礦業(yè)類專業(yè)虛擬仿真實驗一流課程創(chuàng)新與實踐

趙國貞　李建忠　弓培林

［摘 要］ 2020年，“礦山巖層移動及控制”虛擬仿真實驗獲批國家虛擬仿真實驗一流課程，課程響應(yīng)國家“能實不虛，虛實結(jié)合”實驗建設(shè)的指導(dǎo)方針，將信息技術(shù)與采礦實驗教學(xué)有機(jī)融合。課程開創(chuàng)了線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化實驗教學(xué)新模式，將基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬教學(xué)與基于實踐的課堂教學(xué)深度融合，激發(fā)了學(xué)生的實驗興趣，提升了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，實踐教學(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，同時可推廣到其他礦業(yè)類高校，實現(xiàn)資源共享。

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

［基金項目］ 2021年度山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項目“學(xué)生中心虛實融合的礦業(yè)類專業(yè)一流課程創(chuàng)新與實踐”（J2021197）；2021年度山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項目“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)改革與實踐”（J2021116）；2021年度教育部第二批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“‘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］ G642.4 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）22-0108-04［收稿日期］ 2022-07-25

引言

隨著人們對課堂教育質(zhì)量的不斷追求，“金課”已然成為新時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)課程的研究對象是條件艱苦、環(huán)境復(fù)雜的煤礦，課程實驗因耗時長、成本高、難控制、安全性等因素?zé)o法真實有效地開展，虛擬仿真一流課程為采礦工程專業(yè)實踐教學(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“礦山巖層移動及控制”虛擬仿真教學(xué)實驗，2020年該實驗獲批國家虛擬仿真實驗一流課程。對“礦山巖層移動及控制”虛擬仿真實驗進(jìn)行創(chuàng)新與實踐，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)虛擬仿真實驗一流課程的建設(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、高能耗、災(zāi)害不可逆轉(zhuǎn)等特點(diǎn)；煤礦安全形勢嚴(yán)峻，實習(xí)安排困難、實習(xí)效果差；實驗教學(xué)手段單一、實驗內(nèi)容更新慢，教學(xué)效果有待提升；傳統(tǒng)驗證型實驗教學(xué)項目的教學(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］。虛擬仿真實驗一流課程將信息技術(shù)、智能技術(shù)與實驗教學(xué)深度融合，著重解決了課程不具備真實實驗條件及實驗進(jìn)行困難等問題［3］。與此同時，虛擬仿真實驗一流課程極大地拓展了實驗教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，使實驗教學(xué)在時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、虛擬仿真實驗應(yīng)用于礦業(yè)類專業(yè)課程的必要性

“礦山巖層移動及控制”實驗是采礦工程專業(yè)的學(xué)生必須掌握的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。實驗涉及的課程主要有“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。實驗主要采用了物理相似模擬方法，包含模型設(shè)計、材料配比計算、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、勞動強(qiáng)度大、實驗成本高、實驗周期長、實驗過程不可逆、實驗環(huán)境差、實驗風(fēng)險高等特點(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驗”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)研究物理模擬實驗的虛擬仿真實現(xiàn)方法，制作虛擬仿真實驗系統(tǒng)，對礦業(yè)類專業(yè)的實驗教學(xué)至關(guān)重要。通過虛擬仿真實驗系統(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，鼓勵學(xué)生在特定的礦山環(huán)境下創(chuàng)新礦山巖層移動及控制模式，引導(dǎo)師生共同完成實驗項目，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、“礦山巖層移動及控制”虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計

實驗設(shè)計以培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新精神和綜合實踐能力為導(dǎo)向，遵循系統(tǒng)化、情景化、過程化、以實為本、虛實結(jié)合、能實不虛、能力提高與交互性等原則，按照“緊跟學(xué)科發(fā)展，立足社會需求，夯實實踐能力，強(qiáng)化技能，培育團(tuán)隊精神，提高創(chuàng)新能力”的實驗設(shè)計理念，科學(xué)規(guī)劃了“礦山巖層移動及控制”實驗教學(xué)項目，形成了“統(tǒng)一平臺、分項虛擬、虛實結(jié)合、全方位共享”的虛擬仿真教學(xué)體系，以解決不具備真實實驗條件及實驗進(jìn)行困難等在實驗教學(xué)中遇到的問題［7］。

（一）虛擬仿真實驗總體設(shè)計

如圖1所示，虛擬仿真實驗總體設(shè)計采用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驗教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建。項目采用Unity 3D引擎完成開發(fā)，采用C#開發(fā)語言，通過3ds Max制作三維模型與動畫，通過HTML腳本實現(xiàn)Web交互式三維動畫的制作［8］。虛擬仿真實驗平臺可搭建在基于Internet的開放教學(xué)管理平臺上，全天候向?qū)W生開放，學(xué)生可以通過互聯(lián)網(wǎng)不受時間和空間的限制進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。同時，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）虛擬仿真實驗?zāi)K建設(shè)

如圖2所示，虛擬仿真實驗系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，包括實驗認(rèn)知模塊、實驗準(zhǔn)備模塊、實驗操作模塊和實驗考核模塊。

1.實驗認(rèn)知模塊。實驗認(rèn)知模塊包含實驗方法、實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗條件等內(nèi)容，學(xué)生可以依次點(diǎn)擊進(jìn)行學(xué)習(xí)，了解實驗的背景和目的。

2.實驗準(zhǔn)備模塊。實驗準(zhǔn)備模塊包含學(xué)習(xí)與實驗相關(guān)的理論知識、計算公式、實驗儀器、地質(zhì)背景知識、實驗材料等內(nèi)容，便于學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)計算和知識點(diǎn)的回顧。

3.實驗操作模塊。實驗操作模塊包括相似模型參數(shù)計算、模型配比方案計算、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)完成整個實驗操作。

4.實驗考核模塊。實驗考核模塊主要針對學(xué)生的實驗情況進(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。實驗結(jié)束后學(xué)生提交實驗報告，可根據(jù)自己的實驗報告成績選擇重復(fù)實驗直到滿意為止。

四、虛擬仿真實驗一流課程建設(shè)實踐與思考

（一）教學(xué)方法創(chuàng)新實踐

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

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

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

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

（二）虛擬仿真實驗一流課程建設(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)實技術(shù)，集文字、聲音、圖形、圖像、動畫于一體，構(gòu)建“礦山巖層移動及控制”虛擬仿真實驗網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，供相關(guān)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行實驗、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)實技術(shù)等現(xiàn)代教育技術(shù)的功效，把部分實踐教學(xué)環(huán)節(jié)搬進(jìn)課堂，實現(xiàn)了實踐教學(xué)信息化。（2）根據(jù)平臺建設(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)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，促使學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動性。（3）虛擬仿真實驗平臺能夠?qū)⒓訉嶒灥膶W(xué)生進(jìn)行全過程記錄，能夠隨時進(jìn)行實驗指導(dǎo)，對學(xué)生的預(yù)習(xí)效果、實驗步驟以及實驗成績都具備完善的評價標(biāo)準(zhǔn)，提高了評價的公正性。（4）平臺建立了較為完善的反饋機(jī)制，可以對參加實驗的學(xué)生提供各方面的建議、評價與反饋信息，進(jìn)行全面系統(tǒng)地統(tǒng)計分析，為指導(dǎo)教師改進(jìn)和完善實驗提供了參考，提高了教學(xué)效果［10］。

結(jié)語

“礦山巖層移動及控制”虛擬仿真實驗是信息技術(shù)與采礦實驗教學(xué)有機(jī)融合的產(chǎn)物，其教學(xué)方法開創(chuàng)了虛實融合、線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化實驗教學(xué)新模式。虛擬仿真實驗不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)物理模擬實驗難以開展的不足，還豐富了采礦專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)實踐模式，激發(fā)了學(xué)生的實驗興趣，提升了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，實踐教學(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。

參考文獻(xiàn)

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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