虛實結合的井巷工程實驗教學體系構建

張偉光 王撈撈 鄭曉東 陳俊智 唐杰兵 王瑞 李圣軍

基金項目：本文系教育部第二批新工科研究與實踐項目“智能采礦實踐教學模式改革與探索”（項目編號：E-KYDZCH20201826）；新疆工程學院教學改革項目“以應用型人才培養為導向的地礦類專業實踐教學模式改革與探索”（項目編號：2021g cxyjg29）研究成果之一。

作者簡介：張偉光（1986—），男，碩士，新疆工程學院礦業工程與地質學院副教授，研究方向為礦山巖體力學與巖層控制；王撈撈（1994—），男，碩士，新疆工程學院礦業工程與地質學院講師，研究方向為礦山壓力與巖層控制；鄭曉東（1993—），男，碩士，新疆工程學院礦業工程與地質學院講師，研究方向為礦山巖體力學與巖層控制；陳俊智（1993—），男，碩士，新疆工程學院礦業工程與地質學院講師，研究方向為礦山巖體力學與巖層控制；唐杰兵（1983—），男，回族，博士，新疆工程學院礦業工程與地質學院講師，研究方向為沖擊地壓預警及其防治；王瑞（1992—），男，博士，新疆工程學院礦業工程與地質學院副教授，研究方向為地質動力區劃下動壓巷道圍巖穩定控制；李圣軍（1988—），男，碩士，新疆工程學院礦業工程與地質學院講師，工程師，研究方向為礦山壓力與巖層控制、采動損害與保護。

摘? 要：井巷工程實驗是井巷施工理論學習與實習實踐教育相結合的紐帶，研究對象是一個隨時間空間變化的動態系統，受礦井生產、安全、設備等因素的制約，實體實驗的開設難度大、學生體驗感差。為了提高學生的綜合應用和科研創新能力，以掘進工作面實驗為例，采用虛擬仿真技術，將掘進工作面虛擬仿真實驗與基于實景模擬礦井的掘進工作面實體實驗相結合，構建虛實結合的井巷工程實驗教學體系。該教學體系基于理實融合、科教融合、以虛補實、虛實互補的實驗教學理念和思路，從實驗教學計劃編制、教學方法改革、教學效果評價、教學特色凝練等方面探討。實踐效果表明，該實驗教學體系使學生獲得了較大參與感和體驗感，豐富了實驗教學內容，解決了學生實驗受礦井生產、安全、設備等條件限制問題，顯著提高了井巷工程教學質量和效果。

關鍵詞：井巷工程；虛實結合；實驗教學體系；掘進工作面

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2024）14-0051-04

煤炭資源在我國經濟發展中的戰略地位不可動搖，直接關乎國民經濟運行的穩定，在今后一個較長的時期內仍是主要能源。［1-2］新疆已探明煤炭資源儲量占全國40.5%，而新疆煤炭高等教育資源與水平較中東部地區還有一定差距，尤其在礦山壓力與巖層控制、井巷工程等核心課程實驗教學體系建設方面仍有待加強。根據國家“虛擬仿真實驗中心”建設要求，不斷改善辦學條件，改革培養模式，實驗教學與理論教學并重，打破實驗教學依附于理論教學的傳統模式，優化實驗教學的各種資源，開發一批綜合性、設計性和創新性實驗項目，以便達到學校授專業知識、訓實踐能力、育人才素質、促創新思維的應用型人才培養目的。［3］采礦學、井巷工程等采礦工程專業核心課程的研究對象是一個隨時間空間變化的動態系統，實體實驗開設難度大、成本高、效果不理想。隨著“互聯網+”“5G+”等信息化的快速發展，虛擬仿真技術日趨成熟，逐漸進入高校實驗課堂，豐富了高校課程實驗教學資源，增強了學生學習興趣，加快了高校實驗教學的改革與創新。［4-7］論文以虛實結合的井巷工程實驗教學為主題，以“掘進工作面實驗”為例，依托新疆工程學院實景模擬礦井和“國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺——智能掘進工作面虛擬仿真實驗系統”，從實驗教學計劃編制、教學方法改革、教學效果評價、教學特色凝練等方面，探討與構建基于實景模擬礦井實體實驗與智能掘進工作面虛擬仿真實驗相結合的井巷工程實驗教學體系。

一、虛實結合實驗教學計劃

井巷工程掘進工作面實驗是采礦工程專業學生理解井巷施工技術和工藝的重要環節，是鞏固和深化課程理論學習的重要渠道，更是引導學生理論聯系實際、激發學習興趣、增強實踐應用能力、增強綜合創新意識等的重要組成部分。掘進工作面作為煤礦生產的核心場所之一，其施工過程包含破巖、裝巖、運輸、支護、通風、測量等工序，是一個極其復雜的系統工程，具有成本高、不可逆、安全風險大等特點，造成學生實驗存在高成本、危險性、地區性、不全面性、自主學習的主動性弱等諸多問題。在傳統的依托實景模擬礦井的掘進工作面實體實驗教學須結合“國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺—智能掘進工作面虛擬仿真實驗系統”，以構建虛實結合的掘進工作面實驗教學體系，如圖1所示。

井巷工程虛實結合實驗教學計劃由四個部分構成，依次為課前預習、實體實驗、智能掘進工作面虛擬仿真實驗和掘進工作面專題設計研究。課前預習主要包括：在理論學習的基礎之上，通過查閱文獻及教材深入了解掘進工藝的主要類型及特征，掌握破巖、裝巖、運輸、支護等掘進主要工序之間的銜接關系及各工序的主要方式和機理；讀懂實景模擬礦井生產系統示意圖、巖層柱狀圖、掘進工作面作業規程，了解掘進工作面空間位置、掘進破巖方式、斷面支護方式及參數等。實體實驗主要依托實景模擬礦井掘進工作面，其內容主要包括轉載機轉載、皮帶輸送機運輸、工作面臨時支護、錨網的鋪設等主要設備及工藝流程的參觀。智能掘進工作面虛擬仿真實驗包括掘進準備、掘進過程、巷道支護和質量監測等四個模塊，主要以真實的智能化礦井為依托，構建高仿真度的虛擬實驗環境和實驗對象，在計算機上運用動畫等一系列手段，模擬掘進工作面的真實環境，通過虛擬仿真實驗系統學習井巷掘進新設備“掘錨一體機”，掌握智能掘進工作面工作環境、掘進設備及配套方式、安全操作流程、關鍵結構組成及功能。

二、虛實結合的實驗教學方式

（一）虛實結合的教學方式

如圖2所示，在井巷工程實驗教學中，首先，要結合實景模擬礦井掘進工作面實體實驗，讓學生從對巷道斷面形式、斷面大小、巷道成形質量評價標準、錨固方式及機理、超前支護方式及標準、掘進通風等表面認知的層面過渡到理性感知，即通過現場觀察、動手實測等方式實現理論和實踐的融合。其次，要借助智能掘進工作面虛擬仿真實驗系統，通過掘進工作面一個完整循環工序，即“掘進準備—開工割煤—巷道支護—支護質量檢測”的三維虛擬化人機交互過程，使學生真實地沉浸虛擬環境，體驗現場操作以及設備認知等內容，從而實現實體實驗和虛擬實驗的融合，極大地提高了學生學習的積極性。最后，將掘進準備、開工割煤、巷道支護、支護質量檢測等四部分內容，結合某一工程案例，設計三類六個專題：1. 設計類專題：探放水方案設計、支護參數設計；2. 施工類專題：施工工藝流程、施工安全技術措施；3. 效果檢測類：支護質量檢測、圍巖變形監測，由學生根據個人興趣自由結合分組完成，從而實現科教融合，提高學生實踐應用及綜合創新能力。

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圖2? 虛實結合教學方式下的認知邏輯

（二）自主體驗的教學方法

如何在井巷工程實驗教學中激發學生的自主性，首先，在井巷工程的理論教學中介紹實驗課的內容組成，重點展示虛擬仿真實驗，課堂上進行簡單的實操，以此激發學生的興趣和獨立探索未知領域的欲望，使其在后續的實驗過程中能夠發現問題、分析問題和解決問題。其次，培養學生學習知識的自主性，將學習行為視作生活中的重要組成，應用到實驗過程中，針對井巷工程實驗能自發地查閱資料、深入思考，選擇合適的實驗方法，甚至提出新的實驗改進方法。最后，實驗課上充分調動學生學習的主動性和積極性，迎合學生的興趣愛好，將虛擬仿真實驗以游戲形式呈現，不斷激發學生的學習潛能和聰明才智。

體驗式教學法需要為學生營造一個輕松、活潑、耳目一新的環境。以井巷工程的實驗為例，改變以往實驗課堂上教師講授，學生聽講的模式，在實景模擬中操作掘進機，按照設計的截割軌跡移動截割頭，結合預習的巷道支護理論，操作錨桿支護過程，讓學生在實體實驗操作中發現問題，解決問題。

（三）開放互動的實驗環境

在實驗教學中，充分發揮虛擬仿真實驗的優勢，虛擬仿真實驗能夠實現網絡共享，可同時滿足成百上千人的線上學習，具有更加真實的井下掘進環境，可以真實地反映智能化掘進工作面的工作場景，以及掘錨一體機的操作步驟，使學生沉浸式體驗井下現場操作過程，以及學習設備功能等內容。人機交互的學習方法既增加了實驗的趣味性，也激發了學生求知探索的興趣，使學生在這種類似游戲的實驗中加深對掘進設備操作的認識與理解。在開放式的教學平臺上，可以集合多種不同類型的實驗，根據課程的側重點讓學生在線上隨時進行相關實驗，極大地提高學生的自主選擇和學習的積極性。

三、教學效果評價與反饋

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圖3? 考核內容占比

實驗教學考核以線上線下相結合的方式。具體考核內容如圖3所示。理論預習主要考核井巷工程的基礎知識，尤其涉及本次實驗的理論知識，選取具有代表性的知識點插入虛擬仿真實驗中，以彈窗的形式讓學生回答，題型以選擇和判斷為主，可隨時更改題目。虛擬仿真實驗考核實驗步驟的完成度、規范程度以及用時長短等多維度綜合評定。實體實驗以小組的形式開展，實驗操作需多人配合進行，考核小組的前期準備、實驗操作的默契程度以及實驗的完成質量等進行綜合考核。實驗報告是對虛擬仿真實驗和實體實驗過程的總結，反饋實驗過程中遇到的難題，提出改進建議。具體評分規則見表1。

以采礦工程2020級學生為例，相較往屆學生對井巷工程實驗課的興趣有明顯的提升，尤其是對虛擬仿真實驗內容更感興趣，其形式貼合了當下大學生的心態。學生開始主動詢問下次實驗課的時間，由被動學習向主動學習轉變。

表1? 評分規則

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本研究選取的樣本數量為2019級69人，2020級68人，對比兩者井巷工程實驗成績，采礦2020級學生成績有明顯提升（如圖4所示），2020級學生得分在60—70、70—80區間的人數在減少，而在80—90、90以上的人數明顯增加，興趣也更加濃厚，課堂互動增多，問題回答積極，實驗課整體氛圍活躍。

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圖4? 成績分布

四、虛實結合實驗教學體系特色

（一）根據行業發展趨勢更新教學內容

以實景模擬礦井為載體，在采煤工作面、掘進工作面、運輸大巷、測風站、中央變電所等關鍵位置輔以對應智能采煤、智能掘進、智能運輸等虛擬仿真實驗，配備相應的現場演示設備以及可供線上操作的集控平臺，便于學生在機房完成相應的操作。采用“項目驅動式”的教學方法，借助虛擬仿真實驗培養學生實操技能，提高其理論聯系實際的能力。

（二）根據認知規律調整教學方式

考慮學生認知的過程既有漸進性、抽象性，又有明顯的差異性，據此調整井巷工程實驗教學方式。比如井下巷道的空間位置關系，部分學生空間想象能力比較強，容易理解，但還是有一部分學生難以理解其位置關系，需要輔助手段幫助其理解，這就需要進行相關的科學研究，開發相應的虛擬仿真實驗，以及配套的軟件等。借助科學研究產生的成果，用于實驗平臺建設，反哺學生實驗教學，做到科教融合，完善實驗平臺建設。

（三）根據興趣愛好補傳統教學短板

一方面，改變了傳統實驗教學體驗感差，參與感低的狀況；另一方面，解決了特殊情況下無法正常開展實驗的困境，如線下實驗無法開展的情況，學生在外實習無法返校等狀況，學生可開展線上的井巷工程實驗。

五、結語

基于虛實結合的井巷工程實驗教學體系的重構，一方面彌補了采礦工程專業部分專業核心課程實驗教學條件不足的現狀，拓展了該專業實驗教學形式與改革的方向；另一方面，該實驗教學體系在井巷工程實驗教學運用效果較好，有效提升了學生的實驗效率和對抽象知識點的理解。

參考文獻：

［1］ 尚海濤. 煤炭作為我國基礎能源的重要地位不可動搖［J］. 中國煤炭，2001（04）：5-8+13+4.

［2］ 萬志軍，屠世浩，徐營，等. 智能采礦人才培養定位及課程體系的構建［J］. 煤炭高等教育，2019，37（05）：77-82.

［3］ 趙展，喻洪流，蔣清鋒，等. 醫療器械卓越工程人才培養的實驗教學改革［J］. 實驗室研究與探索，2013，32（09）：167-170.

［4］ 耿志挺，陳學軍. 材料力學虛擬仿真實驗系統的設計與開發［J］. 實驗室研究與探索，2019，38（05）：98-101.

［5］ 李存玉，鄭云楓，彭國平. 基于虛實結合的“中藥制藥化學”多維開放性實驗教學體系構建［J］. 實驗技術與管理，2019，36（09）：215-218.

［6］ 盛力，沈洪，施鼎方，等. 虛實結合的水處理實驗教學建設［J］. 實驗室研究與探索，2019，38（05）：204-207.

［7］ 何磊，陳欣，唐建軍，等. 虛實結合的生態學實驗教學體系構建［J］. 實驗室研究與探索，2021，40（06）：187-190+196.

（責任編輯：邵秋露）