因素。將信息化虛擬技術融入采礦工程專業實踐教學中，拓展實驗教學的廣度和深度、延伸實驗教學的時間和空間，對完善當前實踐教學方法具有較大意義。

3 采礦工程專業課程虛實結合教學體系建設

虛實結合教學模式以發展學生學習能力、實踐與創新能力為基本導向，促進學生積極探索，增強其主動思考、分析和解決問題的能力。該教學模式對于提高學生興趣，增強課堂效果，強化學生素質教育等方面都具有積極意義，因此在采礦工程專業課程中構建虛實結合的教學體系，是推進教學改革的重要任務。

3.1 搭建教學平臺

搭建教學平臺，是實施虛實結合教學的基本保障。充分發揮本學科特色，以采礦工程專業核心課程知識體系為理論基礎，擴展至學科前沿和行業發展最新研究成果，利用“三維仿真”“網絡信息化”作為技術手段，構建線上線下相結合的虛擬教學平臺。將信息化技術運用于線上平臺，開發信息化教學系統，并在線下環節引入虛擬仿真技術，建立虛擬仿真實驗室。線上平臺可構建PC 端和移動端2個端口，通過授權范圍內的個人賬號和密碼便可進入學習，用戶可隨時隨地調用其中的內容，同時可以實現教師、學生之間在線交流學習。線下環節則更注重實踐實操，打造一個真實的生產現場和安全的基礎實驗環境。

3.2 建立教學資源庫

數字化教學資源能激發學生的學習興趣，是培養學生自主學習能力和創新能力的有效途徑。建設的重點可劃分為網絡課程、名師課堂、案例庫等幾方面。網絡課程是在網絡條件下圍繞整體的教學單元對教學內容和教學活動進行系統性的安排。名師課堂則是通過流媒體技術對名師豐富的授課經驗以及深厚的學術底蘊進行實時直播、錄制，制作出完整的多媒體課件并上傳至線上教學系統，再根據不同的專業知識進行整理分類。實現資源共享、教育機會均等的同時還為年輕教師提供了權威示范教學教材。可將國家重大科研項目加入案例庫中并向本科教學開放，另外還需要加強和企業的合作，把生產中的實際問題引入教學中，這對培養綜合性人才具有重要意義。

3.3 營造實訓環境

為培養學生的安全意識，提高動手能力，應注重實踐環節，一個優良的實訓環境十分必要。從學科特色出發，綜合借助環境建模、立體聲合成、立體顯示和觸覺反饋等技術模擬生成可交互的三維動態環境，在此環境下，學生能夠接觸到視覺、聽覺、觸覺等多種感官的沉浸式體驗，能獲得身臨其境的感受。多創建以觸摸屏為學習終端的實訓設備，可以全天向學生開放；加強校企合作，聘請企業教師共同參與虛擬仿真實驗指導；開展啟發式、討論式實驗教學，引導學生正確觀察實驗現象，正確分析實驗結果，領會實驗技巧；引入任務驅動教學模式，創設情景，加深學生對知識的理解，主動學習。

3.4 完善考核體系

學業考核是整個學習過程必不可少的環節，傳統教學中單一考試方式不能有效的衡量學生綜合能力的提升情況，多維度開展學業考核，需完善與線上線下融合的教學模式相適應的考核體系，主要由過程性考核機制與信息化評價體系兩部分組成。以教學平臺為依托，教師可事先共享課件及相關資料，在課堂上引入點名、搶答等環節，課后可立刻展開線上小測驗，將考核安排在整個學習過程中。此外通過互聯網展開師生之間、生生之間的互動和討論環節，解答學生遇到的問題。運用信息化技術，對提出的問題和學生的學習數據收集并分析，理清教學過程中存在的問題以及改進方向，及時調整教學活動計劃，進而提升教學效果。

4 總結

在教學中引進現代信息技術和現代教育技術，結合實物教學與虛擬技術是教學改革的有效手段。虛實結合教學模式具有虛實并存、優勢互補的優勢，能夠克服傳統教學模式的薄弱之處，實現資源跨空間、跨時間共享，創造逼真的學習情境，節省教學成本、時間成本，虛實結合的實驗教學過程更凸顯真實性、互動性和趣味性，能夠充分調動學生的學習積極性。各高校應緊隨時代，開展虛實結合的教學改革，這必然會推動高等教育課程教學邁上新臺階，也必將促進高等教育人才培養綜合素質的不斷提升。