基于虛擬仿真技術的專業課云實驗教學方法研究與實踐

張飛燕，韓穎，李波

（1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作；2.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作）

《爆破安全》課程是河南理工大學安全工程專業本科生的必修課（地下空間工程與卓越工程兩個方向修讀），主要講授爆破基礎理論、工業炸藥、起爆器材與方法、爆破安全與施工管理、光面爆破與預裂爆破、井巷掘進爆破、爆破危害及事故預防與處理等內容[1-2]，并開設有相關實驗內容。實驗教學是理論課程的有效延伸與有益補充，既是加深學生對課堂所學理論知識理解、鍛煉學生對爆破器材等實驗耗材與監測儀器的實操能力、提高學生實踐能力以及激發學生創新思維的重要方式，也是實現高校立德樹人、三全育人的重要途徑[3]。

但是，自2019年12月新型冠狀病毒肺炎疫情[4]以來，傳統的線下教學無法正常開展，部分高校學生至今仍未完全返校復課，探索行之有效的課程以及課程實驗線上教學方法勢在必行[5-8]。在此背景下，基于虛擬仿真技術的教學平臺建設與教學方法研究活動開展得如火如荼[9-12]。為有效破解高危行業實驗無法開設以及新冠肺炎疫情期間線下教學無法正常開展等難題，筆者基于我校與北京潤尼爾網絡科技有限公司聯合開發的“巷道掘進爆破安全虛擬仿真實驗教學平臺”[13]，利用虛擬仿真技術與騰訊QQ分享屏幕功能，展開專業課云實驗教學方法研究與探索，并付諸于線上教學實踐。

一 虛擬仿真實驗教學平臺簡介

“巷道掘進爆破安全虛擬仿真實驗教學平臺”[14]以巷道掘進為實操對象，主要包括爆破方案設計、爆破施工、爆破危害監測及分析三個模塊，可實現以下功能：

（一） 解決高危行業實驗無法開設的困難

高危行業實驗開設面臨如下困難：①課程涉及高危險性的爆破器材，對實驗安全性提出了更高要求；②實驗環境極端復雜，難以組織學生進行現場實驗；③因國家對爆破器材嚴格管控的限制，課程實驗無法開設。上述困難致使學生無法感知爆破過程中瞬時的高溫高壓破壞模式以及爆破過程伴生的多重危害，更無法了解如何進行爆破危害預防與控制。在此背景下，虛擬仿真技術得以迅猛發展；該技術可將課程實驗內容與信息技術深度融合，提供與現場實驗高度相似的虛擬環境，模擬現場實驗所使用的真實器材與設備，可有效解決課程實驗過程中附帶的高危險性、實驗環境高復雜性、實驗過程不可逆等一系列問題，讓在現實中做不了、做不好、做不上的實驗課程得以開設。

（二） 解決課程實驗時間與空間上的限制

虛擬仿真實驗利用互聯網進行在線教學，學生可以隨時、隨地完成課程實驗內容，為不同地域學生完成實驗課程提供了充分保證。

（三） 豐富實驗教學方法

虛擬仿真實驗教學平臺可有效破解實驗教學對客觀條件的依賴性[15]。實驗過程中，學生可以進行實驗目的、方法及過程等內容的學習，也可以在虛擬環境中鍛煉自身應用理論知識解決工程問題的能力、對實驗儀器的實操能力、實驗設計與施工過程中的手腦結合能力；任課教師通過采用沉浸式、探究式的教學方法，可實現實驗的高階性、挑戰性與創新性，滿足實驗教學需要。

（四） 提升實驗教學效果

高度仿真的實驗儀器和實驗環境，真實再現了實驗耗材結構及現場實驗全過程。教師可結合實際教學需求，最大限度地發揮虛擬環境與虛擬實驗器材的優勢，切實提升教學效果。

（五） 實現實驗資源共享

虛擬實驗耗材零損耗，可反復利用；學生無論身在何處，都可隨時“走進”實驗室，基于虛擬仿真平臺進行實驗，實現實驗資源充分共享。

二 專業課云實驗教學方法研究與實踐

（一） 課前準備

實驗課前，組建班級QQ群，借助分享屏幕功能實時直播實驗內容、實驗方法與步驟、實驗所用儀器等；并為學生講解虛擬仿真實驗平臺的操作要點，包括賬戶登錄、實驗過程交互操作方法、實驗報告撰寫與提交等。

（二） 學生實驗

巷道掘進爆破安全實驗為綜合性實驗，筆者構建了包括1個系統、2個層次、4個單元模塊的實驗教學體系，如圖1所示。

圖1 實驗教學體系圖

實驗包括2個環節：實驗準備、綜合性實驗過程，如圖2所示，實驗內容涵蓋課程主要知識點，采用分模塊、分步驟的過程考核評價方法。

圖2 虛擬仿真實驗界面圖

1.實驗準備。實驗準備環節包括兩個模塊：實驗指導書學習、實驗前知識點測試，如圖3、圖4所示。兩個模塊順序完成，實驗平臺進行考核；學生學習完實驗指導書方可進入知識點測試，知識點測試過程中，實驗后臺自動分析對錯并計分，成績合格后方可進入綜合性實驗過程。

圖3 實驗指導書學習模塊

圖4 知識點測試模塊

2.實驗過程。虛擬仿真實驗可為學生提供雷管結構的認知實驗、爆破工程設計與施工、以及爆破危害監測等環節的交互操作（圖5~圖7），并在實驗結束時自動生成設計數據和爆破危害監測結果，學生可通過爆破危害監測結果對設計參數進行調整、修改。實驗全過程采用探究式教學方法，促使學生更好理解和認識爆破危害與爆破工程設計之間的關系。

圖5 認知實驗電雷管結構認識及參數測定界面

圖7 爆破危害監測界面

圖6 實驗設計與實驗施工界面

實驗結束后，系統會自動給出實驗過程得分，如圖8所示。

圖8 實驗過程得分界面

（三） 實驗報告編寫與提交

虛擬仿真實驗教學結束后，學生即可實時編寫報告并在線提交，如圖9所示。

圖9 實驗報告界面

（四） 實驗報告評閱

任課教師在巷道掘進爆破安全虛擬仿真實驗教學平臺進行報告評閱及打分，學生隨后可登陸系統隨時查看個人成績，如圖10所示。

圖10 實驗報告評閱結果

（五） 實驗全過程考核方法

實驗過程考核內容及所占比例以及評分方法見表1。考核分為三段：實驗準備20分、實驗過程50分、實驗報告30分；其中，實驗準備和實驗過程兩個階段的得分由系統自動給出，實驗報告得分由教師給出。

表1 實驗考核內容及比例

三 結語

騰訊QQ分享屏幕功能為任課教師在線講解、學生在線學習提供了虛擬平臺；巷道掘進爆破安全虛擬仿真實驗教學平臺提供了虛擬實驗耗材和監測儀器，還原了高危險性爆破實驗的真實場景和實驗過程，讓學生在虛擬實驗過程中提高了動手能力，增強了對爆破危害與爆破參數設計之間關系的認識和理解，實現了理論知識在工程實踐中的應用環節；云實驗采用的沉浸式、探究式教學方法，有效提高了學生獨立思考問題的能力和解決實際工程問題的能力，教學效果良好。