構建“采礦工程”虛擬仿真實驗室實驗教學體系研究

薛黎明 劉威 侯運炳 王豪杰

[摘 要] 虛擬仿真實驗室的建設是信息化教學改革的重要途徑，虛擬實驗教學是將專業理論與信息技術融合的產物。該文從采礦工程虛擬仿真實驗室出發，分析了虛擬實驗教學在培養創新型人才、提高學生實踐能力方面的意義。針對傳統采礦工程實驗室中存在的一些問題和不足之處，從管理體系建設、師資隊伍建設這兩個方面闡述了對采礦工程虛擬實驗教學體系的建設意見，可為推進采礦工程虛擬實驗教學的發展提供借鑒。

[關鍵詞] 虛擬仿真;實驗教學;采礦工程

[基金項目] 中國礦業大學（北京）教學改革與課程建設項目（J180118）

[作者簡介] 薛黎明（1976—），女（滿族），吉林榆樹人，中國礦業大學（北京）工學博士，中國礦業大學（北京）能源與礦業學院副教授，主

要從事礦業系統工程、資源經濟等方面教學與研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）23-0389-02? ? [收稿日期] 2020-02-04

實驗室是高校進行實驗教學的重要平臺。實驗教學水平的提升，不僅可以提高學生的實踐操作水平和創新能力，也能進一步推進學校的整體發展。在傳統的采礦工程實驗教學中存在著高危、安全不能得到保障、學生科研興趣低等現象，針對這些問題，運用虛擬現實技術建設的采礦工程虛擬仿真實驗室，能夠使學生在接近現實的工作場地中學習知識、實現操作。這種教學方法能夠生動形象地使學生加深對相關知識的理解，并能有效提高學生對實驗、科研的興趣，對于采礦工程學科的實驗教學改革具有重要的意義。

一、建設采礦虛擬仿真實驗室的意義

在我國的傳統采礦工程實驗教學中，由于實驗場地限制、實驗儀器昂貴以及操作步驟復雜、實驗安全性差等問題，導致了高校對實驗教學的重視程度不夠，所以學生們很難直觀地掌握實驗的原理。

虛擬仿真實驗教學是一種用VR、AR、人機交互等多種技術手段模擬出實驗現場的實驗教學方法，對采礦工程實驗這種實踐操作性很強的學科來說，學生不受實驗設備和實驗場地的限制，能大幅提高學生對于實驗教學的興趣和加深對采礦工程知識的理解，對于采礦工程實驗教學具有以下幾點重要的意義。

（一）提升學生科研興趣

由于傳統采礦實驗室的實驗教學限制過多，學生很難通過實驗學習知識。但是在虛擬仿真實驗室中，學生可以沒有限制地全方位觀察VR空間內的實驗對象，互動操作，界面簡介，形式多樣，這樣能提升學生科研興趣和學習效果，促進學生實踐操作能力和創新能力。

（二）保障學生人身安全

在傳統的采礦工程教學實驗中，由于煤礦井下綜掘工作面環境惡劣，在掘進過程中存在粉塵濃度高、易落石以及瓦斯突出等問題，學生下井實習安全隱患大，且煤礦井下狹小的空間不利于大規模學生進入現場了解綜掘工作面生產工藝。

但是在采礦工程虛擬仿真實驗室中學生們能利用VR技術進行各種實驗項目，不受場地、環境等因素的限制，對于一些危險性認識的虛擬實驗課程開設（煤礦瓦斯爆炸、頂板災害事故、突水模擬實驗等）也做出了安全保障[1]。

（三）降低建設成本

建設一個功能完善的采礦工程實驗室投資巨大，而且在實驗室建成后，實驗室的能源資源消耗、設備的維修費用等運行成本消耗也是一筆不小的數目。

而虛擬實驗室的出現解決了采礦工程傳統實驗教學中存在的實驗場所、實驗設備、實驗經費等限制，采礦工程虛擬仿真實驗室通過虛擬現實仿真實驗裝置互動操作，得到和傳統實驗一樣的實驗現象，能減少實驗成本，打破實驗條件限制。

二、采礦工程虛擬實驗教學方法構建

現階段虛擬仿真實驗室的建設處于快速發展的階段，大量的虛擬仿真實驗室正在孕育而出。但是虛擬仿真實驗室的建設與持續發展離不開科學嚴謹的教學管理制度，根據調查顯示，有些高校的虛擬仿真實驗室的利用率能達到80%以上，但有些院校的虛擬仿真實驗室的實際利用率則相對較低。

（一）管理體系建設

根據調查顯示，一些高校在建設虛擬仿真實驗室中耗費了大量資源和經費，但是等虛擬仿真實驗室建成后的利用率卻非常低，導致了資源的浪費。這些實驗室就是因為在后期的實踐過程中缺乏嚴謹的管理制度，導致師生的實驗熱情日益變低，使得虛擬仿真實驗室的利用率越來越低[2]。

為了防止出現這種門面型實驗室，必須建立健全實驗室的管理制度，以加強對虛擬仿真實驗室的經費支出的管理、教師工作績效的考核和實驗室設備的更新維護等，必須組建一個監督團隊定期對虛擬仿真實驗室的實驗室利用率情況、實驗課程的教學情況、實驗室的維護更新情況進行考核評價。

（二）師資隊伍建設

采礦工程實驗教學中除了要讓學生學習到專業知識、加強學生的綜合能力外，采礦工程虛擬仿真實驗室教師團隊的建設也是題中應有之義，亦即必須建設一支結構合理的教師團隊。目前來說，傳統實驗室的教學和虛擬仿真實驗室的教學還存在很大差異，教師們對于虛擬仿真實驗室的教學還是存在疑慮并且不太適應這種教學方式[3]。

采礦工程虛擬實驗的教學方式與傳統實驗方式不同，虛擬實驗教學要讓教師起到指導、引導作用，教學要從學生角度出發，引導學生在虛擬實驗中發現、思考并解決問題，加強學生對于采礦工程理論知識的學習效果和實踐操作能力，并且培養學生的團結協作和創新能力[4]。中國礦業大學（北京）的仿真項目改變了傳統的教師注入式教學方式，強調“以學生為中心"的實驗教學理念，將學習資源開放，學習空間開放，教師與學生融合成一體，主要依靠學生自主進行預習學習，教師起到輔導作用，共同完成實驗項目。

三、總結

構建高度虛擬仿真的實驗室是采礦工程專業實驗教育改革的捷徑，也是未來實驗教學的必然趨勢。通過采礦工程虛擬仿真實驗教學可以解決傳統采礦工程實驗教學中存在的問題，可以形象生動地讓學生在實驗中學習采礦工程相關知識。建設采礦工程虛擬仿真實驗室必須要制定制度完善的監督考核機制，完善虛擬實驗教學體系，強調以學生為中心的實驗教學理念，減少門面工程型實驗室的存在并且建設一支高水平的教學隊伍，這樣才能提升礦業高校虛擬實驗教學水平，從而提升礦業高校的人才培養質量。

參考文獻

[1]韓磊，楊科.采礦工程三維可視化虛擬實驗室建設[J].實驗技術與管理，2011，28（06）：211-213.

[2]王慧，白紅英，馬麗.高校虛擬仿真實驗室的建設與改革研究[J].中國管理信息化，2019，22（07）：216-218.

[3]段夏川，白鵬.建設開放式虛擬仿真實驗平臺 探索創新人才培養模式[J].信息與電腦（理論版），2017（17）：238-240.

[4]呂文玉，曾佑富.虛擬仿真技術在采礦學課程教學中的應用初探[J].教育教學論壇，2018（01）：147-148.

[5]姜喜迪，侯運炳.采礦安全虛擬仿真教學系統在采礦工程教學中的應用[J].科教導刊（中旬刊），2019（08）：130-131.

[6]徐志超，宋韌，曹瑜.論高校虛擬仿真實驗室的建設[J].中小企業管理與科技（下旬刊），2017（10）：125-126.

Research on the Construction of Experimental Teaching System of Virtual Simulation Laboratory in Mining Engineering

XUE Li-ming，LIU Wei，HOU Yun-bing，WANG Hao-jie

（School of Energy and Mining Engineering，China University of Mining Technology （Beijing），Beijing 100083，China）

Abstract：The construction of virtual simulation laboratory is an important way of informatization teaching reform.Virtual experimental teaching is the product of the integration of professional theory and information technology.Starting from the virtual simulation laboratory of mining engineering major，this paper analyzes the significance of virtual experimental teaching in cultivating innovative talents and improving students' practical ability.In view of the problems and deficiencies existing in the traditional mining engineering laboratories，this article expounds the construction of virtual experimental teaching system for mining engineering major from two aspects：management system construction and teacher team construction，which can provide a reference for promoting the development of virtual experimental teaching of mining engineering major.

Key words：virtual simulation;experimental teaching;mining engineering