基于虛擬現(xiàn)實(shí)場景的“煤礦開采”沉浸式教學(xué)研究

張凌云 趙永芳 張滿懷

【摘 要】 全國教育大會(huì)提出高校應(yīng)“著重培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才”，因此加強(qiáng)高校的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)是當(dāng)前教學(xué)改革重點(diǎn)。本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)新技術(shù)，進(jìn)行“煤礦開采”課程的沉浸式教學(xué)研究，打破傳統(tǒng)課堂的沉寂，給學(xué)生帶來新鮮、趣味的體驗(yàn)感，提高課程教學(xué)效率。利用現(xiàn)代信息化科技力量，將采礦專業(yè)理論知識(shí)與實(shí)踐操作相結(jié)合，全面提升學(xué)生的創(chuàng)新思維、操作技能和綜合素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】 煤礦開采;沉浸式教學(xué);應(yīng)用型本科

“沉浸教學(xué)”是從加拿大興起的一種外語教學(xué)模式，后在心理學(xué)界“沉浸理論”完善的基礎(chǔ)上，“沉浸式教學(xué)”被理工科教育領(lǐng)域廣泛推廣。

一、沉浸式教學(xué)特點(diǎn)

沉浸理論在1975年由美國芝加哥大學(xué)心理學(xué)教授Mihalyi? Csikszentmihalyi首先提出?！俺两笔菍W(xué)習(xí)、工作時(shí)的最佳體驗(yàn)，“沉浸式教學(xué)法”是指教育教學(xué)工作者在施教過程中巧妙運(yùn)用多種教學(xué)手段，以學(xué)生的主體體驗(yàn)為主，從其興趣點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)入一種“沉浸”體驗(yàn)的學(xué)習(xí)狀態(tài)，達(dá)到自主學(xué)習(xí)目的。沉浸教學(xué)模式在國內(nèi)課堂教學(xué)中已有采用，但是其成功實(shí)施的前提是構(gòu)建有效的課堂和學(xué)習(xí)的逼真環(huán)境。為加快我國應(yīng)用型本科建設(shè)，在教學(xué)環(huán)節(jié)中利用沉浸式教學(xué)方法，優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)情境與學(xué)習(xí)氛圍，結(jié)合操作模擬平臺(tái)、完成目標(biāo)性任務(wù)，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

二、開采專業(yè)課程授課瓶頸

“煤礦開采”課程是開采（采煤）專業(yè)開設(shè)的主要課程，包含地下采煤工藝及方法、巷道布置方法、礦井通風(fēng)與安全等內(nèi)容。煤層地質(zhì)具有隱蔽性、多樣性和復(fù)雜性特點(diǎn)，井工開采還要考慮地下空間立體交叉和動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)，教學(xué)傳授難度較大。

傳統(tǒng)教學(xué)主要以教師傳授教學(xué)為主、結(jié)合圖片、借助多媒體視頻講解，盡可能地將枯燥、復(fù)雜的專業(yè)知識(shí)灌輸給學(xué)生，但教學(xué)效果一般;為此校內(nèi)還建設(shè)實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)，學(xué)生可進(jìn)行直觀學(xué)習(xí)，但投資成本過大;另校企合作的生產(chǎn)實(shí)踐實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，可讓同學(xué)全面系統(tǒng)地參與實(shí)踐操作，但該環(huán)節(jié)危險(xiǎn)性大，提供崗位數(shù)量也十分有限。

“煤礦開采”課程具有一定的復(fù)雜性，內(nèi)容涉及面比較廣，要達(dá)到培養(yǎng)應(yīng)用型人才的教學(xué)目標(biāo)，就要明確教學(xué)的重難點(diǎn)，有效結(jié)合教材，理清知識(shí)結(jié)構(gòu)層次，加強(qiáng)理論與實(shí)踐結(jié)合，提高學(xué)生的實(shí)操能力。因此教師要結(jié)合專業(yè)的性質(zhì)，運(yùn)用科學(xué)手段進(jìn)行教學(xué)模式的改革。

三、沉浸式教學(xué)在煤礦開采專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)施

在煤礦開采專業(yè)課程領(lǐng)域，授課過程中師生間的交流枯燥、抽象、被動(dòng)且生硬，僅利用語言、圖片、視頻的傳統(tǒng)教學(xué)，缺乏空間立體結(jié)構(gòu)的場景表現(xiàn)形式，學(xué)生理解掌握困難較大。沉浸式教學(xué)就是從增強(qiáng)學(xué)生實(shí)際體驗(yàn)感開始，突出三維空間展示特點(diǎn)，教學(xué)過程可以讓學(xué)生沉浸在“井下采煤工作面”的環(huán)境中，參與生產(chǎn)布置、作業(yè)過程，進(jìn)行交互操作，既提高課程教學(xué)效率又增強(qiáng)學(xué)習(xí)新鮮趣味性，改善傳統(tǒng)教學(xué)中諸多問題。

將沉浸式教學(xué)應(yīng)用于煤礦開采專業(yè)教學(xué)突出的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：授課理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐操作相匹配，借助模擬場景進(jìn)行教學(xué)是沉浸式教學(xué)獨(dú)特之處;學(xué)生不再單純是傳統(tǒng)課堂的“接收器”，化身為沉浸式教學(xué)作業(yè)中的“主動(dòng)參與者”;教師放棄“填鴨式”教學(xué)，使用“帶學(xué)徒式”的新手段。

（一）教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

采煤工作面工藝設(shè)計(jì)是煤礦開采專業(yè)重要的教學(xué)內(nèi)容，具有理論實(shí)踐相結(jié)合的特點(diǎn)，下面以此部分教學(xué)內(nèi)容為例進(jìn)行教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。學(xué)生依據(jù)采煤作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行角色分工，按作業(yè)規(guī)程進(jìn)行工作面推進(jìn)。作業(yè)過程中學(xué)生在教師指導(dǎo)下需要對(duì)工作面采煤方法進(jìn)行方案優(yōu)選、確定布置設(shè)備型號(hào)、數(shù)量、功能及配套作業(yè)程序，明確“三機(jī)配套”概念、工作面循環(huán)數(shù)、工作面長度、超前支護(hù)、采煤截深、端頭支護(hù)等專業(yè)術(shù)語和實(shí)踐操作步驟，理解工作面的三維空間布置，掌握布置不同功能巷道對(duì)空間、功能、設(shè)施等的要求。將“采煤工作面工藝設(shè)計(jì)”作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程，利用“工作面”這條主干線將“煤礦開采學(xué)”“采煤機(jī)械”“井巷工程”“煤礦地質(zhì)”等多門專業(yè)課程進(jìn)行學(xué)習(xí)應(yīng)用，將眾多零散知識(shí)要點(diǎn)融會(huì)貫通，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)代本科院校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

（二）沉浸式教學(xué)中學(xué)生的角色分配

學(xué)生以實(shí)際生產(chǎn)工作制度為依據(jù)，以綜采工作面“四六作業(yè)制”為例，角色扮演分生產(chǎn)班和檢修班兩大類。生產(chǎn)班組中角色就應(yīng)包括班長、采煤機(jī)司機(jī)、刮板機(jī)司機(jī)、移動(dòng)變電站工、瓦斯員、乳化液泵司機(jī)、移架工、皮帶機(jī)司機(jī)、轉(zhuǎn)載工、安全員、絞車司機(jī)、電工;檢修班組中應(yīng)包括班長、電工、移動(dòng)變電站工、瓦斯員、乳化液泵司機(jī)、支架檢修工、乳化液管路檢修工、刮板機(jī)、皮帶機(jī)檢修工、采煤機(jī)檢修工、安全員。角色確定后，學(xué)生需按不同身份、職責(zé)進(jìn)行沉浸式模擬場景作業(yè)分工，互相配合完成采煤工作面作業(yè)。

（三）采煤工作面作業(yè)教學(xué)的過程

采煤工作面教學(xué)的基礎(chǔ)條件由任課教師依據(jù)課程進(jìn)度提前做大綱設(shè)計(jì)，明確該教學(xué)環(huán)節(jié)預(yù)計(jì)涉及到的教學(xué)內(nèi)容，指出學(xué)習(xí)重點(diǎn)內(nèi)容，發(fā)布任務(wù)書。任務(wù)書中給出了礦井概述、地質(zhì)條件、水文條件、開采煤層賦存條件等采掘條件，提前分發(fā)給學(xué)生進(jìn)行資料查閱及工作方案設(shè)計(jì)，確定作業(yè)面采煤方法;設(shè)計(jì)作業(yè)面尺寸、選定配套采煤設(shè)備等，將諸多作業(yè)條件提前錄入井下漫游操作系統(tǒng)，提供后期學(xué)生實(shí)操的基礎(chǔ)作業(yè)場景。

學(xué)生進(jìn)入井下漫游系統(tǒng)操作實(shí)景模擬界面后，按照工作內(nèi)容按步驟進(jìn)行操作。操作過程要注意理論與操作的結(jié)合，各工種角色相互配合作業(yè)。例如：三機(jī)司機(jī)的操作銜接、支護(hù)工的配合作業(yè)、檢修工的作業(yè)重點(diǎn)等。除此之外，一些突發(fā)透水、火災(zāi)、冒頂、瓦斯、粉塵等災(zāi)害應(yīng)急學(xué)習(xí)，也可使用類似沉浸式教學(xué)方法完成，既可以提高教學(xué)效率，完善教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)也能增加學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鞏固掌握課堂知識(shí)。

最后做沉浸式教學(xué)總結(jié)。通過學(xué)生在各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的表現(xiàn)進(jìn)行教學(xué)成績?cè)u(píng)估匯總，教師也可以進(jìn)行學(xué)生成績分析，改進(jìn)課堂教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)，讓學(xué)生充分消化掌握知識(shí)要點(diǎn)，利用沉浸式教學(xué)手段反推教學(xué)效果。

四、結(jié)論

為滿足我國新時(shí)代建設(shè)需要，全國本科院校都在積極探索應(yīng)用型本科的發(fā)展之路，希望為學(xué)生們提供多元的成長途徑，培養(yǎng)其知行合一的能力。文章從學(xué)院的特色專業(yè)出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)代信息化技術(shù)手段，融合沉浸式和交互式特點(diǎn)，進(jìn)行“煤礦開采”課程沉浸式教學(xué)研究，為專業(yè)教師提供形象生動(dòng)展示教學(xué)內(nèi)容的手段，同步為學(xué)生提供實(shí)操技能練習(xí)平臺(tái)，讓其能更直觀地理解專業(yè)知識(shí)，增加教學(xué)趣味性、互動(dòng)性，把傳統(tǒng)的被動(dòng)灌輸式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)興趣式學(xué)習(xí)，提高教師教學(xué)效率，縮減學(xué)生知識(shí)盲區(qū)，提升教學(xué)成果，助力山西能源學(xué)院應(yīng)用型本科的快速發(fā)展。

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