礦業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化建設(shè)模式研究與實(shí)踐

徐劍坤， 李小林， 習(xí)丹陽(yáng)

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)a．礦業(yè)工程學(xué)院；b．礦業(yè)工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心；c．采礦工程國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；d．資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州221116）

0 引 言

21 世紀(jì)前10 年，網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著人類正在進(jìn)入以泛在網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、萬物互聯(lián)為目標(biāo)的信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器人等技術(shù)已能夠代替人類完成大量任務(wù)，極大地改變了知識(shí)的存儲(chǔ)方式、獲取及應(yīng)用方式，教育的關(guān)鍵特征正在由工業(yè)時(shí)代的“標(biāo)準(zhǔn)化與掌握學(xué)習(xí)”向信息時(shí)代的“差異化與聯(lián)通學(xué)習(xí)”變遷［1］。為適應(yīng)新時(shí)代特征，作為人才培養(yǎng)重要場(chǎng)所的高校實(shí)驗(yàn)室正在經(jīng)歷著信息化、數(shù)字化變革。

國(guó)家高度重視新一代信息技術(shù)與教育的高度融合，教育部先后出臺(tái)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011 - 2020 年）》《教育信息化“十三五”規(guī)劃》《教育信息化2． 0 行動(dòng)計(jì)劃》等綱領(lǐng)性文件，各高校開展了深度的探索與實(shí)踐［2-5］。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室即是通過計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、物聯(lián)網(wǎng)、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)等信息技術(shù)，使傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)資源數(shù)字化、聯(lián)通化，擺脫空間與時(shí)間的限制，通過各種智能決策與調(diào)度算法，提高資源使用與管理效率、提高教學(xué)與人才培養(yǎng)效果［6-8］。實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化改變的不僅是資源的存在與連接方式，也包括了實(shí)驗(yàn)室的組織架構(gòu)、管理與教學(xué)模式。

礦業(yè)工程學(xué)科致力于培養(yǎng)具有國(guó)際化視野、多樣化知識(shí)結(jié)構(gòu)、專業(yè)化學(xué)術(shù)背景、創(chuàng)新性思維方式和扎實(shí)實(shí)踐能力的一流礦業(yè)人才，但傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理模式、教學(xué)方法與手段，以及封閉的實(shí)驗(yàn)資源已制約了目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。為此，本文研究并探索面向信息時(shí)代的礦業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化改造與建設(shè)模式。

1 實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化建設(shè)頂層設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室按專業(yè)劃分，彼此孤立，缺乏交叉融合，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理的理念、模式與手段落后，學(xué)生培養(yǎng)的層次性與目標(biāo)性不強(qiáng)，政策引導(dǎo)與經(jīng)費(fèi)投入效果不佳，這種實(shí)驗(yàn)室組織體系與資源分配機(jī)制已經(jīng)制約了實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展，難以支撐一流礦業(yè)人才的培養(yǎng)。因此，打破專業(yè)界限、倡導(dǎo)交叉互補(bǔ)、重塑組織架構(gòu)、重構(gòu)資源分配機(jī)制勢(shì)在必行。

本文在礦業(yè)大類下，通過整合礦業(yè)工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、采礦工程國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、工業(yè)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室、交通運(yùn)輸專業(yè)實(shí)驗(yàn)室等實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，根據(jù)教學(xué)、訓(xùn)練、創(chuàng)新功能，規(guī)劃并設(shè)立教學(xué)展示中心、虛擬仿真技術(shù)中心、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中心，實(shí)現(xiàn)資源統(tǒng)一管理統(tǒng)一配置。將資源優(yōu)先配置于具有創(chuàng)新性、前沿性、先進(jìn)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及教學(xué)手段。建設(shè)線上教學(xué)資源與運(yùn)行體系，信息化改造傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)資源，基于數(shù)字化、信息化手段構(gòu)建多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，建立線上線下融合互補(bǔ)與過程跟蹤評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式（見圖1）。

2 建設(shè)線上教學(xué)資源與運(yùn)行體系

圖1 頂層設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的采礦專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在極端的高危環(huán)境、不可逆與不可重復(fù)的操作過程、高昂的實(shí)驗(yàn)裝備建設(shè)、維護(hù)與使用成本、新成果轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)資源的漫長(zhǎng)周期等問題，因此需要探索一種安全、可靠、直觀和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與手段［9-10］。

現(xiàn)以礦業(yè)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心（場(chǎng)地、儀器、設(shè)備等）與礦山生產(chǎn)企業(yè)（井工、露天）為原型，利用虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)重構(gòu)虛擬空間，形成虛擬化的實(shí)驗(yàn)及作業(yè)場(chǎng)景、可交互操作的仿真儀器及設(shè)備、可供瀏覽學(xué)習(xí)的文字及音視頻資料。

（1）將知識(shí)節(jié)點(diǎn)化。利用虛擬場(chǎng)景將多個(gè)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)，形成了一個(gè)個(gè)虛擬仿真教學(xué)資源，建設(shè)了“采礦學(xué)”“非煤開采技術(shù)”“露天開采”“采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)”“礦山安全事故及災(zāi)害案例”等5 門虛擬仿真教學(xué)資源庫(kù)，通過逼真、可視化的方式，拓展了學(xué)生的想象與認(rèn)知空間，滿足了專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的需要。

（2）研發(fā)礦業(yè)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室軟件。可在實(shí)驗(yàn)室與礦山兩種虛擬場(chǎng)景下開展71 項(xiàng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與場(chǎng)景認(rèn)知漫游實(shí)習(xí)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與實(shí)習(xí)數(shù)字化教學(xué)。

（3）研發(fā)礦業(yè)工程虛擬仿真在線教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)基于互聯(lián)網(wǎng)線上運(yùn)行，采用B ／ S和C ／ S兩種架構(gòu)并結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)，將前文所述的虛擬仿真教學(xué)資源庫(kù)和礦業(yè)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室接入，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)資源的在線學(xué)習(xí)與操作。

（4）構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。依托采礦工程國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建立了虛擬仿真教學(xué)資源開發(fā)團(tuán)隊(duì)、線上平臺(tái)運(yùn)行保障團(tuán)隊(duì)及在線教學(xué)團(tuán)隊(duì)，建立了規(guī)章制度，形成了虛擬仿真教學(xué)資源的線上運(yùn)行體系。

3 利用信息化改造傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)資源

受制于實(shí)驗(yàn)室管理及教學(xué)手段、方式、場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)及人員數(shù)量等原因，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)資源開放度及使用效率不高、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備使用效果不好、教學(xué)手段單一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不佳，不利于學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)。為此，利用物聯(lián)網(wǎng)及信息技術(shù)改造實(shí)驗(yàn)室，建立實(shí)驗(yàn)室管理與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合的信息化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室管理與教學(xué)的智能化、少人化［11-13］。

（1）實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地及裝備物聯(lián)網(wǎng)改造。通過建立實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、門禁管理系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控管理與巡查系統(tǒng)等將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地及實(shí)驗(yàn)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地及裝備物聯(lián)網(wǎng)化管理。

（2）建立實(shí)驗(yàn)室管理與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合的信息化平臺(tái)。在同一平臺(tái)架構(gòu)下，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)更新匹配數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的統(tǒng)一管理與調(diào)度，具體包括實(shí)驗(yàn)資源、物聯(lián)網(wǎng)、資源開放、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、用戶、數(shù)據(jù)、師資隊(duì)伍、辦公管理等模塊，從而打破了信息壁壘，使管理者、教師及學(xué)生供需信息及時(shí)發(fā)布、匹配、對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)資源使用及管理的全流程跟蹤。

4 構(gòu)建多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

借鑒國(guó)內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［14-17］，綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、仿真儀器及計(jì)算機(jī)技術(shù)，研制“體驗(yàn)-實(shí)操-創(chuàng)造”多個(gè)層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，其中軟件部分采用統(tǒng)一的技術(shù)體系，使用3DMax三維建模、使用Unity3D制作三維場(chǎng)景、使用MySQL 制作數(shù)據(jù)庫(kù)、采用PhotoShop設(shè)計(jì)界面、使用Visual Studio設(shè)計(jì)程序，保證內(nèi)容連貫與風(fēng)格統(tǒng)一。

（1）“體驗(yàn)”教學(xué)層次。建設(shè)了虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)采礦模型教學(xué)系統(tǒng)、3D環(huán)幕沉浸式生產(chǎn)教學(xué)系統(tǒng)、VR體驗(yàn)式教學(xué)系統(tǒng)、生產(chǎn)裝備全息投影系統(tǒng)等，直觀展示了礦山生產(chǎn)系統(tǒng)全貌及生產(chǎn)流程，使學(xué)生直觀生動(dòng)全面地了解了礦山（見圖2）。

圖2 VR體驗(yàn)式教學(xué)系統(tǒng)

（2）“實(shí)操”教學(xué)層次。建設(shè)了采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等生產(chǎn)裝備的交互式仿真操作儀、工作面生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)、采場(chǎng)及巷道礦壓實(shí)測(cè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、礦井原位測(cè)量仿真訓(xùn)練系統(tǒng)等，使學(xué)生了解、熟悉并能熟練操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備及生產(chǎn)裝備，能獨(dú)立開展實(shí)驗(yàn)，訓(xùn)練實(shí)操能力（見圖3）。

圖3 工作面生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真軟件

（3）“創(chuàng)造”教學(xué)層次。建設(shè)了礦井生產(chǎn)設(shè)計(jì)及仿真系統(tǒng)、礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)及仿真系統(tǒng)、露天礦開采設(shè)計(jì)系統(tǒng)、礦業(yè)工程多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)云平臺(tái)等，實(shí)現(xiàn)了多專業(yè)協(xié)同的礦山全生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合知識(shí)，訓(xùn)練了學(xué)生的創(chuàng)造力（見圖4）。

圖4 礦業(yè)工程多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)云平臺(tái)

5 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)與評(píng)價(jià)模式

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)過程，包括多個(gè)環(huán)節(jié)，每一環(huán)節(jié)均是下一環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，需要一套全程的跟蹤管理與評(píng)價(jià)方法，但現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段與考評(píng)機(jī)制，對(duì)學(xué)生參與度、完成度、真實(shí)性、準(zhǔn)確性難以全面、客觀地把握。

為解決這一問題，在實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化建設(shè)的基礎(chǔ)上，提出了線上線下資源融合互補(bǔ)與過程跟蹤評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，如圖5 所示。利用互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)整合線上線下教學(xué)資源納入統(tǒng)一信息平臺(tái)管理，強(qiáng)化線上線下資源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)與融合使用，加強(qiáng)資源調(diào)度的智能化，建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及計(jì)算方法，建立起從線上學(xué)習(xí)—培訓(xùn)—實(shí)操—考核，到線上申請(qǐng)—線下實(shí)驗(yàn)—遠(yuǎn)程跟蹤指導(dǎo)—線上提交成果及評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過程跟蹤管理與動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)機(jī)制。

圖5 線上線下融合互補(bǔ)與過程跟蹤評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

6 實(shí)踐效果

近3 年來，礦業(yè)工程學(xué)科通過實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化建設(shè)實(shí)踐，顯著提高了實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)轉(zhuǎn)效率與效果。在實(shí)驗(yàn)技術(shù)及管理人員不變的情況下，實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的實(shí)驗(yàn)工作量逐年增加，學(xué)生依托實(shí)驗(yàn)室開展的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)、科學(xué)研究項(xiàng)目明顯增多，各實(shí)驗(yàn)課平均成績(jī)及學(xué)生論文、專利數(shù)量也顯著提高，見表1、表2。在打破實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)模式，進(jìn)行數(shù)字化改造與建設(shè)后，實(shí)驗(yàn)室運(yùn)轉(zhuǎn)效率提升，實(shí)驗(yàn)資源利用率提高，實(shí)驗(yàn)室知識(shí)產(chǎn)出增加，學(xué)生積極性增強(qiáng)，知識(shí)學(xué)習(xí)與應(yīng)用效果更加出色。近3 年來，實(shí)驗(yàn)室先后接待高校來訪交流37 批次，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)模式與效果受到了較高評(píng)價(jià)。

表1 近3 年實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作量變化

表2 近3 年開展創(chuàng)新項(xiàng)目

7 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)室是高等專業(yè)人才培養(yǎng)的重要基地，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)緊跟時(shí)代發(fā)展與人才需求。以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真技術(shù)等為代表的新一代信息技術(shù)正在深度改變著教育形態(tài)，改變著知識(shí)遷移方式與獲取途徑，人才培養(yǎng)更加強(qiáng)調(diào)核心競(jìng)爭(zhēng)力培養(yǎng)，但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室因其封閉性、資源配置低效、改變緩慢等原因，已不再適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)。為此，本文以支撐一流人才培養(yǎng)為目標(biāo)，通過重塑實(shí)驗(yàn)室組織架構(gòu)與資源分配機(jī)制，使資源優(yōu)先跟蹤學(xué)科前沿與人才創(chuàng)新培養(yǎng)；利用虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)建設(shè)線上教學(xué)資源與運(yùn)行體系，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)資源，基于數(shù)字化、信息化手段構(gòu)建多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，建立線上線下融合互補(bǔ)與過程跟蹤評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，從而重塑了多模態(tài)融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源體系與使用連接方式。進(jìn)而探索了專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化建設(shè)模式，應(yīng)用實(shí)踐表明實(shí)驗(yàn)室運(yùn)轉(zhuǎn)效率提升，實(shí)驗(yàn)資源利用率提高，實(shí)驗(yàn)室知識(shí)產(chǎn)出增加，學(xué)生積極性增強(qiáng)，知識(shí)學(xué)習(xí)與應(yīng)用效果更加出色。本文的研究對(duì)高校專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有一定的借鑒意義。