礦業工程多專業融合數字場景體驗式教學方法

徐劍坤，王恩元，習丹陽，周 蕊

（1.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學 現代分析與計算中心，江蘇 徐州 221116）

數字場景是一種學習情境，是綜合運用虛擬現實、系統仿真、“互聯網+”等實現技術，依據現實世界物理實體，創建的存在于數字空間的虛擬模型，可借助數據模擬與推演物理實體在現實環境中的行為，也可借助虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，實現現實世界與數字空間的雙向映射，達到數字孿生效果[1]。建構主義學習理論認為知識是學習者主動建構的結果[2]，具身認知觀強調人體在認知活動中的作用[3]，這兩者共同構成了數字場景體驗式教學的理論基礎。數字場景與教育教學結合應用極具潛力，主要體現在激發學習動機、增強學習體驗、創設心理沉浸感、實現情境學習和知識遷移等方面[4]。國家《教育信息化2.0行動計劃》（教技〔2018〕6號）的落地實施，加快了新一代信息技術與教育的深度融合，眾多教育工作者開展了相關研究與探索，促進了教育教學改革與創新[5]。但需要指出的是虛擬現實、系統仿真、“互聯網+”等信息技術在教育領域的應用遠遠落后于其自身的發展，需要擴展應用范圍，創新教育教學應用方法與模式[6]。

1 礦業工程傳統教學方法不適應新時代需求

以網絡物理系統出現為標志的第四次工業革命正在發生，人類社會正在由后工業時代向信息時代邁進，新一代信息技術的突破與應用，正在深刻地影響著人類社會的各行各業。一方面，計算機、互聯網、人工智能等技術已經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、獲取方式及應用方式，教育的目的正在由知識記憶與操作訓練轉向知識應用與創新創造；另一方面，物聯網、大數據、人工智能、機器人、5G通信等新技術的突破與應用，正在推動資源開發由機械化向智能化邁進，行業對人才知識結構與能力素養的需求發生了重大改變，具備多專業知識結構、實踐與創新能力兼備的復合型人才成為時代寵兒。

礦業工程旨在培養適應及引領資源開發技術發展趨勢的工程師，強調工程實踐與創新，但傳統的教學方法與模式滯后于時代發展。傳統教學中教授者將資源開發依據流水線環節劃分為細致的專業方向，在各專業方向下將真實情境中非良構的、復雜的工程問題，通過去情境化的抽象與概括，加工為概念與知識，再通過直接、單向的方式灌輸給學習者。在這一過程中，學習者始終處于被動接收的地位，把更多的精力投入到對抽象知識的記憶。應用考核也多是基于去情境化的、人為設計的問題，這些問題多缺乏深度和復雜性，與工程實際差異較大。教學組織多采用固定時間、固定地點、固定內容和集中式組織方式，在教學過程中學習者角色單一，興趣引領與主觀能動性調動不足。這種教學方法及其模式直接導致學習者知識結構單一、能力欠缺、工程實踐不足、創新精神不強、與企業需求脫節，因此，急需探索適應于新時代特征的教學方法與模式。

2 數字場景體驗式教學方法研究與設計

數字場景是一種存在于數字空間的可視、可交互的體驗式學習情境，其教育理論基礎是建構主義學習理論[7]。建構主義認為知識不是通過教師傳授得到的，而是學習者在一定的情境下，借助他人的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構的方式而獲得的，強調學習者的主體作用[8]。建構主義學習理論改變了師生角色，由傳統的教師主動、學生被動的“教—學”單向線性灌輸模式，轉變為以學生為主體、教師為引導的往復建構模式；學生知識的建構與遷移需要借助學習環境——任務情境，任務情境是由教師根據真實世界任務設計的，蘊含知識和智力操作，強調真實性[9]。建構主義學習理論較好地說明了人類學習過程的認知規律。基于此，本文以真實世界與真實任務為藍本，設計并開發數字場景，作為學生學習的任務情境。在學習情境中學生將通過體驗互動，完成知識的建構與遷移，如圖1所示。

圖1 礦業工程多專業融合數字場景體驗式方法及模式

（1）采用知識圖譜[10]梳理礦業工程學科下資源、采礦、安全、機械、信息等專業知識體系，將知識節點化，以節點為單元建立多向聯通關系，形成知識網絡。根據任務目標，規劃任務解決途徑，建立知識網絡中從始點到終點的知識線索與脈絡，對同一問題可以有多條解決途徑即形成多條知識線索與脈絡。

（2）根據真實工程與真實任務，運用虛擬現實、系統仿真等技術，設計并構建數字場景，將知識網絡通過多種形式融入數字場景中。

（3）針對不同真實場景與真實任務，在統一架構下開發數字場景，形成礦業工程數字場景教學資源庫，運用“互聯網+”技術開發數字教學云平臺，構筑數字場景學習空間。

（4）教師是數字場景的設計者，也是學習過程的引導與監督者。教師通過發布具體任務引導學生以問題解決者的身份在數字場景中尋找解決策略與路徑，并付諸實施。

（5）學生是知識的發現與應用者。在不斷地與數字場景互動過程中，學習與應用知識，通過體驗、研究、反思、推理，生成新的知識理解與發現，并在多種視角與場景中檢驗驗證，從而實現知識與技能的建構與訓練。

3 數字場景設計與教學資源開發

任務情境是建構主義學習的根基，包括任務和情境兩個核心要素。這里的任務是指由教師發布的、鑲嵌有學習目標與學習內容的活動要求，通常是找尋、發現、揭示、解決特定的事物、方法、規律、困難等，多是依據工程實踐的具有多種解決方法、解決途徑和少量確定性條件的劣構問題。情境是蘊含知識和智力操作的真實性環境，鐘志賢[11]指出真實的情境設計應具備以下要點：最大限度反映知識/技能在實際中的運用方式；要鑲嵌相關領域知識與認知策略；要保持現實情境的復雜度，保證學習結果的跨情境遷移力；要考慮學習內容的多樣性和遷移性。

基于這些原則，本文設計與開發了數字場景。以現實世界的實驗研究場景與礦山生產場景為藍本，設計制作對象的外觀數字模型、行為數學模型與操控界面，依據場景中多對象運行耦合規律建立場景運行機制，采用3d Max軟件數字建模、采用Unity3D引擎開發數字場景、采用 MySQL數據庫管理數據、采用Visual Studio環境開發程序，將知識以語音文字提示、設備構造拆解、行為過程再現、系統設計與實現、系統操控模擬與實施效果推演等具現形式融入數字場景[12]。開發了包括理論學習、實驗室實驗、生產系統認知、生產實踐與安全培訓5個部分的系列數字場景教學資源，形成礦業工程數字場景教學資源庫，如圖 2所示。

圖2 礦業工程數字場景教學資源庫

在數字場景中，學生可以打破時間與空間的限制，拓展認知空間，從不同視角直觀體驗事物特征、結構及過程，完成觀察性學習；可以通過反復操作與組合實驗訓練技能、修正原有理解與認知，可以開展現實條件不具備的實驗，學習新的知識技能，完成操作性學習；可以靈活地改變研究條件與環境，以較低的成本與風險，在高度仿真的數字空間中進行科學探索與工程實踐，完成研究性學習；可以打破空間限制，通過網絡實現多人協作探索與交流，完成合作性學習。

4 數字教學云平臺與教學模式

互聯網促進了教育變革及發展趨勢，當前正在由工業時代教育向信息時代教育過渡，信息時代教育的典型特征是以數字公民的培養為核心、以個性化學習方式為導向、以信息化互聯環境為支撐[13]。為適應這一時代特征，有必要將數字場景架構于互聯網，云計算與云服務提供了有效的解決途徑[14]。云計算、云服務與教育行業融合派生出了教育云，它將虛擬化硬件資源、海量教育資源、教育應用系統整合起來，通過互聯網向學習者提供應用服務，可分為基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）、軟件即服務（SaaS）三個層次[15]。本文在學校數據中心私有云平臺上部署礦業工程數字場景教學資源庫及其學習系統。數字場景可通過互聯網在多種終端（如3D環幕、VR穿戴裝備、全息投影、移動設備等）上呈現，供學習者交互體驗。如此整合軟硬件和教育云服務，構建了礦業工程多專業融合數字場景教學空間——數字教學云平臺。該平臺提供了泛在化的數字學習環境，打破了時空限制；教學內容可個性化選擇，實現差異化與定制化學習；其教學組織不再是封閉式的集中學習，而是開放式的以學生為中心的自主學習，因此其教學模式較之傳統發生了根本性變化[16]。

5 實踐應用

以“采礦學”為例講述本文研究成果在教學中的應用。“采礦學”是專業主干課程，其教學目標是：了解以煤炭為代表的固體礦產資源開采的基本方法和基本原理，掌握現代礦山開采的基本概念、基本方法和主要技術，較全面和系統地理解煤礦井下生產系統、生產環節和開采技術和裝備，具備應用所學知識解決礦山開采復雜問題的能力，具備從事礦山采掘設計、工程施工、生產組織的能力[17-18]。作為工程類課程，培養學生學習能力和靈活運用知識解決實際工程問題的能力是重中之重。傳統教學多采用繪制工程設計圖紙、現場實習等方式，但存在設計實施驗證困難、工程實踐困難、評價困難等問題。為此，在教學過程中引入礦井三維可視化設計與仿真運行模塊，該模塊是礦業工程數字場景教學資源庫中生產實踐部分的一組數字場景，其場景內容框架如圖3所示，部分場景顯示效果如圖4所示。

圖3 礦井三維可視化設計與仿真運行模塊場景框架

圖4 礦井三維可視化設計及運行仿真模塊

礦井三維可視化設計與仿真運行模塊數字場景融合了資源地質（地質礦藏模型）、采礦（井巷與生產系統設計）、安全（災害事故應急處置）、機械（生產裝備結構分析及選型設計）等專業知識。教師提供真實礦井的地質礦藏模型，發布設計任務；學生在任務引導下，經歷礦井規劃與水平劃分、礦井一水平開拓方式、井底車場形式選擇、準備方式選擇與區域劃分、首采（盤、帶）區上山形式、首采（盤、帶）區車場形式、采面規劃與接替設計、水平延伸方式等8個步驟完成井巷設計，經歷生產裝備選型及配套設計與生產系統布置設計2個步驟完成生產系統集成設計。完成后可通過模擬運行驗證設計的合理性，對設計缺陷進行補足后再模擬運行驗證，如此反復直到設計合理。完成井巷設計與生產系統集成設計場景后，可進入生產系統模擬運行場景，布設各種監測監控系統，系統按1∶1模擬操控回采與掘進生產，并根據監測監控系統反饋數據，調整生產調度決策與生產系統控制，通過運行模擬對調度決策與生產系統運行效果進行評價。在災害事故應急處置演練場景中，對生產常見事故、災害進行模擬，學生通過數據分析辨識風險隱患、識別前兆特征并進行應急處置，對處置效果進行評價。

在“采礦學”教學實踐中，采用數字場景體驗式教學方法，依托數字教學云平臺，使用礦業工程數字場景教學資源庫，構筑數字學習空間，使學生在由真實情境營造的環境中，以任務為導向，自主學習，思考問題，尋求解決途徑，并付諸實施，在不斷的體驗與試錯過程中建構知識、理解知識并創造知識，訓練工程實踐能力，最終達到課程目標。教學實踐表明，在數字化環境中，學生專注度與主動性大幅提高，能夠根據自身知識背景與薄弱環節進行定制化與差異化學習，能夠熟練使用云平臺進行協作學習與問題探討，學習效率與效果大幅提升。在課程設計答辯環節，可看出學生對多專業知識的認知程度與綜合實踐應用能力較以往大幅提高。

6 結論

針對礦業工程傳統教學方法不適應新時代需求這一問題，本文基于建構主義學習理論，設計應用于礦業工程學科的數字場景體驗式教學方法，梳理并融合礦業工程學科下多專業知識體系，形成知識網絡，運用虛擬現實與系統仿真技術，以真實世界與真實任務為依據，構建數字場景，融入知識網絡，開發數字場景教學資源庫，根據“互聯網+”技術最新進展，建設數字教學云平臺，形成以學習者為主體、以核心素養發展為中心、采用信息化教育手段、在數字空間完成學習的教學模式，構筑礦業工程多專業融合數字場景體驗式教學體系。該教學方法及模式在教學實踐中表現出以下特點：

（1）由礦業工程數字場景教學資源庫與數字教學云平臺共同構筑的數字學習空間，能夠有效剝離外界干擾，提高學習者專注度，學習者可根據自身知識結構進行差異化學習，通過自主學習、合作學習、探究學習等方式學習，充分發揮主觀能動性，利于培養學生自主學習能力，并提高學習效率與效果。

（2）將礦業工程學科下多專業知識納入統一數字場景框架，實現了知識的可視化表達與融合，學習者通過與數字場景的直觀體驗互動，實現知識遷移與技能訓練，提高認知效率與效果，利于適應當前時代特征的多專業復合型人才的培養。

（3）以解決工程問題為導向，在由多種實際工程場景營造的任務情境中，學習、體驗、試錯并建構知識，實現理論學習與工程實踐的有機融合，活化知識與思維，實現知識的深化與擴展，利于工程實踐能力、批判性思維能力和創造性思維能力的發展。