基于虛擬仿真技術(shù)的實驗類課程資源建設(shè)及教學(xué)模式探索

牟宗龍，萬志軍，張源，馬文頂

摘要：文章以中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)實驗類課程為例，論述了建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)資源的必要性，介紹了采礦工程虛擬仿真實驗資源和平臺，以及虛擬仿真教學(xué)資源的設(shè)計思路和過程;探討了基于虛擬仿真技術(shù)的實驗類課程翻轉(zhuǎn)教學(xué)方法，為解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)難題提供了一個途徑。

關(guān)鍵詞：人才培養(yǎng);實驗教學(xué);虛擬仿真;翻轉(zhuǎn)教學(xué)

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）01-0384-03

虛擬仿真實驗教學(xué)是現(xiàn)代信息技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的具體體現(xiàn)之一。由于其重復(fù)性好、安全環(huán)保、成本低廉、節(jié)約能源，能達到傳統(tǒng)實驗室實驗不具備或難以實現(xiàn)的教學(xué)效果。虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，潛力巨大[1，2]。中國礦業(yè)大學(xué)非常重視虛擬仿真實驗教學(xué)方法的改革與實踐，2008年建立了采礦工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心。2014年，該中心被評為國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。中心堅持理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合、虛擬仿真與實物儀器設(shè)備相結(jié)合的原則，研發(fā)了大量虛擬仿真實驗項目，構(gòu)建了“模塊化、層次化、多元化”的虛擬仿真實驗教學(xué)體系[3，4]。隨之而來的是教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，實驗方法的理論教學(xué)由課堂轉(zhuǎn)到了線上，總結(jié)、討論和點評由課下進入課堂，實驗室實驗由對未知的現(xiàn)象觀察轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓄A(yù)期的驗證，課程由教師主導(dǎo)的“教”變成了學(xué)生自主的“學(xué)”，實現(xiàn)了實驗類課程的翻轉(zhuǎn)教學(xué)，取得了良好的實驗教學(xué)效果。

一、虛擬仿真資源建設(shè)的必要性

《巖層控制的實驗方法與實測技術(shù)》是中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)本科生的必修課程，也是最具有代表性的實驗類課程。該課程教學(xué)具有以下特點：（1）教學(xué)內(nèi)容具有針對性。課程主要圍繞礦山壓力基本原理、規(guī)律和常用實驗方法、巖石力學(xué)性質(zhì)與實驗方法、井巷工程技術(shù)等重要知識點開展實驗教學(xué)和科學(xué)探索。（2）教學(xué)項目具有前沿性。課程中創(chuàng)新性實驗項目大部分由優(yōu)秀的科學(xué)研究成果轉(zhuǎn)化而來，體現(xiàn)了學(xué)科領(lǐng)域的最新研究進展，有利于學(xué)生了解學(xué)科的前沿知識，開闊視野。（3）實驗技術(shù)具有先進性。實驗室擁有各類實驗儀器設(shè)備6000余臺，涵蓋了巖石力學(xué)實驗、巖層移動模擬實驗、模型實驗、儀器儀表實驗、虛擬仿真實驗和數(shù)值模擬實驗共6大類的實驗儀器和設(shè)備。諸如虛擬仿真實驗等資源在國內(nèi)具有領(lǐng)先地位。（4）實驗過程開放性。目前，部分實驗項目已通過虛擬仿真實驗平臺實現(xiàn)了資源共享、開放式實驗教學(xué)。通過網(wǎng)上預(yù)約，學(xué)生可自主選擇實驗時間、實驗內(nèi)容，同時允許自擬實驗題目，自主設(shè)計實驗項目，發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性，提高了實驗設(shè)備利用效率。（5）教學(xué)過程具有啟發(fā)性和引導(dǎo)性。通過本門課程的實驗教學(xué)，在強化學(xué)生基本理論知識和掌握科學(xué)實驗方法的同時，還可以使學(xué)生對科學(xué)探索產(chǎn)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生申請各類科研訓(xùn)練項目，為學(xué)生提供實驗條件，支持學(xué)生進行科學(xué)探索。

按照教學(xué)過程的復(fù)雜和難易程度，該課程的實驗項目大致分為以下幾類：第一類是實驗原理明確、實驗操作較簡單的實驗項目，如巖石力學(xué)實驗、儀器儀表實驗等;第二類是原理較復(fù)雜，實驗部分可操作，如巖層移動的相似物理實驗等;第三類是原理復(fù)雜，實驗操作非常困難或者不可操作，如沖擊礦壓實驗、煤與瓦斯突出實驗等。對于這些不可逆的破壞性試驗，只能借助大型實驗裝置及制作成本和使用成本較高的試樣來完成，同時由于本科生缺乏該方向研究的專門知識和精確的操作技術(shù)，親自動手操作該類實驗還具有一定的危險性，目前實驗室還無法實現(xiàn)該類物理實驗的本科教學(xué)功能。

二、虛擬仿真項目建設(shè)

（一）虛擬仿真資源庫

針對采礦高危的極端環(huán)境、開采過程不可逆的操作、大型設(shè)備操作的綜合訓(xùn)練高成本、高消耗等特殊情況，在采礦工程專業(yè)大學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)中引入虛擬仿真實驗教學(xué)模式，不僅可解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)面臨的難題，還有助于加強學(xué)生對專業(yè)知識的理解和掌握，拓展學(xué)生的知識面，激發(fā)學(xué)生對先進科學(xué)技術(shù)知識的追求[3-5]。根據(jù)實驗項目的層次和功能的不同，采礦工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)了“認知礦山”“熟知礦山”“安全礦山”“綠色礦山”和“實驗方法”等五大類實驗教學(xué)資源，實現(xiàn)了多空間多系統(tǒng)演示仿真、綜合與設(shè)計仿真、創(chuàng)新與前沿仿真三個層次虛擬實驗教學(xué)功能。實驗資源分5大類，25小類共100多個虛擬仿真項目，知識點幾乎覆蓋采礦工程專業(yè)所有的主干課程。

（二）虛擬仿真資源設(shè)計

1.資源建設(shè)目標(biāo)。學(xué)生可通過修改礦井地質(zhì)和開采技術(shù)條件，模擬沖擊地壓的孕育過程、影響因素及沖擊現(xiàn)象;能夠模擬開采過程中巖層的運動規(guī)律，以及在掘進速度、采煤高度等開采技術(shù)條件、褶曲、斷層等地質(zhì)構(gòu)造條件等各個影響因素作用下沖擊礦壓危險性的變化規(guī)律;能夠直觀展示采取爆破切頂、煤體爆破卸壓等不同解危措施后沖擊危險性降低的情況。

2.資源建設(shè)內(nèi)容?；窘ㄔO(shè)內(nèi)容包括采場上覆巖層斷裂和運移規(guī)律、沖擊礦壓孕育過程及發(fā)生機理、沖擊礦壓解危與治理共三部分：（1）上覆巖層斷裂及運移規(guī)律。以三維場景建模，動態(tài)描述隨著工作面自開切眼開始推進，引起覆巖的初次斷裂與周期斷裂的動態(tài)過程;以多指標(biāo)動態(tài)描述采煤工作面兩側(cè)和前后支承壓力的分布特征，以及支承壓力隨工作面推進的演化規(guī)律等。（2）沖擊礦壓影響因素及發(fā)生機理。根據(jù)輸入的采掘參數(shù)，以及褶曲、斷層、巖層結(jié)構(gòu)等地質(zhì)參數(shù)，實現(xiàn)多條件下巖層塌陷情況的實時仿真;再現(xiàn)采掘參數(shù)及地質(zhì)條件等因素對沖擊礦壓的影響，實現(xiàn)沖擊發(fā)生過程、機理的交互模擬仿真。（3）沖擊礦壓解危與治理?？梢愿鶕?jù)具體的地質(zhì)及生產(chǎn)技術(shù)條件，選擇性地輸入褶曲、斷層等地質(zhì)參數(shù)及巖層爆破切頂、煤層放炮卸壓等技術(shù)參數(shù)，實現(xiàn)不同措施參數(shù)時的沖擊礦壓防治解危與治理效果的交互模擬仿真。

3.軟件特點。開發(fā)平臺能保證虛擬仿真軟件的實時渲染、實時交互和良好的可操縱性，以強大物理引擎內(nèi)核的虛擬仿真軟件開發(fā)平臺，具有強大的物理實時計算功能，能夠真實模擬場景重力、環(huán)境阻尼等環(huán)境特性。虛擬仿真實驗軟件界面干凈整潔，在保證運行流暢的情況下，盡可能地優(yōu)化表面材質(zhì)，區(qū)分不同部件的不同材料質(zhì)感。地形地貌、山體、水體、地上地下人工建（構(gòu)）筑物等的三維表達，要反映對象的空間位置、幾何形態(tài)、紋理及屬性等信息。確保在系統(tǒng)里的界面、按鈕、文字、圖片、視頻等可視化的元素清晰無誤。能實現(xiàn)自動演示、控制角度自由觀察、局部縮放和隨時畫面截圖等功能;能按要求提供現(xiàn)場聲、背景音樂、字幕等;貼圖細膩有質(zhì)感，材質(zhì)真實，動作流暢，鏡頭轉(zhuǎn)變較少。

三、虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

為了統(tǒng)一展示虛擬仿真實驗教學(xué)資源，并為學(xué)生提供基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬仿真實驗平臺，中國礦業(yè)大學(xué)建立了“礦業(yè)工程虛擬仿真實驗教學(xué)平臺”，如圖1所示。該網(wǎng)站平臺具有信息發(fā)布、用戶登錄管理及收費系統(tǒng)、實驗課程導(dǎo)航、虛擬仿真教學(xué)資源展示及共享使用指南、在線學(xué)習(xí)及績效評價、實驗預(yù)約及開放管理、學(xué)術(shù)動態(tài)及交流活動等功能模塊。該平臺反映了中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)在在線教學(xué)資源、虛擬仿真教學(xué)資源、師資隊伍等方面的建設(shè)成果，以及在教學(xué)資源開放共享、在線教學(xué)管理、學(xué)習(xí)評價體系等方面的創(chuàng)新成果。2017年，該平臺成為江蘇省礦業(yè)工程虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺。

四、實驗課翻轉(zhuǎn)教學(xué)方法

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，不僅僅是實現(xiàn)課堂教學(xué)形式的翻轉(zhuǎn)，更是“教”與“學(xué)”的轉(zhuǎn)變，本質(zhì)上是學(xué)生學(xué)習(xí)主動權(quán)的變換[6]。學(xué)生更多地利用課下時間，使用互聯(lián)網(wǎng)自主且有選擇性地學(xué)習(xí)，更體現(xiàn)學(xué)習(xí)方式的個性化。課堂時間更多的是對學(xué)生自主學(xué)習(xí)的方向引導(dǎo)、方法指引、系統(tǒng)補充、錯誤糾正、內(nèi)容強化和討論內(nèi)化等。在這種教學(xué)模式下，教師的角色發(fā)生了很大的變化，不再是系統(tǒng)化、流程化的傳授知識，而是跳躍化、片段化、深入化知識的互動導(dǎo)引，需要教師具有更強的課堂把握能力。

實驗類課程的翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式與理論課程有一些差異。理論課程的翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式是學(xué)生通過在課下通過查閱教材、交流、網(wǎng)絡(luò)資源搜集等方式完成對理論知識的自主學(xué)習(xí)，課堂上由老師引導(dǎo)學(xué)生完成對重點、難點、疑點的討論。實驗類課程實現(xiàn)課堂翻轉(zhuǎn)以后，學(xué)生可以自主制訂實驗方案，通過網(wǎng)絡(luò)動態(tài)演示、人機互動等方式完成對自然現(xiàn)象和規(guī)律的過程再現(xiàn)。課堂時間主要用來對實驗結(jié)果進行討論分析。對于比較經(jīng)典的實驗，或是有爭議的實驗結(jié)果，在實驗室可以進行驗證實驗。

以《巖層控制的實驗方法與實測技術(shù)》本科生課程為例，該課程共32學(xué)時，其中課堂教學(xué)和實驗室實驗各16學(xué)時。課堂教學(xué)主要是講授實驗方法和技能，在實驗室需要按照實驗大綱的要求完成20個左右的實驗項目。在傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程中，教師的主要任務(wù)是講解實驗方法、步驟和注意事項，指導(dǎo)學(xué)生在實驗室完成實驗，最后是批改實驗報告并給定成績。主要教學(xué)過程是學(xué)生預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容、教師講解實驗、學(xué)生開展實驗、教師批改實驗報告。

實驗教學(xué)課堂翻轉(zhuǎn)以后，實驗方法講解和實驗過程等均由學(xué)生在虛擬仿真實驗教學(xué)平臺上完成，教師的主要任務(wù)是在實驗課上組織學(xué)生分組討論并進行點評、對爭議實驗開展實驗驗證，并指導(dǎo)學(xué)生完成從實驗現(xiàn)象觀察到科學(xué)本質(zhì)探索的深化。學(xué)生可以根據(jù)任務(wù)目標(biāo)導(dǎo)向，自主完成實驗方法、步驟、注意事項等學(xué)習(xí)，自主制訂實驗方案，自主完成實驗內(nèi)容，并撰寫實驗報告。在討論環(huán)節(jié)，學(xué)生自由分組，有針對性地進行討論，實驗方法、結(jié)果都可以進行對比分析，教師組織課堂，對學(xué)生完成實驗情況和對實驗原理的把握程度有深入的了解，給定的成績也更科學(xué)。從本質(zhì)上來說，“教師”變成了“導(dǎo)師”。實驗教學(xué)的課堂翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)了教學(xué)空間的多樣化、教學(xué)形式的多樣化和教學(xué)目標(biāo)的全面化。

五、結(jié)語

虛擬仿真教學(xué)是教育教學(xué)領(lǐng)域中的重要創(chuàng)新，有助于加強學(xué)生對專業(yè)知識的理解和掌握，拓展學(xué)生的知識面，激發(fā)學(xué)生對先進科學(xué)技術(shù)知識的追求。基于虛擬仿真技術(shù)開展實驗類課程的翻轉(zhuǎn)教學(xué)還處于探索階段，為解決實驗成本高、儀器設(shè)備臺數(shù)少、實驗過程不可逆、風(fēng)險大等傳統(tǒng)實驗課中的難題提供了一個途徑，是對傳統(tǒng)實驗室實驗教學(xué)的重要補充。

參考文獻：

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Construction of Experimental Course Resources and Exploration of Teaching Mode Based on Virtual Simulation Technology

MU Zong-longa，b*，WAN Zhi-junb，c，ZHANG Yuanb，c，MA Wen-dingb，c

（a.Laboratory of Mine Earthquake Monitoring and Prevention （Jiangsu）;b.School of Mines;c.National Experimental Teaching Demonstration Center of Mining Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Abstract：Taking the experimental course of mining engineering of China University of Mining and Technology as an example，this paper discusses the necessity of constructing virtual simulation experiment teaching resources，and introduces the virtual simulation experiment resources and platform of mining engineering and the design ideas and process of virtual simulation teaching resources.It also probes into the flipped teaching method of experiment course based on virtual simulation technology，which provides an approach to solve the difficult problems in traditional experiment teaching.

Key words：talents cultivation;experiment teaching;virtual simulation;flipped teaching