礦業(yè)工程開放式仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

雷 蕓，包申旭，王詠琴，杜貝貝

（武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 湖北 武漢 430070）

隨著對虛擬仿真研究的不斷深入，虛擬仿真以其獨(dú)特的魅力在教學(xué)上得到了廣泛應(yīng)用[1]。將開放式仿真引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，借助互聯(lián)網(wǎng)在計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備上模擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備、器材以及實(shí)驗(yàn)過程，給學(xué)生一種真實(shí)的體驗(yàn)感[2]。與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，開放式虛擬仿真很好地拓展了教學(xué)空間，極大地放開教學(xué)主體，突破時間的約束以及教學(xué)資源的限制。我國現(xiàn)有礦業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分采用工學(xué)結(jié)合、校企合作的教學(xué)模式，在最新倡導(dǎo)的開放式教學(xué)方針和辦學(xué)理念下，傳統(tǒng)模式教學(xué)不能很好地滿足這個要求[3]。在開放式仿真實(shí)驗(yàn)平臺中，學(xué)生通過線上學(xué)習(xí)可以真實(shí)感受實(shí)驗(yàn)操作流程，避免操作過程中可能出現(xiàn)的危險問題。相較于傳統(tǒng)的面對面教學(xué)，這種新型教學(xué)方式更好地提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性和創(chuàng)新性，而且促進(jìn)了理論分析以及實(shí)踐能力的同時提升。因此，在礦業(yè)工程教學(xué)過程中引進(jìn)開放式仿真技術(shù)進(jìn)行教學(xué)改革，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 開放式仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究的目的和意義

由于礦業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)尚未形成完備的工學(xué)結(jié)合，校企合作的教學(xué)主體也還未很好地實(shí)施，尤其是新冠肺炎疫情暴發(fā)以來，一直強(qiáng)調(diào)居家隔離、學(xué)生上網(wǎng)課等疫情防控舉措，校企合作的教學(xué)模式就更加難以進(jìn)行，同時教學(xué)空間有限，而且教學(xué)時段與生產(chǎn)實(shí)際不匹配，這些直接影響了礦物材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式的推進(jìn)[4]。且根據(jù)國家關(guān)于教育信息化的相關(guān)政策要求，教育部于2014、2015年相繼開展了國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作，逐步推進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與發(fā)展，建立了國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺，推進(jìn)實(shí)踐資源的 “共建共享” 。因此，結(jié)合教育資源實(shí)際情況，建設(shè)與利用網(wǎng)絡(luò)平臺、實(shí)施網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式將成為高校教學(xué)改革的重點(diǎn)。

以礦物材料系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程為載體，充分運(yùn)用優(yōu)質(zhì)教學(xué)軟件和教學(xué)資源，通過建設(shè)礦物材料虛擬仿真實(shí)驗(yàn)素材庫，區(qū)域性資源整合的數(shù)字化平臺，實(shí)現(xiàn)全國性教學(xué)資源的共享，建立高校網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。將開放式仿真實(shí)驗(yàn)室引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，突破傳統(tǒng)的面對面教學(xué)方式以及時間和空間的限制，不僅能有效解決傳統(tǒng)教學(xué)面臨的教育難題，還能更好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率。在開放式仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的引導(dǎo)下，將構(gòu)建3個層次的教學(xué)過程，包括課堂示范教學(xué)、課程實(shí)踐教學(xué)和開放式仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)（如圖1），使其能夠在有限的資源背景下充分實(shí)現(xiàn)教學(xué)的個性化，滿足多任務(wù)、重開放、探索式的教學(xué)活動[5]。

圖1 多層次開放式仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

2 開放式仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的內(nèi)容

2.1 改革實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，優(yōu)化教學(xué)形式

結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知能力和生活經(jīng)歷，在課程中融入新的教學(xué)模式，創(chuàng)設(shè)新的教學(xué)情景導(dǎo)入新課，激發(fā)學(xué)生主動探索的欲望。采用豐富的互動教學(xué)形式，包括師生互動、生生互動及人機(jī)互動方式，鼓勵學(xué)生提出質(zhì)疑，發(fā)表自己的觀點(diǎn)，改變學(xué)生的被動角色，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)[6]。

2.2 改革教學(xué)模式，探索開放式仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

充分利用我院礦物加工資源與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備和師資力量，探索開放式仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法，并完善新型教學(xué)模式體系。通過將其融入礦業(yè)工程的課程教學(xué)中來改善傳統(tǒng)教育存在問題，進(jìn)而廣泛地應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)技能競賽、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)競賽、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞲傎?、?shù)學(xué)建模競賽等各類競賽中。

2.3 研究產(chǎn)學(xué)結(jié)合的教育教學(xué)模式

將學(xué)校中的教學(xué)和科研與企業(yè)中的生產(chǎn)聯(lián)合起來培養(yǎng)優(yōu)秀人才，可以進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極主動性，同時培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，提升學(xué)生對專業(yè)知識的掌握、應(yīng)用和創(chuàng)新能力，全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建

以模塊化教學(xué)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)理念，通過分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的組成、工作原理、操作邏輯等內(nèi)容，架構(gòu)開放式仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)素材庫，可分為：計(jì)算機(jī)模塊、電源模塊和輸入/輸出模塊（如圖2）。

圖2 開放式仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)素材庫模塊化架構(gòu)

其中，計(jì)算機(jī)模塊主要是用模型模擬線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及過程，包括正常信號處理、故障處理及自檢等內(nèi)容，通過3D建模軟件構(gòu)建三維模型，從而在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行教學(xué)的過程。電源模塊虛擬模擬通電邏輯電路來控制電路的開關(guān)，以及對故障等情況的處理，利用軟件建模的形式，在系統(tǒng)內(nèi)部采用程序語言實(shí)現(xiàn)電源模塊的正常與非正常操作。輸入模塊包括信號源識別、控制面板和操作機(jī)構(gòu)等內(nèi)容，采用幾何建模的方式，利用3D建模軟件構(gòu)建教學(xué)中需要操作學(xué)習(xí)的設(shè)備或儀器等的三維模型，通過控制面板和操作機(jī)構(gòu)模擬實(shí)驗(yàn)過程。輸出模塊以音頻、儀表和反饋機(jī)構(gòu)等內(nèi)容展示，最后利用圖像渲染前面步驟的結(jié)果來達(dá)到對實(shí)驗(yàn)過程的圖形化仿真[7]。

構(gòu)建礦業(yè)工程專業(yè)開放式仿真實(shí)驗(yàn)平臺的重點(diǎn)是滿足于多層次、模塊化、探索式的研究性教學(xué)，構(gòu)建的重心及目的是形成全面性和研究性實(shí)驗(yàn)（如圖3，p62）。以解決實(shí)際問題為出發(fā)點(diǎn)，在開放式仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行環(huán)境設(shè)置和內(nèi)容設(shè)置，一方面提供交互、開放、自助的實(shí)驗(yàn)場景，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程的體驗(yàn)，另一方面模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)工藝和實(shí)驗(yàn)過程等多層次、模塊化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以進(jìn)一步鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用知識與解決實(shí)際問題的能力[8]。

圖3 開放式仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建路線

3 開放式仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的優(yōu)勢

3.1 豐富教學(xué)主體及教學(xué)形式

傳統(tǒng)的教學(xué)模式是老師一人講解，學(xué)生跟隨老師和課本按部就班做任務(wù)，很少進(jìn)行思考、創(chuàng)新，而新型的開放式仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的教學(xué)主體將不單單是校內(nèi)老師，還可以邀請校外相關(guān)專業(yè)的專家進(jìn)行網(wǎng)上授課，或聯(lián)合企業(yè)將實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場與理論知識一同傳輸給學(xué)生。學(xué)生通過對企業(yè)生產(chǎn)實(shí)況進(jìn)行觀察，線上模擬實(shí)習(xí)，更好地理解理論與生產(chǎn)之間的聯(lián)系，更有利于學(xué)生職業(yè)技能的提升。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能真實(shí)模擬實(shí)際操作，針對某些實(shí)驗(yàn)課程，還可以通過線上仿真實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)過程，利用分子模型構(gòu)建反應(yīng)中分子或原子的變化。相較于傳統(tǒng)模式，采用這種方式，學(xué)生能夠更真實(shí)、直觀地了解反應(yīng)過程中的變化，將抽象具體化，微觀宏觀化，更有利于加深學(xué)生的記憶[9]。

3.2 拓展教學(xué)空間

傳統(tǒng)教學(xué)模式是在特定的空間進(jìn)行，如某些實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生必須在特定的時間到指定的實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，如遇到請假等情況就不能參與此次課程。新教學(xué)模式不僅僅局限于實(shí)驗(yàn)室，在仿真平臺中，學(xué)生只要在有網(wǎng)絡(luò)的地方就可以隨時隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，不需要統(tǒng)一安排實(shí)驗(yàn)室，安排時間。學(xué)生可以在任何空閑的時間進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作，尤其是現(xiàn)在疫情反復(fù)，難免會遇到居家隔離的情況，開放式仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能保證教學(xué)任務(wù)的順利進(jìn)行，還符合疫情防控的需求；針對一些比較難的實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生難以在傳統(tǒng)教學(xué)課時掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，同時學(xué)生缺乏實(shí)驗(yàn)操作的熟練度，僅能在傳統(tǒng)教學(xué)時間操練一遍實(shí)驗(yàn)流程。但是仿真平臺建立后，只要登錄學(xué)生客戶端，學(xué)生就可以反復(fù)觀看課程內(nèi)容，重復(fù)操練實(shí)驗(yàn)流程，有利于學(xué)生更加深入地學(xué)習(xí)理論知識，熟練實(shí)驗(yàn)操作流程[10]。

3.3 打破教學(xué)時段限制

為了培養(yǎng)具有實(shí)用性、實(shí)效性的人才，現(xiàn)有礦業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分采用校企合作的教學(xué)模式。但是由于企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的時間段與教學(xué)時段之間不能很好地統(tǒng)一，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下不能做到理論知識和生產(chǎn)實(shí)踐的同時學(xué)習(xí)，而利用開放式仿真平臺就可以很好地避免這一難題，學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的同時，還可以實(shí)時觀察企業(yè)生產(chǎn)線上的工作，借助仿真模型，學(xué)生還能實(shí)際感受生產(chǎn)操作，也更容易加深記憶[11]。

3.4 提高資源共享性

利用網(wǎng)絡(luò)建立開放式仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，能更好地增加交流，更好地進(jìn)行資源共享[12]。礦業(yè)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的一些大型設(shè)備比較有限，而且很多儀器精密度比較強(qiáng)，如紅外儀器，學(xué)生不能親自動手操作，僅僅通過老師短時間的講解、演練去了解設(shè)備，因此很多時候?qū)W生對這些儀器會很陌生，也不利于學(xué)生技能的培養(yǎng)[13]。目前學(xué)生人數(shù)隨著高校的擴(kuò)招不斷上升，即使普通的儀器設(shè)備亦不能滿足所有學(xué)生的同時使用。由于學(xué)時的限制，分組實(shí)驗(yàn)不能滿足每個學(xué)生的動手操作，而利用仿真引入儀器分析，構(gòu)建儀器模型，可以讓學(xué)生更真實(shí)地感受某些儀器的構(gòu)造，還能模擬這些儀器的使用操作，更加方便學(xué)生的學(xué)習(xí)以及實(shí)踐[14]。

3.5 提高安全性

礦業(yè)工程教學(xué)過程中涉及企業(yè)實(shí)習(xí)和實(shí)驗(yàn)室課程，因此可能存在一些安全隱患。首先企業(yè)有很多大型的儀器設(shè)備，復(fù)雜生產(chǎn)過程及電路，這些對于沒有生產(chǎn)實(shí)踐的學(xué)生來說都是一些潛在的危險[15]。即使是校內(nèi)實(shí)驗(yàn)也會存在一定的危險，如實(shí)驗(yàn)室里很多藥品屬于危險品，特別是一些涉及易制毒、易制爆藥品，如硫酸、鹽酸、硝酸和高錳酸鉀。這些藥品、藥劑如果使用不當(dāng)對人體會產(chǎn)生很大的傷害[16]。但在仿真平臺里，這些危險可以避免。對于一些由于危險系數(shù)太大而取消的實(shí)驗(yàn)，仿真平臺里也能實(shí)現(xiàn)，保障安全的同時，也擴(kuò)寬了學(xué)生的知識面。

3.6 提升學(xué)習(xí)的積極主動性和創(chuàng)新性

在礦業(yè)工程教學(xué)中，學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也必須融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中。但是由于傳統(tǒng)教學(xué)形式單一，并不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。開放式仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以很好地做到產(chǎn)學(xué)結(jié)合；將課程中分散的理論與實(shí)踐知識系統(tǒng)化、整體化，更有利于不同學(xué)科的知識交流，對學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的進(jìn)一步提高有很大的幫助。傳統(tǒng)的教學(xué)模式一般讓學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，小組活動就經(jīng)常有個別同學(xué)會有偷懶現(xiàn)象，總想著依靠組員，這樣的方式很難調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，而新型教學(xué)方式采用豐富的互動形式，并且可以滿足一人一組，更有利于調(diào)動學(xué)生的積極性，讓學(xué)生自愿主動地學(xué)習(xí)。

3.7 貼合學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)

新型教學(xué)模式更加符合礦物工程類專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)，將生產(chǎn)、教學(xué)、科研結(jié)合起來培養(yǎng)人才，同時增強(qiáng)學(xué)生的理論知識和技術(shù)能力，減少學(xué)生與企業(yè)所需人才之間的差距，更有利于高科技人才的培養(yǎng)[17]。

4 結(jié)論

以礦業(yè)工程實(shí)驗(yàn)課程為載體，建設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)平臺，采取開放式教學(xué)模式，打破了傳統(tǒng)教學(xué)中時間、空間以及教學(xué)主體的限制，增加了更多的學(xué)科知識，實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，也更好地激發(fā)學(xué)生的思維創(chuàng)新，滿足多任務(wù)、重開放、探索式的教學(xué)活動。開放式仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式更緊密地聯(lián)合了理論知識與生產(chǎn)實(shí)際，更貼合礦業(yè)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)。