礦業(yè)類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一流課程創(chuàng)新與實(shí)踐

趙國貞　李建忠　弓培林

［摘 要］ 2020年，“礦山巖層移動(dòng)及控制”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)獲批國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一流課程，課程響應(yīng)國家“能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)建設(shè)的指導(dǎo)方針，將信息技術(shù)與采礦實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)融合。課程開創(chuàng)了線上線下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，將基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬教學(xué)與基于實(shí)踐的課堂教學(xué)深度融合，激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，提升了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，實(shí)踐教學(xué)效果良好，為礦業(yè)類專業(yè)一流課程建設(shè)提供了新思路，同時(shí)可推廣到其他礦業(yè)類高校，實(shí)現(xiàn)資源共享。

［關(guān)鍵詞］ 礦山巖層移動(dòng)及控制；一流課程；虛擬仿真；虛實(shí)融合；課程建設(shè)

［基金項(xiàng)目］ 2021年度山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目“學(xué)生中心虛實(shí)融合的礦業(yè)類專業(yè)一流課程創(chuàng)新與實(shí)踐”（J2021197）；2021年度山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目“新工科背景下基于金課理念的采礦專業(yè)核心課程教學(xué)改革與實(shí)踐”（J2021116）；2021年度教育部第二批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“‘巖層控制模擬技術(shù)（全英）一流課程建設(shè)”（202102490016）

［作者簡介］ 趙國貞（1985—），男，山東泰安人，博士，太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院副教授，主要從事巖體力學(xué)與采礦工程研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.4 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）22-0108-04［收稿日期］ 2022-07-25

引言

隨著人們對(duì)課堂教育質(zhì)量的不斷追求，“金課”已然成為新時(shí)代中國高等教育改革與發(fā)展中最重要的因素之一［1］。采礦工程專業(yè)課程的研究對(duì)象是條件艱苦、環(huán)境復(fù)雜的煤礦，課程實(shí)驗(yàn)因耗時(shí)長、成本高、難控制、安全性等因素?zé)o法真實(shí)有效地開展，虛擬仿真一流課程為采礦工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)提供了新的思路和方向。太原理工大學(xué)采礦工程系與北京潤尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司開展技術(shù)合作，共同建設(shè)了“礦山巖層移動(dòng)及控制”虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)，2020年該實(shí)驗(yàn)獲批國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一流課程。對(duì)“礦山巖層移動(dòng)及控制”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新與實(shí)踐，在課程內(nèi)涵延伸、必要性及先進(jìn)性、教學(xué)方式方法、教學(xué)成效等方面體現(xiàn)了明顯的特色，為礦業(yè)類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一流課程的建設(shè)提供了指導(dǎo)和借鑒。

一、虛擬仿真“金課”的建設(shè)內(nèi)涵

為什么要建設(shè)虛擬仿真“金課”？以礦業(yè)類專業(yè)課程為例，煤炭行業(yè)具有高危險(xiǎn)、高能耗、災(zāi)害不可逆轉(zhuǎn)等特點(diǎn)；煤礦安全形勢(shì)嚴(yán)峻，實(shí)習(xí)安排困難、實(shí)習(xí)效果差；實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段單一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新慢，教學(xué)效果有待提升；傳統(tǒng)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的教學(xué)方法和手段已不能滿足學(xué)生需要，這些問題嚴(yán)重影響了礦業(yè)類專業(yè)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)［2］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一流課程將信息技術(shù)、智能技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合，著重解決了課程不具備真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行困難等問題［3］。與此同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一流課程極大地拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間和空間上得到了提升，其建設(shè)成效也成為衡量高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要指標(biāo)［4］。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于礦業(yè)類專業(yè)課程的必要性

“礦山巖層移動(dòng)及控制”實(shí)驗(yàn)是采礦工程專業(yè)的學(xué)生必須掌握的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)涉及的課程主要有“采礦學(xué)”“礦山壓力與巖層控制”“巖層控制模擬技術(shù)”“礦壓測試技術(shù)”等。實(shí)驗(yàn)主要采用了物理相似模擬方法，包含模型設(shè)計(jì)、材料配比計(jì)算、材料準(zhǔn)備、模板架設(shè)、模型鋪裝、干燥、開挖、觀測和數(shù)據(jù)分析等流程，但是該方法存在材料消耗大、勞動(dòng)強(qiáng)度大、實(shí)驗(yàn)成本高、實(shí)驗(yàn)周期長、實(shí)驗(yàn)過程不可逆、實(shí)驗(yàn)環(huán)境差、實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)［5］。鑒于以上情況，采礦工程專業(yè)本科生的“巖層控制相似模擬實(shí)驗(yàn)”教學(xué)目前只以參觀為主，難以保證教學(xué)效果。因此，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)研究物理模擬實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)現(xiàn)方法，制作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)礦業(yè)類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)至關(guān)重要。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，共享學(xué)習(xí)資源，開放學(xué)習(xí)空間，以學(xué)生自學(xué)為主、教師指導(dǎo)為輔，鼓勵(lì)學(xué)生在特定的礦山環(huán)境下創(chuàng)新礦山巖層移動(dòng)及控制模式，引導(dǎo)師生共同完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不斷提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和解決采礦復(fù)雜工程問題的能力［6］。

三、“礦山巖層移動(dòng)及控制”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新精神和綜合實(shí)踐能力為導(dǎo)向，遵循系統(tǒng)化、情景化、過程化、以實(shí)為本、虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、能力提高與交互性等原則，按照“緊跟學(xué)科發(fā)展，立足社會(huì)需求，夯實(shí)實(shí)踐能力，強(qiáng)化技能，培育團(tuán)隊(duì)精神，提高創(chuàng)新能力”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念，科學(xué)規(guī)劃了“礦山巖層移動(dòng)及控制”實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，形成了“統(tǒng)一平臺(tái)、分項(xiàng)虛擬、虛實(shí)結(jié)合、全方位共享”的虛擬仿真教學(xué)體系，以解決不具備真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行困難等在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的問題［7］。

（一）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)采用B/S架構(gòu)，從技術(shù)層面看共分為五層，從底層向上分別為數(shù)據(jù)層、支撐層、通用服務(wù)層、仿真層和應(yīng)用層，每一層都為其上層提供服務(wù)，直到完成具體虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建。項(xiàng)目采用Unity 3D引擎完成開發(fā)，采用C#開發(fā)語言，通過3ds Max制作三維模型與動(dòng)畫，通過HTML腳本實(shí)現(xiàn)Web交互式三維動(dòng)畫的制作［8］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可搭建在基于Internet的開放教學(xué)管理平臺(tái)上，全天候向?qū)W生開放，學(xué)生可以通過互聯(lián)網(wǎng)不受時(shí)間和空間的限制進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。同時(shí)，系統(tǒng)具備完善的安全運(yùn)行機(jī)制，管理端具備日志管理、數(shù)據(jù)備份、系統(tǒng)監(jiān)控等保障網(wǎng)絡(luò)及信息安全的功能［9］。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K建設(shè)

如圖2所示，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括實(shí)驗(yàn)認(rèn)知模塊、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備模塊、實(shí)驗(yàn)操作模塊和實(shí)驗(yàn)考核模塊。

1.實(shí)驗(yàn)認(rèn)知模塊。實(shí)驗(yàn)認(rèn)知模塊包含實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)條件等內(nèi)容，學(xué)生可以依次點(diǎn)擊進(jìn)行學(xué)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)的背景和目的。

2.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備模塊。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備模塊包含學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論知識(shí)、計(jì)算公式、實(shí)驗(yàn)儀器、地質(zhì)背景知識(shí)、實(shí)驗(yàn)材料等內(nèi)容，便于學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算和知識(shí)點(diǎn)的回顧。

3.實(shí)驗(yàn)操作模塊。實(shí)驗(yàn)操作模塊包括相似模型參數(shù)計(jì)算、模型配比方案計(jì)算、材料稱重、鋪設(shè)模型、模型測點(diǎn)布置、模型開挖、數(shù)據(jù)分析等步驟，學(xué)生可以通過指示和引導(dǎo)完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作。

4.實(shí)驗(yàn)考核模塊。實(shí)驗(yàn)考核模塊主要針對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行跟蹤測試，題型有選擇題和判斷題，學(xué)生作答完畢提交后即可看到答題結(jié)果與解析。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，可根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績選擇重復(fù)實(shí)驗(yàn)直到滿意為止。

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一流課程建設(shè)實(shí)踐與思考

（一）教學(xué)方法創(chuàng)新實(shí)踐

“礦山巖層移動(dòng)及控制”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的運(yùn)行，進(jìn)一步完善了配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法，充分發(fā)揮了“實(shí)之真、虛之?dāng)M”的優(yōu)點(diǎn)，融入了“虛實(shí)融合、線上線下、以學(xué)生為中心”的教學(xué)創(chuàng)新理念。

1.虛實(shí)融合?！暗V山巖層移動(dòng)及控制”模擬屬于物理模擬方法，具有真實(shí)直觀、過程逼真、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點(diǎn)，與之結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法則具有物理模擬方法不具備的省時(shí)省力、成本低、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將兩種方法有機(jī)結(jié)合，揚(yáng)長避短，使虛擬方法對(duì)物理模擬方法起到有效的補(bǔ)充作用，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段。

2.線上線下。物理模擬實(shí)驗(yàn)是線下現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，成本高、周期長且實(shí)驗(yàn)過程不可逆；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為線上虛擬實(shí)驗(yàn)，可以多次重復(fù)進(jìn)行，進(jìn)而避免了線下現(xiàn)場模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)可能發(fā)生的安全問題。因此，在線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后開展物理模擬實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程更加熟悉，有助于學(xué)生全面掌握實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技巧，提高實(shí)驗(yàn)的完成率。

3.以學(xué)生為中心。物理實(shí)驗(yàn)限于實(shí)驗(yàn)室的條件，學(xué)生不可能全程參與，且只能完成一部分工作，學(xué)生難以對(duì)實(shí)驗(yàn)全過程有深刻的認(rèn)識(shí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以解決這個(gè)問題，學(xué)生可以通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作實(shí)踐實(shí)驗(yàn)全過程，還可以根據(jù)自身的學(xué)習(xí)情況有針對(duì)性地進(jìn)行學(xué)習(xí)和鞏固。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一流課程建設(shè)成效

將傳統(tǒng)與現(xiàn)代教學(xué)手段進(jìn)行合理整合，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，集文字、聲音、圖形、圖像、動(dòng)畫于一體，構(gòu)建“礦山巖層移動(dòng)及控制”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，供相關(guān)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、操作、訓(xùn)練，取得了良好的教學(xué)成效：（1）充分發(fā)揮了多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字影像技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等現(xiàn)代教育技術(shù)的功效，把部分實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)搬進(jìn)課堂，實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐教學(xué)信息化。（2）根據(jù)平臺(tái)建設(shè)需求，重新提煉和編寫了教案、課件及教學(xué)提綱，凝練教學(xué)內(nèi)容，以新穎的教學(xué)方式調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，促使學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性。（3）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)⒓訉?shí)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行全過程記錄，能夠隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)效果、實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)成績都具備完善的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提高了評(píng)價(jià)的公正性。（4）平臺(tái)建立了較為完善的反饋機(jī)制，可以對(duì)參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生提供各方面的建議、評(píng)價(jià)與反饋信息，進(jìn)行全面系統(tǒng)地統(tǒng)計(jì)分析，為指導(dǎo)教師改進(jìn)和完善實(shí)驗(yàn)提供了參考，提高了教學(xué)效果［10］。

結(jié)語

“礦山巖層移動(dòng)及控制”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是信息技術(shù)與采礦實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)融合的產(chǎn)物，其教學(xué)方法開創(chuàng)了虛實(shí)融合、線上線下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)物理模擬實(shí)驗(yàn)難以開展的不足，還豐富了采礦專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)踐模式，激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，提升了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，實(shí)踐教學(xué)效果良好，為礦業(yè)類專業(yè)一流課程建設(shè)提供了新思路。

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Innovation and Practice of the First-class Course of Virtual Simulation Experiment in Mining Major

ZHAO Guo-zhen， LI Jian-zhong， GONG Pei-lin

（College of Mining Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan， Shanxi 030024， China）

Abstract： In 2020， the virtual simulation experiment of Strata Movement and Control of Mine was approved as the first-class course of National virtual simulation experiment. The course responds to the national guideline of experimental construction of “real but not virtual， combining virtual and real” and organically integrates information technology with mining experimental teaching. The new teaching mode is personalized， intelligent and ubiquitous and integrates virtual teaching based on the network and classroom teaching based on practice in depth， stimulates students interest in experiment， promotes the students practical ability and creative ability， and shows good teaching effect， providing a new way for first-class mining engineering course construction. Thus， it can be extended to other mining colleges and universities to realize resource sharing.

Key words： strata movement and control; first-class course; virtual simulation; virtual and real integration; course construction