基于虛擬現實場景的“煤礦開采”沉浸式教學研究

張凌云 趙永芳 張滿懷

【摘 要】 全國教育大會提出高校應“著重培養創新型、復合型、應用型人才”，因此加強高校的教學實踐環節是當前教學改革重點。本文結合虛擬現實新技術，進行“煤礦開采”課程的沉浸式教學研究，打破傳統課堂的沉寂，給學生帶來新鮮、趣味的體驗感，提高課程教學效率。利用現代信息化科技力量，將采礦專業理論知識與實踐操作相結合，全面提升學生的創新思維、操作技能和綜合素養。

【關鍵詞】 煤礦開采;沉浸式教學;應用型本科

“沉浸教學”是從加拿大興起的一種外語教學模式，后在心理學界“沉浸理論”完善的基礎上，“沉浸式教學”被理工科教育領域廣泛推廣。

一、沉浸式教學特點

沉浸理論在1975年由美國芝加哥大學心理學教授Mihalyi? Csikszentmihalyi首先提出?！俺两笔菍W習、工作時的最佳體驗，“沉浸式教學法”是指教育教學工作者在施教過程中巧妙運用多種教學手段，以學生的主體體驗為主，從其興趣點出發，進入一種“沉浸”體驗的學習狀態，達到自主學習目的。沉浸教學模式在國內課堂教學中已有采用，但是其成功實施的前提是構建有效的課堂和學習的逼真環境。為加快我國應用型本科建設，在教學環節中利用沉浸式教學方法，優化傳統教學情境與學習氛圍，結合操作模擬平臺、完成目標性任務，提高課堂教學質量。

二、開采專業課程授課瓶頸

“煤礦開采”課程是開采（采煤）專業開設的主要課程，包含地下采煤工藝及方法、巷道布置方法、礦井通風與安全等內容。煤層地質具有隱蔽性、多樣性和復雜性特點，井工開采還要考慮地下空間立體交叉和動態變化等特點，教學傳授難度較大。

傳統教學主要以教師傳授教學為主、結合圖片、借助多媒體視頻講解，盡可能地將枯燥、復雜的專業知識灌輸給學生，但教學效果一般;為此校內還建設實訓室進行現場教學，學生可進行直觀學習，但投資成本過大;另校企合作的生產實踐實習環節，可讓同學全面系統地參與實踐操作，但該環節危險性大，提供崗位數量也十分有限。

“煤礦開采”課程具有一定的復雜性，內容涉及面比較廣，要達到培養應用型人才的教學目標，就要明確教學的重難點，有效結合教材，理清知識結構層次，加強理論與實踐結合，提高學生的實操能力。因此教師要結合專業的性質，運用科學手段進行教學模式的改革。

三、沉浸式教學在煤礦開采專業教學中的應用實施

在煤礦開采專業課程領域，授課過程中師生間的交流枯燥、抽象、被動且生硬，僅利用語言、圖片、視頻的傳統教學，缺乏空間立體結構的場景表現形式，學生理解掌握困難較大。沉浸式教學就是從增強學生實際體驗感開始，突出三維空間展示特點，教學過程可以讓學生沉浸在“井下采煤工作面”的環境中，參與生產布置、作業過程，進行交互操作，既提高課程教學效率又增強學習新鮮趣味性，改善傳統教學中諸多問題。

將沉浸式教學應用于煤礦開采專業教學突出的優勢主要體現在：授課理論知識與生產實踐操作相匹配，借助模擬場景進行教學是沉浸式教學獨特之處;學生不再單純是傳統課堂的“接收器”，化身為沉浸式教學作業中的“主動參與者”;教師放棄“填鴨式”教學，使用“帶學徒式”的新手段。

（一）教學環節的設計

采煤工作面工藝設計是煤礦開采專業重要的教學內容，具有理論實踐相結合的特點，下面以此部分教學內容為例進行教學環節的設計。學生依據采煤作業內容進行角色分工，按作業規程進行工作面推進。作業過程中學生在教師指導下需要對工作面采煤方法進行方案優選、確定布置設備型號、數量、功能及配套作業程序，明確“三機配套”概念、工作面循環數、工作面長度、超前支護、采煤截深、端頭支護等專業術語和實踐操作步驟，理解工作面的三維空間布置，掌握布置不同功能巷道對空間、功能、設施等的要求。將“采煤工作面工藝設計”作為一項系統工程，利用“工作面”這條主干線將“煤礦開采學”“采煤機械”“井巷工程”“煤礦地質”等多門專業課程進行學習應用，將眾多零散知識要點融會貫通，實現對當代本科院校應用型人才的培養目標。

（二）沉浸式教學中學生的角色分配

學生以實際生產工作制度為依據，以綜采工作面“四六作業制”為例，角色扮演分生產班和檢修班兩大類。生產班組中角色就應包括班長、采煤機司機、刮板機司機、移動變電站工、瓦斯員、乳化液泵司機、移架工、皮帶機司機、轉載工、安全員、絞車司機、電工;檢修班組中應包括班長、電工、移動變電站工、瓦斯員、乳化液泵司機、支架檢修工、乳化液管路檢修工、刮板機、皮帶機檢修工、采煤機檢修工、安全員。角色確定后，學生需按不同身份、職責進行沉浸式模擬場景作業分工，互相配合完成采煤工作面作業。

（三）采煤工作面作業教學的過程

采煤工作面教學的基礎條件由任課教師依據課程進度提前做大綱設計，明確該教學環節預計涉及到的教學內容，指出學習重點內容，發布任務書。任務書中給出了礦井概述、地質條件、水文條件、開采煤層賦存條件等采掘條件，提前分發給學生進行資料查閱及工作方案設計，確定作業面采煤方法;設計作業面尺寸、選定配套采煤設備等，將諸多作業條件提前錄入井下漫游操作系統，提供后期學生實操的基礎作業場景。

學生進入井下漫游系統操作實景模擬界面后，按照工作內容按步驟進行操作。操作過程要注意理論與操作的結合，各工種角色相互配合作業。例如：三機司機的操作銜接、支護工的配合作業、檢修工的作業重點等。除此之外，一些突發透水、火災、冒頂、瓦斯、粉塵等災害應急學習，也可使用類似沉浸式教學方法完成，既可以提高教學效率，完善教學內容，同時也能增加學生的實踐經驗，鞏固掌握課堂知識。

最后做沉浸式教學總結。通過學生在各個教學環節的表現進行教學成績評估匯總，教師也可以進行學生成績分析，改進課堂教學重點、難點，讓學生充分消化掌握知識要點，利用沉浸式教學手段反推教學效果。

四、結論

為滿足我國新時代建設需要，全國本科院校都在積極探索應用型本科的發展之路，希望為學生們提供多元的成長途徑，培養其知行合一的能力。文章從學院的特色專業出發，結合現代信息化技術手段，融合沉浸式和交互式特點，進行“煤礦開采”課程沉浸式教學研究，為專業教師提供形象生動展示教學內容的手段，同步為學生提供實操技能練習平臺，讓其能更直觀地理解專業知識，增加教學趣味性、互動性，把傳統的被動灌輸式學習轉化為主動興趣式學習，提高教師教學效率，縮減學生知識盲區，提升教學成果，助力山西能源學院應用型本科的快速發展。

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