線上線下混合式教學模式研究及實踐
——以“礦山虛擬仿真實踐”課程為例

張源 萬志軍 馬文頂 程敬義 中國礦業大學礦業工程學院

● 引言

創新精神和實踐能力是高級專門人才的主要特征，實踐教學是培養大學生實踐能力、創新精神和創新能力的關鍵教學環節。[1-2]受新冠疫情影響，高等院校的專業實踐教學遇到了一些困難，尤其是工科專業的企業現場實踐環節，質量較難保證。為了完成教學任務，各高校不斷創新實踐教學形式和方式，其中線上線下混合式教學得到了較廣泛的應用，成功教學案例不斷出現。

筆者通過實踐發現，基于虛擬仿真實驗資源，開展線上線下混合式實踐教學，不僅可以充分發揮網絡在線教學學習自由度大、可重復性強、受眾廣及虛擬仿真直觀形象、交互性強等優勢，還可以再現現場場景，改善學生體驗，盡可能保證教學效果。筆者所在學校采礦工程專業的虛擬仿真教學資源建設在實踐教學中發揮了重要的作用——已涵蓋大部分專業知識點，資源形式也實現了多樣化，已具備單獨設置虛擬仿真實驗課程的條件，尤其是在新冠疫情期間，降低了疫情對實踐教學的影響。

目前，學校采礦工程專業已經把部分虛擬仿真資源整合編入“礦山虛擬仿真實踐”課程中，制訂了課程質量標準，開展了線下線上混合式教學實踐，豐富了專業實踐教學手段，改進了實踐教學方式方法，補充了傳統現場實踐教學的不足，保證了實踐教學質量。

● 課程質量標準制訂

“礦山虛擬仿真實踐”是采礦工程專業的專業拓展課程，共分3章，分別是認識礦山、安全礦山和智慧礦山。課程設有虛擬仿真體驗、虛擬仿真實操和虛擬仿真實驗3個環節。

1.課程目標

通過本課程的學習，能鞏固和拓展所學的采礦工程專業知識，加深對礦山開采、災害防治、智能開采等技術的理解，并了解最前沿的采礦技術及發展趨勢；能把采礦工程專業知識和現代信息技術相結合，具有多學科交叉的意識；具有在實踐中發現問題、分析和解決問題的能力和素質；能夠理解人工智能、大數據等現代科技對傳統礦山可持續發展的重大意義，做中國特色社會主義現代化礦山建設和資源開發事業的建設者和接班人。

對照工程教育專業認證標準，課程可對工程知識、設計/開發解決問題、現代工具、工程與社會、環境可持續、個人和團隊、溝通和終身學習共8條畢業要求起到支撐作用。

2.課程內容

課程內容包括認識礦山、安全礦山和智慧礦山，共計64學時（2學分）。從內容上來看，這三章層層推進，逐漸深入。每一部分均包含體驗、實操和實驗環節，每一個教學環節都有對應的思政教學點（如下表）。

3.教學組織

本課程作為專業拓展課程，目的在于加深學生對采礦工程專業知識的理解，進一步完善采礦工程專業本科生的知識結構。在教學過程中，主要內容設置遵循“能實不虛，虛實結合”的原則，在重點介紹煤炭開采的基本知識、開采技術的同時，可以適當介紹虛擬仿真技術。

同時，本課程教學突出動手能力培養，教學內容側重礦山開采技術、災害防治技術、環境保護等方面。課程學習途徑可以多樣化，建議教師充分利用網絡優質資源進行教學和引導學生進行課程學習。在教學過程中，突出教師的引導作用，充分發揮學生個人的主觀能動性，積極實踐課堂教學的翻轉。課程采用線上、線下混合式教學方法。線上教學以預習、自學和多角色任務演練為主，線下教學以實操為主。

● 平臺和資源建設

筆者所在學校擁有采礦工程國家級虛擬仿真實驗中心，為“礦山虛擬仿真實踐”課程的開設提供了高層次的實踐教學平臺。目前，中心擁有各類虛擬仿真軟硬件100余臺（件、套），建立了“多空間多系統演示仿真實驗、綜合與設計仿真實驗、創新與前沿仿真實驗”三個層次、不同模塊相互交叉融合滲透的虛擬仿真教學資源體系，其中包括線上互動資源、視頻動畫及線下互動實操等多種類型，在本科生實踐教學中發揮了重要作用。[3-4]

同時，通過虛擬場景再現和過程仿真，學校自主開發了在線交互式“煤礦智能化工作面開采虛擬仿真實驗”，吸收了巖層控制及智能開采領域最新研究成果，主要服務于“采礦學”“礦山壓力與巖層控制”及“智能采掘”等核心課程。實驗包含多個高仿真度的交互性操作模塊，涉及智能采煤工作面生產過程中的關鍵環節。學生可通過自主選擇進刀方式、移架方式等實驗條件及參數搭配出上百種實驗方案。

課程教學內容設置

除了以上虛擬仿真平臺和資源，國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺上的虛擬仿真實驗資源也非常豐富，目前共有3250門，其中礦業類35門，在礦業類課程中，采礦工程有23門課程。這些虛擬仿真課程是礦業類院校集中優勢師資隊伍建立的高質量虛擬仿真資源，具有重要的應用價值。

● 教學設計與實踐

“礦山虛擬仿真實踐”課程設計了線上課程學習、線上實踐和線下實操3個教學環節。線上課程學習主要通過在線課程、視頻動畫等方式，使學生了解虛擬仿真的基本知識，以及對虛擬仿真資源的使用進行培訓等。線上實踐主要在“國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺”（網址為http://www.ilab-x.com/）上完成。線下實操部分在學校采礦工程虛擬仿真實驗教學中心完成。實踐和實操內容主要包括線上虛擬仿真實驗、智能綜采工作面模型操作、煤礦VR智能體驗和煤礦生產系統仿真實操等，涵蓋課程質量標準中規定的實驗內容。

線上實踐環節，要求學生至少完成4個線上課程的虛擬仿真實驗，其中在煤礦智能化工作面開采虛擬仿真實驗、綜采放頂煤虛擬仿真教學實驗等4個國家級一流課程中任選2門，在煤巷綜掘裝備及快速支護掘進工藝虛擬仿真、煤礦掘進安全虛擬仿真實驗等8個申報課程中至少選2門。在所選4門課程中，要求必須完成虛擬仿真實驗環節，完成實驗后要提供成績證明。圖1所示為煤礦智能化工作面開采虛擬仿真實驗的界面。

圖1 線上虛擬仿真實驗

在線下實操環節，學生5~7人編為一組，自主分組并編號，分批進入實驗室。智能采煤工作面模型操作，要求在集控室遠程完成采煤機記憶割煤、跟機移架、推移刮板輸送機等工藝過程，如圖2所示。在煤礦VR智能體驗中，要求學生戴頭盔完成緊急避險、崗位作業流程等仿真視頻觀看和互動操作，如圖3所示。煤礦生產系統仿真實操部分，要求學生在對應的虛擬仿真設備上完整完成采煤工藝、掘進工藝、主副井提升等操作工作。上頁圖4所示是學生在操作掘進虛擬仿真設備。

圖2 智能采煤工作面實操

圖3 煤礦VR智能體驗

圖4 巷道綜合機械化掘進虛擬仿真實操

2021-2022學年第1學期，“礦山虛擬仿真實踐”課程首次在采礦工程卓越工程師班中開設，選課學生共26人。從過程來看，學生普遍對該課程感興趣，參與程度很高，對該授課方式普遍接受。從完成情況來看，學生均能完成教學設計中規定的實踐內容，完成度高，但是完成質量參差不齊。從課程成績來看，平均分為86.4分，總體優秀。以上情況說明，基于虛擬仿真資源的線上線下混合式實踐教學模式應用效果較好。

當然，實踐中也存在以下三個方面的問題：一是線上的虛擬仿真資源占用內存較大，加載時間較長，對網速要求較高，只能在計算機上學習，手機終端無法使用，這在一定程度上影響了學生的體驗；二是實操部分的虛擬仿真設備臺數有限，學生分組較多，實操時間過長，教學組織困難；三是評價體系還需要進一步完善。

● 結語

虛擬仿真實驗教學作為新形勢下現代實踐教學的重要手段之一，在人才培養中的作用越來越明顯。在后疫情時代，基于虛擬仿真資源的線上線下混合式實踐教學模式應不斷發展完善。