礦業工程實驗室數字化建設模式研究與實踐

徐劍坤， 李小林， 習丹陽

（中國礦業大學a．礦業工程學院；b．礦業工程國家級實驗教學示范中心；c．采礦工程國家級虛擬仿真實驗教學中心；d．資源與地球科學學院，江蘇徐州221116）

0 引 言

21 世紀前10 年，網絡物理系統的出現標志著人類正在進入以泛在網絡為基礎、萬物互聯為目標的信息時代，計算機、互聯網、大數據、人工智能、機器人等技術已能夠代替人類完成大量任務，極大地改變了知識的存儲方式、獲取及應用方式，教育的關鍵特征正在由工業時代的“標準化與掌握學習”向信息時代的“差異化與聯通學習”變遷［1］。為適應新時代特征，作為人才培養重要場所的高校實驗室正在經歷著信息化、數字化變革。

國家高度重視新一代信息技術與教育的高度融合，教育部先后出臺了《教育信息化十年發展規劃（2011 - 2020 年）》《教育信息化“十三五”規劃》《教育信息化2． 0 行動計劃》等綱領性文件，各高校開展了深度的探索與實踐［2-5］。數字化實驗室即是通過計算機、網絡通信、物聯網、多媒體、虛擬現實等信息技術，使傳統的實驗資源數字化、聯通化，擺脫空間與時間的限制，通過各種智能決策與調度算法，提高資源使用與管理效率、提高教學與人才培養效果［6-8］。實驗室數字化改變的不僅是資源的存在與連接方式，也包括了實驗室的組織架構、管理與教學模式。

礦業工程學科致力于培養具有國際化視野、多樣化知識結構、專業化學術背景、創新性思維方式和扎實實踐能力的一流礦業人才，但傳統的實驗室建設與管理模式、教學方法與手段，以及封閉的實驗資源已制約了目標的實現。為此，本文研究并探索面向信息時代的礦業工程實驗室數字化改造與建設模式。

1 實驗室數字化建設頂層設計

傳統實驗室按專業劃分，彼此孤立，缺乏交叉融合，實驗教學與管理的理念、模式與手段落后，學生培養的層次性與目標性不強，政策引導與經費投入效果不佳，這種實驗室組織體系與資源分配機制已經制約了實驗室的發展，難以支撐一流礦業人才的培養。因此，打破專業界限、倡導交叉互補、重塑組織架構、重構資源分配機制勢在必行。

本文在礦業大類下，通過整合礦業工程國家級實驗教學示范中心、采礦工程國家級虛擬仿真實驗教學中心、工業工程專業實驗室、交通運輸專業實驗室等實驗教學資源，根據教學、訓練、創新功能，規劃并設立教學展示中心、虛擬仿真技術中心、大學生創新訓練中心，實現資源統一管理統一配置。將資源優先配置于具有創新性、前沿性、先進性的實驗項目及教學手段。建設線上教學資源與運行體系，信息化改造傳統實驗資源，基于數字化、信息化手段構建多層次實驗教學系統，建立線上線下融合互補與過程跟蹤評價的實驗教學模式（見圖1）。

2 建設線上教學資源與運行體系

圖1 頂層設計

傳統的采礦專業實驗教學環節存在極端的高危環境、不可逆與不可重復的操作過程、高昂的實驗裝備建設、維護與使用成本、新成果轉化實驗資源的漫長周期等問題，因此需要探索一種安全、可靠、直觀和經濟的實驗教學方法與手段［9-10］。

現以礦業工程實驗教學中心（場地、儀器、設備等）與礦山生產企業（井工、露天）為原型，利用虛擬現實與仿真技術重構虛擬空間，形成虛擬化的實驗及作業場景、可交互操作的仿真儀器及設備、可供瀏覽學習的文字及音視頻資料。

（1）將知識節點化。利用虛擬場景將多個知識點串聯，形成了一個個虛擬仿真教學資源，建設了“采礦學”“非煤開采技術”“露天開采”“采礦工程專業實驗”“礦山安全事故及災害案例”等5 門虛擬仿真教學資源庫，通過逼真、可視化的方式，拓展了學生的想象與認知空間，滿足了專業知識學習的需要。

（2）研發礦業工程虛擬仿真實驗室軟件?？稍趯嶒炇遗c礦山兩種虛擬場景下開展71 項虛擬仿真實驗與場景認知漫游實習，實現實驗與實習數字化教學。

（3）研發礦業工程虛擬仿真在線教學平臺。該平臺基于互聯網線上運行，采用B ／ S和C ／ S兩種架構并結合數據庫，將前文所述的虛擬仿真教學資源庫和礦業工程虛擬仿真實驗室接入，實現虛擬仿真教學資源的在線學習與操作。

（4）構建虛擬仿真實驗教學中心。依托采礦工程國家級虛擬仿真實驗教學中心建立了虛擬仿真教學資源開發團隊、線上平臺運行保障團隊及在線教學團隊，建立了規章制度，形成了虛擬仿真教學資源的線上運行體系。

3 利用信息化改造傳統實驗資源

受制于實驗室管理及教學手段、方式、場地、經費及人員數量等原因，傳統實驗資源開放度及使用效率不高、實驗教學設備使用效果不好、教學手段單一、實驗教學效果不佳，不利于學生實踐能力培養。為此，利用物聯網及信息技術改造實驗室，建立實驗室管理與實驗教學相融合的信息化平臺，實現了實驗室管理與教學的智能化、少人化［11-13］。

（1）實驗場地及裝備物聯網改造。通過建立實驗室數據采集系統、門禁管理系統、電源管理系統、視頻監控管理與巡查系統等將實驗場地及實驗設備接入網絡，實現實驗場地及裝備物聯網化管理。

（2）建立實驗室管理與實驗教學相融合的信息化平臺。在同一平臺架構下，統一數據標準，實時更新匹配數據，實現實驗教學資源的統一管理與調度，具體包括實驗資源、物聯網、資源開放、實驗教學、用戶、數據、師資隊伍、辦公管理等模塊，從而打破了信息壁壘，使管理者、教師及學生供需信息及時發布、匹配、對接，實現了對資源使用及管理的全流程跟蹤。

4 構建多層次實驗教學系統

借鑒國內外實踐經驗［14-17］，綜合應用虛擬現實、增強現實、仿真儀器及計算機技術，研制“體驗-實操-創造”多個層次實驗教學平臺，其中軟件部分采用統一的技術體系，使用3DMax三維建模、使用Unity3D制作三維場景、使用MySQL 制作數據庫、采用PhotoShop設計界面、使用Visual Studio設計程序，保證內容連貫與風格統一。

（1）“體驗”教學層次。建設了虛擬增強現實采礦模型教學系統、3D環幕沉浸式生產教學系統、VR體驗式教學系統、生產裝備全息投影系統等，直觀展示了礦山生產系統全貌及生產流程，使學生直觀生動全面地了解了礦山（見圖2）。

圖2 VR體驗式教學系統

（2）“實操”教學層次。建設了采煤機、掘進機等生產裝備的交互式仿真操作儀、工作面生產系統設計仿真系統、采場及巷道礦壓實測實訓系統、礦井原位測量仿真訓練系統等，使學生了解、熟悉并能熟練操作實驗設備及生產裝備，能獨立開展實驗，訓練實操能力（見圖3）。

圖3 工作面生產系統設計仿真軟件

（3）“創造”教學層次。建設了礦井生產設計及仿真系統、礦井通風系統三維設計及仿真系統、露天礦開采設計系統、礦業工程多專業協同設計云平臺等，實現了多專業協同的礦山全生產系統設計及仿真，培養了學生的綜合知識，訓練了學生的創造力（見圖4）。

圖4 礦業工程多專業協同設計云平臺

5 創新實驗教學與評價模式

實驗教學是一個過程，包括多個環節，每一環節均是下一環節的基礎，需要一套全程的跟蹤管理與評價方法，但現有的實驗教學手段與考評機制，對學生參與度、完成度、真實性、準確性難以全面、客觀地把握。

為解決這一問題，在實驗室數字化建設的基礎上，提出了線上線下資源融合互補與過程跟蹤評價的實驗教學模式，如圖5 所示。利用互聯網與物聯網整合線上線下教學資源納入統一信息平臺管理，強化線上線下資源優勢互補與融合使用，加強資源調度的智能化，建立實驗教學動態評價指標體系及計算方法，建立起從線上學習—培訓—實操—考核，到線上申請—線下實驗—遠程跟蹤指導—線上提交成果及評價的實驗教學全過程跟蹤管理與動態評價機制。

圖5 線上線下融合互補與過程跟蹤評價的實驗教學模式

6 實踐效果

近3 年來，礦業工程學科通過實驗室數字化建設實踐，顯著提高了實驗室的運轉效率與效果。在實驗技術及管理人員不變的情況下，實驗室承擔的實驗工作量逐年增加，學生依托實驗室開展的創新創業項目、學科競賽活動、科學研究項目明顯增多，各實驗課平均成績及學生論文、專利數量也顯著提高，見表1、表2。在打破實驗室傳統模式，進行數字化改造與建設后，實驗室運轉效率提升，實驗資源利用率提高，實驗室知識產出增加，學生積極性增強，知識學習與應用效果更加出色。近3 年來，實驗室先后接待高校來訪交流37 批次，實驗室建設模式與效果受到了較高評價。

表1 近3 年實驗教學工作量變化

表2 近3 年開展創新項目

7 結 語

實驗室是高等專業人才培養的重要基地，實驗室建設應緊跟時代發展與人才需求。以移動互聯網、物聯網、虛擬現實、仿真技術等為代表的新一代信息技術正在深度改變著教育形態，改變著知識遷移方式與獲取途徑，人才培養更加強調核心競爭力培養，但傳統實驗室因其封閉性、資源配置低效、改變緩慢等原因，已不再適應當今社會。為此，本文以支撐一流人才培養為目標，通過重塑實驗室組織架構與資源分配機制，使資源優先跟蹤學科前沿與人才創新培養；利用虛擬現實與仿真技術建設線上教學資源與運行體系，利用物聯網技術改造傳統實驗資源，基于數字化、信息化手段構建多層次實驗教學系統，建立線上線下融合互補與過程跟蹤評價的實驗教學模式，從而重塑了多模態融合的實驗教學資源體系與使用連接方式。進而探索了專業實驗室的數字化建設模式，應用實踐表明實驗室運轉效率提升，實驗資源利用率提高，實驗室知識產出增加，學生積極性增強，知識學習與應用效果更加出色。本文的研究對高校專業實驗室建設具有一定的借鑒意義。