礦山粉塵職業危害防控虛擬仿真實驗教學設計與實踐

劉音，孫彪，陳靜，劉震，徐鶴翔

（1.山東科技大學 安全與環境工程學院，山東 青島；2.山東科技大學 礦業工程國家級實驗教學示范中心，山東 青島）

一 引言

我國礦山生產存在著嚴重的粉塵職業危害，威脅工人的生命健康[1-2]。中共中央、國務院發布的“健康中國2030”規劃綱要明確提出：加強高危粉塵等職業病危害源頭治理[3]。因此對安全工程、采礦工程等專業開展礦山環境粉塵職業危害防控綜合訓練非常有必要，但礦山粉塵防治實驗設備具有大型化、高成本、高維護、操作危險等特殊性，難以在有限空間內進行物理實驗，在這種背景下，開展礦山粉塵職業危害防控虛擬仿真實驗教學課程建設就顯得尤為緊迫和重要。

虛擬仿真技術在實驗教學中的應用是對傳統教學理念、教學模式、教學方法和手段的深刻變革，在培養創新型人才培養方面具有較強的優勢[4-5]，近年來陸續有高校圍繞礦山生產及災害防治領域開展了虛擬仿真實驗教學建設，效果顯著[6-9]，但目前還沒有一所高校開展礦山粉塵職業危害防控虛擬仿真實驗。山東科技大學礦山粉塵防治教學團隊，依托安全工程國家一流本科專業、《礦井通風與安全》國家一流課程、國家教學名師及其科研團隊在礦山粉塵防治領域近二十余年的研究成果，寓研于教，結合最先進的虛擬仿真技術，開展礦山粉塵防治虛擬仿真實驗項目的設計、應用與推廣。

本文旨在從實驗平臺搭建、實驗教學內容設計、實驗方法與實驗過程創新等方面，探索礦山粉塵職業危害防控虛擬仿真實驗教學新思路、新路徑，為高校虛擬仿真實驗教學提供參考。

二 礦山粉塵職業危害防控虛擬仿真實驗系統平臺搭建

礦山粉塵職業危害防控虛擬仿真實驗教學項目以真實礦山為工程背景，涵蓋粉塵基礎知識、個體防護、粉塵防治技術工藝、粉塵檢測與監測4 個模塊，53 個交互性步驟。該實驗項目采取校企合作模式，利用VR、3D 仿真技術及Unity3D、Maya、ZBrush工具搭建礦山粉塵職業危害虛擬仿真實驗系統平臺（見圖1），支撐虛擬仿真實驗平臺運行的架構分為數據層、支撐層、通用數據層、仿真層以及應用層等五層，每一層均為其上層提供服務，直到完成具體虛擬實驗教學環境的構建。依托于開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺，學生可以隨時隨地通過瀏覽器訪問實驗平臺，并通過平臺提供的面向用戶的智能指導、自動批改服務功能，提升學習效果。

圖1 礦山粉塵職業危害防控虛擬仿真實驗系統平臺

三 礦山粉塵職業危害防控虛擬仿真實驗內容設計

（一） 教學內容設計

本項目圍繞實驗所屬的《礦井通風與安全》課程教學大綱，針對礦山環境粉塵防治涉及的知識點，構建了高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，并與行業企業對接，將礦山粉塵防治案例和本團隊的最新科研成果融入到本實驗中，重點圍繞“粉塵介紹與危害”“個體防護”“粉塵防治技術工藝”“粉塵檢測與監測”四大模塊，系統構建了礦山粉塵職業危害防治虛擬仿真實驗內容體系（見圖2）。

圖2 礦山粉塵職業危害防治虛擬仿真實驗內容體系

（二） 實驗步驟仿真設計

針對礦山粉塵職業危害多維度、多因素特征，采用虛擬現實、人機交互、三維建模等計算機仿真技術，建設完成了礦山粉塵職業危害防控虛擬仿真實驗步驟仿真設計。

首先，通過虛擬仿真實驗還原礦山粉塵爆炸的致災場景、塵肺病的病發機理，讓學生在虛擬場景中切身體驗礦山粉塵職業危害的震撼場景（見圖3）。其次，通過設計礦山生產場景中掘進機、采煤機、運輸機、通風機、注水管網、高壓水泵以及粉塵監測系統等核心要素，以現實實體客觀結構、功能為原型進行虛擬仿真，使學生能夠在絕對安全的仿真場景中開展大型綜合訓練，反復設計并演練通風除塵、注水減塵、噴霧降塵等技術工藝，深刻理解粉塵監測技術與原理（見圖4）。此外，通過設計個體防護、化學抑塵以及粉塵檢測等實驗，使學生能夠多次、重復實驗，從而扎實、全面掌握個體防護用品類型與使用方法、抑塵劑制備實驗步驟以及粉塵采樣與檢測方法等知識點（見圖5）。最后，通過題庫完成實驗隨機測試，結合實驗報告及答疑情況完成實驗綜合考核（見圖6）。

圖3 粉塵爆炸虛擬仿真實驗場景

圖4 通風除塵實驗工程設計場景

圖5 個體防護實驗教學場景

圖6 隨機測試實驗考核環節

四 礦山粉塵職業危害防控虛擬仿真實驗特色與創新

近年來，隨著虛擬現實快速發展，教學方法也在相應變化，虛擬仿真教學已經成為新時代發展產物，對于新型人才的培養具有積極意義[10-16]。

本實驗充分挖掘“礦山粉塵職業危害基礎理論”“個體防護”“粉塵防控技術工藝”“粉塵檢測與監測”各部分知識內容的內在特點，針對性設計與之相適應的“沉浸式學習”“互動式學習”“自主實踐”“創新探究”等教學方法，并沿著“基礎認知—工程設計—綜合實踐—研究探索”這一學習實踐過程，實現了知識點全流程進階設計（見圖7）。

圖7 礦山粉塵防治虛擬仿真教學方法與實踐過程設計

（一） 實驗方法多樣化

（1）通過沉浸式學習，借助VR 技術使學生在三維動畫虛擬仿真中切身體驗礦山粉塵職業危害產生的塵肺演變、粉塵爆炸等震撼場景，強化學生對礦山粉塵職業危害防控知識體系的系統認知。

（2）通過互動式學習，基于問題導向，讓學生結合礦山粉塵職業危害防控技術開展探究式學習，自主設計防控技術與工藝，提高學生應對實際解決復雜安全工程問題的能力。

（3）通過設計交互性實驗步驟，使學生能夠切身沉浸于“個體防護、通風除塵、注水減塵、噴霧降塵、化學抑塵以及粉塵檢測與監測”等實驗模塊的虛擬實驗環境，實現“自主實踐”與“創新探究”兩種學習方式的有機結合，激發學生創新意識。

（二） 實驗過程自主化

（1）學生可以通過Web 網頁隨時進入礦山粉塵職業危害防控虛擬仿真實驗，注冊后，即可登錄實驗。通過鼠標點擊實驗教學內容菜單，自主選擇實驗模塊，也可逐一進行教學與考核模式的學習，其中教學模式是以教師講授與系統提示為主的實驗模式，而考核模式則需要學生根據掌握的知識點自主完成。

（2）學生在實操過程中，可以針對個體防護、礦山粉塵防治技術工藝、粉塵檢測與監測等實驗步驟自主開展參數測算、工藝設計、數據模擬，并可反復演練，有助于提高學生解決復雜安全工程問題的能力。

（3）學生可通過預設的實驗步驟考核與答題測試考核，實時了解操作過程及得分情況，并能夠通過自身上傳的實驗報告，自主查看實驗成績，方便對知識點掌握的薄弱項進行查缺補漏，從而再實踐。

（三） 實驗創新多維化

（1）實驗設計思路新。充分考慮學生的學習能力和基礎知識儲備，采用進階式實驗設計，由最初對礦山粉塵介紹與危害的基礎理論的設計，向掌握個體防護、礦山粉塵防控技術工藝以及粉塵檢測與監測等實驗模塊的全流程設計進階，從而形成完備的理論與技術體系，系統地培養了學生的工程實踐與創新能力。

（2）實驗教學方法新。沉浸式學習有利于學生對礦山粉塵職業危害實現自主認知；互動式學習有助于激發學生針對不同生產區域，解決粉塵防控技術與工藝能力；實踐與探究則對提高學生創新意識與批判思維能力有較好的效果。

（3）實驗評價體系新。通過實驗教學與過程考核相結合，步驟測試與隨機測試相結合，構建了學生質疑與教師仲裁，面向結果與面向過程的全方位考核評價體系，較為客觀地評價了實驗教學效果。

五 推廣應用

礦山粉塵職業危害防控虛擬仿真實驗教學項目突破了傳統實驗的時空限制，實現了虛實結合、線上線下混合式學習，能夠充分調動學生參與實驗的積極性和主動性，有效培養了學生的創新、實踐能力和思辨能力。目前該實驗項目已上線實驗空間，瀏覽量達15000 人次，已服務學生2900 余人，并已成功推廣至內蒙古科技大學、安徽理工大學等多所高校和山東能源集團有限公司等企業，得到普遍認可。項目在使用過程中也同時收集學生、教師和企業等的反饋意見，不斷加以持續改進，有望在更多學校、企業以及全國范圍內推廣應用。