礦業類專業虛擬仿真實驗一流課程創新與實踐

趙國貞　李建忠　弓培林

［摘 要］ 2020年，“礦山巖層移動及控制”虛擬仿真實驗獲批國家虛擬仿真實驗一流課程，課程響應國家“能實不虛，虛實結合”實驗建設的指導方針，將信息技術與采礦實驗教學有機融合。課程開創了線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，將基于網絡的虛擬教學與基于實踐的課堂教學深度融合，激發了學生的實驗興趣，提升了學生的實踐能力和創新能力，實踐教學效果良好，為礦業類專業一流課程建設提供了新思路，同時可推廣到其他礦業類高校，實現資源共享。

［關鍵詞］ 礦山巖層移動及控制；一流課程；虛擬仿真；虛實融合；課程建設

［基金項目］ 2021年度山西省高等學校教學改革創新項目“學生中心虛實融合的礦業類專業一流課程創新與實踐”（J2021197）；2021年度山西省高等學校教學改革創新項目“新工科背景下基于金課理念的采礦專業核心課程教學改革與實踐”（J2021116）；2021年度教育部第二批產學合作協同育人項目“‘巖層控制模擬技術（全英）一流課程建設”（202102490016）

［作者簡介］ 趙國貞（1985—），男，山東泰安人，博士，太原理工大學礦業工程學院副教授，主要從事巖體力學與采礦工程研究。

［中圖分類號］ G642.4 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）22-0108-04［收稿日期］ 2022-07-25

引言

隨著人們對課堂教育質量的不斷追求，“金課”已然成為新時代中國高等教育改革與發展中最重要的因素之一［1］。采礦工程專業課程的研究對象是條件艱苦、環境復雜的煤礦，課程實驗因耗時長、成本高、難控制、安全性等因素無法真實有效地開展，虛擬仿真一流課程為采礦工程專業實踐教學提供了新的思路和方向。太原理工大學采礦工程系與北京潤尼爾網絡科技有限公司開展技術合作，共同建設了“礦山巖層移動及控制”虛擬仿真教學實驗，2020年該實驗獲批國家虛擬仿真實驗一流課程。對“礦山巖層移動及控制”虛擬仿真實驗進行創新與實踐，在課程內涵延伸、必要性及先進性、教學方式方法、教學成效等方面體現了明顯的特色，為礦業類專業虛擬仿真實驗一流課程的建設提供了指導和借鑒。

一、虛擬仿真“金課”的建設內涵

為什么要建設虛擬仿真“金課”？以礦業類專業課程為例，煤炭行業具有高危險、高能耗、災害不可逆轉等特點；煤礦安全形勢嚴峻，實習安排困難、實習效果差；實驗教學手段單一、實驗內容更新慢，教學效果有待提升；傳統驗證型實驗教學項目的教學方法和手段已不能滿足學生需要，這些問題嚴重影響了礦業類專業學生的課程學習［2］。虛擬仿真實驗一流課程將信息技術、智能技術與實驗教學深度融合，著重解決了課程不具備真實實驗條件及實驗進行困難等問題［3］。與此同時，虛擬仿真實驗一流課程極大地拓展了實驗教學內容的廣度和深度，使實驗教學在時間和空間上得到了提升，其建設成效也成為衡量高校創新人才培養質量的重要指標［4］。

二、虛擬仿真實驗應用于礦業類專業課程的必要性

“礦山巖層移動及控制”實驗是采礦工程專業的學生必須掌握的實踐教學環節。實驗涉及的課程主要有“采礦學”“礦山壓力與巖層控制”“巖層控制模擬技術”“礦壓測試技術”等。實驗主要采用了物理相似模擬方法，包含模型設計、材料配比計算、材料準備、模板架設、模型鋪裝、干燥、開挖、觀測和數據分析等流程，但是該方法存在材料消耗大、勞動強度大、實驗成本高、實驗周期長、實驗過程不可逆、實驗環境差、實驗風險高等特點［5］。鑒于以上情況，采礦工程專業本科生的“巖層控制相似模擬實驗”教學目前只以參觀為主，難以保證教學效果。因此，運用虛擬仿真技術研究物理模擬實驗的虛擬仿真實現方法，制作虛擬仿真實驗系統，對礦業類專業的實驗教學至關重要。通過虛擬仿真實驗系統，共享學習資源，開放學習空間，以學生自學為主、教師指導為輔，鼓勵學生在特定的礦山環境下創新礦山巖層移動及控制模式，引導師生共同完成實驗項目，不斷提升學生的學習能力、創新能力和解決采礦復雜工程問題的能力［6］。

三、“礦山巖層移動及控制”虛擬仿真實驗系統設計

實驗設計以培養大學生的創新精神和綜合實踐能力為導向，遵循系統化、情景化、過程化、以實為本、虛實結合、能實不虛、能力提高與交互性等原則，按照“緊跟學科發展，立足社會需求，夯實實踐能力，強化技能，培育團隊精神，提高創新能力”的實驗設計理念，科學規劃了“礦山巖層移動及控制”實驗教學項目，形成了“統一平臺、分項虛擬、虛實結合、全方位共享”的虛擬仿真教學體系，以解決不具備真實實驗條件及實驗進行困難等在實驗教學中遇到的問題［7］。

（一）虛擬仿真實驗總體設計

如圖1所示，虛擬仿真實驗總體設計采用B/S架構，從技術層面看共分為五層，從底層向上分別為數據層、支撐層、通用服務層、仿真層和應用層，每一層都為其上層提供服務，直到完成具體虛擬實驗教學環境的構建。項目采用Unity 3D引擎完成開發，采用C#開發語言，通過3ds Max制作三維模型與動畫，通過HTML腳本實現Web交互式三維動畫的制作［8］。虛擬仿真實驗平臺可搭建在基于Internet的開放教學管理平臺上，全天候向學生開放，學生可以通過互聯網不受時間和空間的限制進行自主學習。同時，系統具備完善的安全運行機制，管理端具備日志管理、數據備份、系統監控等保障網絡及信息安全的功能［9］。

（二）虛擬仿真實驗模塊建設

如圖2所示，虛擬仿真實驗系統采用模塊化設計，包括實驗認知模塊、實驗準備模塊、實驗操作模塊和實驗考核模塊。

1.實驗認知模塊。實驗認知模塊包含實驗方法、實驗目的、實驗原理、實驗條件等內容，學生可以依次點擊進行學習，了解實驗的背景和目的。

2.實驗準備模塊。實驗準備模塊包含學習與實驗相關的理論知識、計算公式、實驗儀器、地質背景知識、實驗材料等內容，便于學生進行相應計算和知識點的回顧。

3.實驗操作模塊。實驗操作模塊包括相似模型參數計算、模型配比方案計算、材料稱重、鋪設模型、模型測點布置、模型開挖、數據分析等步驟，學生可以通過指示和引導完成整個實驗操作。

4.實驗考核模塊。實驗考核模塊主要針對學生的實驗情況進行跟蹤測試，題型有選擇題和判斷題，學生作答完畢提交后即可看到答題結果與解析。實驗結束后學生提交實驗報告，可根據自己的實驗報告成績選擇重復實驗直到滿意為止。

四、虛擬仿真實驗一流課程建設實踐與思考

（一）教學方法創新實踐

“礦山巖層移動及控制”虛擬仿真實驗教學平臺的運行，進一步完善了配套的實驗教學方式方法，充分發揮了“實之真、虛之擬”的優點，融入了“虛實融合、線上線下、以學生為中心”的教學創新理念。

1.虛實融合。“礦山巖層移動及控制”模擬屬于物理模擬方法，具有真實直觀、過程逼真、數據可靠等優點，與之結合的虛擬仿真實驗方法則具有物理模擬方法不具備的省時省力、成本低、重復性好等優點。在實驗教學中，將兩種方法有機結合，揚長避短，使虛擬方法對物理模擬方法起到有效的補充作用，豐富了實驗教學方法和手段。

2.線上線下。物理模擬實驗是線下現場的實驗環節，成本高、周期長且實驗過程不可逆；虛擬仿真實驗為線上虛擬實驗，可以多次重復進行，進而避免了線下現場模擬實驗時可能發生的安全問題。因此，在線上虛擬仿真實驗后開展物理模擬實驗，可以使學生對實驗過程更加熟悉，有助于學生全面掌握實驗知識和技巧，提高實驗的完成率。

3.以學生為中心。物理實驗限于實驗室的條件，學生不可能全程參與，且只能完成一部分工作，學生難以對實驗全過程有深刻的認識。虛擬仿真實驗可以解決這個問題，學生可以通過虛擬仿真實驗操作實踐實驗全過程，還可以根據自身的學習情況有針對性地進行學習和鞏固。

（二）虛擬仿真實驗一流課程建設成效

將傳統與現代教學手段進行合理整合，引入虛擬現實技術，集文字、聲音、圖形、圖像、動畫于一體，構建“礦山巖層移動及控制”虛擬仿真實驗網絡學習平臺，供相關專業的學生進行實驗、操作、訓練，取得了良好的教學成效：（1）充分發揮了多媒體技術、網絡技術、數字影像技術和虛擬現實技術等現代教育技術的功效，把部分實踐教學環節搬進課堂，實現了實踐教學信息化。（2）根據平臺建設需求，重新提煉和編寫了教案、課件及教學提綱，凝練教學內容，以新穎的教學方式調動了學生的學習主動性，激發了學生的創新意識和創新能力，促使學生充分發揮主觀能動性。（3）虛擬仿真實驗平臺能夠對參加實驗的學生進行全過程記錄，能夠隨時進行實驗指導，對學生的預習效果、實驗步驟以及實驗成績都具備完善的評價標準，提高了評價的公正性。（4）平臺建立了較為完善的反饋機制，可以對參加實驗的學生提供各方面的建議、評價與反饋信息，進行全面系統地統計分析，為指導教師改進和完善實驗提供了參考，提高了教學效果［10］。

結語

“礦山巖層移動及控制”虛擬仿真實驗是信息技術與采礦實驗教學有機融合的產物，其教學方法開創了虛實融合、線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式。虛擬仿真實驗不僅彌補了傳統物理模擬實驗難以開展的不足，還豐富了采礦專業學生的學習實踐模式，激發了學生的實驗興趣，提升了學生的實踐能力和創新能力，實踐教學效果良好，為礦業類專業一流課程建設提供了新思路。

參考文獻

［1］駱蓉.外語類線上線下混合式一流本科課程設計與構建：以“英美文化”為例［J］.外國語文，2021，37（3）：138-146.

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［3］楊文超.虛擬仿真實驗在蜂學教學方面的實踐［J］.蜜蜂雜志，2020，40（12）：12-13.

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［5］張源，萬志軍，馬文頂，等.礦山壓力與巖層移動虛擬仿真實驗教學方法探討［J］.實驗室研究與探索，2016，35（6）：83-86.

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［9］朱瑜馨，張錦宗.遙感數字圖像分析與應用課程虛擬仿真在線實驗教學系統設計［J］.教育教學論壇，2020（32）：386-388.

［10］楊皓詞.基于虛擬仿真環境的大學生主流表達實驗課程的教學改革創新研究：以長春師范大學傳媒學院為例［J］.新聞研究導刊，2019，10（21）：211-212+215.

Innovation and Practice of the First-class Course of Virtual Simulation Experiment in Mining Major

ZHAO Guo-zhen， LI Jian-zhong， GONG Pei-lin

（College of Mining Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan， Shanxi 030024， China）

Abstract： In 2020， the virtual simulation experiment of Strata Movement and Control of Mine was approved as the first-class course of National virtual simulation experiment. The course responds to the national guideline of experimental construction of “real but not virtual， combining virtual and real” and organically integrates information technology with mining experimental teaching. The new teaching mode is personalized， intelligent and ubiquitous and integrates virtual teaching based on the network and classroom teaching based on practice in depth， stimulates students interest in experiment， promotes the students practical ability and creative ability， and shows good teaching effect， providing a new way for first-class mining engineering course construction. Thus， it can be extended to other mining colleges and universities to realize resource sharing.

Key words： strata movement and control; first-class course; virtual simulation; virtual and real integration; course construction