虛擬仿真技術在礦物加工專業教學中的應用

晏全香，饒峰，劉金艷，鄧榮東

（福州大學 紫金礦業學院，福建 福州）

一 引言

虛擬仿真技術與各學科的現代教學手段相結合，形成了獨樹一幟的虛擬仿真教學。近幾年來，政策大力扶持，虛擬仿真教學更是遍地開花、應用極為廣泛[1]。上至高校本科培養和碩博研究，下至中小學教學與啟蒙興趣培養，學校教育已經開始全面應用虛擬仿真技術。高校的礦物加工工程專業學習過程中，大量物理化學理論認識、選礦場景、礦山機械和實踐教學等等都可以引入虛擬仿真教學，突破舊模式，為礦物加工教育培養帶來新的機遇與挑戰，也為選礦教育教學提供了新的方向和目標。

二 虛擬仿真用于礦物加工課程教學中的優勢

（一） 安全有效的虛擬仿真教學模式

礦物加工的工業現場操作過程大多數時候都伴隨著刺激性氣味、高分貝噪音、機械操作風險等等，現場工作人員需要嚴格佩戴勞保用品。礦山企業安全規范明確指出，未經培訓人員不被允許進入選廠操作范圍。各大知名高校實驗室，也時有發生安全事故。因此，在校學生和待培訓人員想要獲得現場工作體驗，具有較大難度。虛擬仿真選廠體驗，就能解決該難題。人機互動，在虛擬選廠中，人員用戶確保了安全問題，可直接模擬風險較高的高溫高壓動態化學反應，也可進行選礦流程中的磨碎浮選操作，有效規避了實踐現場操作時有可能出現的安全隱患[2]。由此可知，礦物加工中應用虛擬仿真教學，是一種安全有效的教學模式。

（二） 線上開放式體驗節約型實踐平臺

新冠肺炎疫情持續兩年期間，線上課堂成為開展教育的必需品。虛擬仿真用于礦物加工課程教學后，無論是隔離還是住家，無需進入礦山，在任意時間和地點，學生都可通過虛擬仿真平臺了解礦物加工專業知識、操作實踐驗證理論，可以重復多次開放體驗，不受傳統課堂時間和空間的限制。 礦物加工專業的傳統實習實踐環節，經常需要聯系企業、配合生產，甚至可以稱得上需要長途跋涉、上山下鄉、克服危難險阻，花費了大量經費才能完成教學。而虛擬仿真平臺可以讓礦加學生反復在線實訓操作，增加了實踐機會，不用經常面對“車間不便，干坐板凳”的尷尬局面；線上開放式選礦體驗，大大減少了實習環節中的耗材花費，教學成本和風險都降低[3]。過去難以開展的高危險、高成本的實踐操作，在虛擬技術下變得更加直觀簡便，靈活適用，可以實現真正的礦業技術共享開放、安全節約。

（三） 創新礦物加工教學互動反饋機制

早期礦物加工實驗和實習環節中，老師教學時需要一對多，老師一張嘴，學生問題多，做不到即時互動和反饋，教學效果不佳。類似礦物加工這類工科課堂上，理論講授、原理分析、機械結構分析時，學生很多時候只能借助有限的圖片或視頻想象實際場景，大多數學生不能理解或者早已放棄理解，很難做到師生互動，基本都是“低頭族”“瞌睡黨”。

虛擬在線平臺突破常規，實現人機互動，創建虛擬場景，用戶甚至可以借助視覺、嗅覺、聽覺、觸覺等等感知沉浸到場景中，互動反饋及時，學生的學習積極性和主動性也會大大提高[4]。平臺可以虛擬各種礦山機械的機構拆裝，可以組建選廠流程中重、磁、浮選的搭配，也可以模擬礦物與藥劑之間的細微氣泡接觸反應，學生根據自身情況互動反饋，及時獲得線上資源解答。人機互動實現多對一互動，龐大的資源量與學生共享。實踐環節考核也更加高效，計算機處理數據迅速，分析結果后立刻反饋，學生可以多次人機對話，反復驗證，理論聯系上實踐。教師通過計算機分析反饋結果，可以更有效實現全程監控、全程跟蹤、合理考核，消除知識盲區。

三 礦物加工虛擬仿真中存在的問題

（一） 僵化思維難以突破傳統

雖然國家教育部鼓勵發展虛擬仿真教學與實踐平臺建設，但仍然有部分教師堅持實驗室實地技能操作才能滿足學生實訓要求，虛擬仿真純屬“霧里看花”“水中撈月”，沉浸式體驗技術有可能讓學生們本就有的手機依賴癥會變成電腦依賴癥。并且，由于自身認識不足，也有人認為現有的虛擬仿真教學研究基礎不扎實，模擬動態分選工程不理想，現有技術不成熟，虛擬環境脫離現實等等，他們疫情期間準備不充分，只能無奈接受虛擬教學，若要實際教學，虛擬教學模式并不合適。因此，不少教師不愿意配合推進礦加專業虛擬教學，導致礦加專業虛擬仿真教學建設工作難以展開[5]。

（二） 教學模式理論研究不成熟

虛擬技術自誕生以來，廣泛用于航空航天、軍事戰爭、數學計算模擬、工農業制造等等[6]。 早期虛擬技術應用領域大多都是科學技術型、工業制造應用等，高校教學虛擬仿真技術還處在發展初期階段。教育部發文開展示范性虛擬仿真實驗教學建設，全國高校蜂擁而動，幾乎所有專業都在爭取學校、省級、國家級虛擬仿真項目經費。申請項目、獲得資助、推廣應用，全面展開的虛擬教學項目并沒有取得多少顯著成果，并沒有成熟的教學模式理論依據。技術的快速發展，需要有相關完善的理論研究。礦物加工虛擬仿真教學，同樣面臨這個難題，沒有完善的應用模式[7]，都是摸著石頭過河。建設項目如何展開、虛擬教學模式怎樣改革、虛擬環境仿真或者虛擬現實仿真應用混亂，缺乏理論依據的教學模式創新大多浮于表面，沒有內在的深層次思考，顯然限制了礦加專業虛擬仿真項目的發展。模式研究不成熟也導致了學生對虛擬仿真教學的認識不足，比如線上實習時，學生反饋代入感不強，仍需要現場實習。

（三） 資源配套準備不足

高校虛擬仿真教學平臺建設，需要計算機虛擬仿真技術與成熟的專業教學理念全面融合。 高速發展的計算機虛擬仿真技術，確實為高校教學改革帶來了新思路。但是高校教學和計算機虛擬仿真技術畢竟是兩個概念，高校教師不是計算機專家，如何熟練使用相關軟件還是個難題。教師需要擁有學習另一門專業的能力，掌握本專業的同時，再將軟件操作學會，并創作兩個專業融合的教學指導教材，還要確保準備性，不然教學過程中會產生錯誤的觀點，影響虛擬仿真教學效果。比如，礦物加工專業虛擬仿真教學中，需要仿真實現大量的物理化學反應和結構復雜的大型機械設備，往往需要大筆經費投入VR虛擬技術團隊創作，創建礦加專業虛擬平臺及相關軟件。要構建出合適的虛擬平臺，需要教學老師和虛擬技術團隊多次磋商、仔細磨合。因此，虛擬仿真教學平臺建設需要大量的專業教學老師、有與時俱進的計算機裝備和軟件設備維護人員。言而總之，建設礦物加工虛擬仿真平臺，需要資金、人才、技術等多方面配套資源，集中力量才能做出創新成果[8]。

就目前來看，高校各專業都在積極申報虛擬仿真項目，幾乎是“海選現場”，包括文學在內所有的專業都在嘗試虛擬仿真教學。良性激勵、妥善引導、再配套完善、齊心協力，虛擬仿真平臺的建設和發展會更為順利。

（四） 社會共有分享意識淡薄

實踐教學中涉及的很多物理化學反應、機械設備、電子產品等相關線上資源，很難做到共享共有。很多相關企業已經做過設備動態模擬，但其腳本資源基本都不會外傳分享，教師們和虛擬仿真技術人員基本是從零做起，耗費巨大，做出的效果可能還不如企業的專業版本，形成資源浪費。同行業不同單位內，基本自力更生，互相尊重主權，好的資源僅對少部分人開放。這種現象很正常，但卻阻礙了高校和企業的共同進步。比如礦物加工工程專業教學中的測試分析電子產品、機械設備等，企業為了產品推廣、技術研發和后期操作管理，基本都做過相關的虛擬仿真應用軟件，若能和高校專業教學共享資源，就可以實現虛擬仿真平臺快速推廣和傳播[7]。

四 礦物加工虛擬仿真技術應用發展建議

疫情持續發酵下，在線教育將成為世界教育的主要力量。虛擬仿真技術可以讓在線教育更生動形象，身臨其境感受知識，也可以讓教學過程更高效、更節約。礦物加工虛擬仿真教學研究剛剛開始起步，和其他高校虛擬仿真相似，同樣面臨相當多的機遇與挑戰。關于礦物加工虛擬仿真教學發展，主要的建議有以下幾點：

（一） 從學生角度出發，實現沉浸式虛擬仿真

仿真環境設計盡可能和選礦現場相似，虛擬教學要做到身臨其境，那就務必讓學生感受到生動和真實，最好能沉浸體驗。當然，現在多數高校都很重視教學改革，課堂上有了很多豐富的教學案例，還有各種視頻、音頻材料，表面上看確實層次分明，豐富多彩，實際上大多數學生仍然對內容一知半解，并沒有融會貫通。應用于課堂教學的音視頻材料，極大地豐富了單調的理論課堂，激發了學生的學習興趣，暫時成功地獲取了部分學生的注意力。但是，當教學活動再轉入涉及理論教學部分，學生的注意力就開始散開，整個課堂教學過程基本可以視作學生斷--續--斷--續參加學習的過程。這類改革過的音視頻教學模式，也很難做到讓學生持續關注并導入知識。虛擬仿真技術，可以將專業實踐現場模擬出來，甚至可以直接用現場實景作為腳本，讓學生直接體驗現場實踐環境。相比于音視頻教學只能片段展示實踐效果，虛擬仿真教學在礦物加工專業學習中讓學生可以連續、完整、沉浸學習專業實踐知識。

要實現連續沉浸學習效果，虛擬仿真教學腳本設計，盡可能切合教學中需要掌握的知識點，學生在虛擬環境中實地操作，沉浸式體驗在線實時互動教學，并且可以反復練習操作，計算機記錄學生操作學習情況，實時反饋，實行在線考核總結。教學時老師只是做開始的前景介紹，中間觀察、結束后答疑、討論和考核總結。進入體驗后，則以學生自主學習、獨立探索來完成學習內容，也可以增加學生自行連線的小組對抗、實踐操作比賽等等交流環節，增加學生參與積極性。

（二） 開放創新，教學觀念與時俱進

傳統礦物加工教學，課堂上師生一起暢想設備原理結構，實踐操作時教師手把手指導，隨時提醒安全問題。一批又一批的學生接受同樣的教育，教師們已經形成自有教學習慣，要其改變教學模式，適應新的虛擬仿真教學并不容易[7]。很多相關電子信息技術、在線操作技巧、虛擬設備內容等，教師們都要接受重新學習培訓，這個過程不會輕松。教育部門和高校在關注教學改革的同時，要更加關注教師的各方面成長，比如心理思想方面、職業技術方面等等。要想把學生教育好，那就先把老師教育好。教師們原有的教學手段落后了，需要更新的不只是技術和理論，還有創新的思維和先進的教學觀念。教師們要積極開放創新，拋卻舊觀念，改變自己，成為虛擬技術和礦加專業融合的綜合性人才。并且，專業教師更要不斷調整觀念，克服各類艱難險阻，積極主動進行教育改革，與時俱進，發展壯大先進教師隊伍[8]。

（三） 整合優勢資源，共享先進經驗

建議政府整合優勢資源，積極消除行業壁壘，高校和相關企業盡可能實現資源共享。目前，我國教育教學部門與社會企業的關聯并不緊密，企業技術發展與高校專業技術研究也并沒有無縫連接，這實際上不利于培養對社會有利的人才。重點企業往往資金雄厚，國內外先進技術和裝備齊全，政府積極發揮橋梁連接作用，高校研究部門積極聯系相關重點生產企業，利用已有虛擬仿真軟件，共享交流，減少資源浪費。對于企業來說，學校可以提供理論研究支持，在使用產品中產生操作問題和解決建議，可以完善企業軟件不足和設備生產及管理經驗，也可加快產品的推廣和傳播；對于學校方面，積極使用企業已有的先進應用軟件，更貼合現場設備操作，實現仿真實景體驗，培養學生的實際操控能力，也能節約成本，完善虛擬平臺建設[9]。這個過程中，學生和教師都能掌握企業先進設備操作，學習先進技術和管理經驗，與相關企業保持良好接觸，也更有利于培養出適應社會的高技術、高質量人才。另外，各高校同類型專業也可共享技術交流平臺，促進教學手段和研究水平交流，取長補短，互惠互利，推陳出新，避免重復建設。

五 結語

新一輪教學改革開展以來，虛擬仿真技術已經成為教育中不可缺少的重要組成部分。尤其是類似礦物加工工程這類工科屬性的專業，動態模擬、虛擬仿真為學生帶來更為生動、真實的互動學習體驗，激發了學生參與興趣，提高了學生實際操作中解決問題的能力。改革會帶來更多機遇和挑戰，虛擬仿真教學對于專業教育具有積極促進作用。政府、相關企業、高校教育部門共同努力，未來的礦物加工虛擬仿真教學改革成果，必將促進專業教育水平和教學質量的提高。