構(gòu)建“采礦工程”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系研究

薛黎明 劉威 侯運(yùn)炳 王豪杰

[摘 要] 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是信息化教學(xué)改革的重要途徑，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是將專業(yè)理論與信息技術(shù)融合的產(chǎn)物。該文從采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室出發(fā)，分析了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才、提高學(xué)生實(shí)踐能力方面的意義。針對(duì)傳統(tǒng)采礦工程實(shí)驗(yàn)室中存在的一些問(wèn)題和不足之處，從管理體系建設(shè)、師資隊(duì)伍建設(shè)這兩個(gè)方面闡述了對(duì)采礦工程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建設(shè)意見(jiàn)，可為推進(jìn)采礦工程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展提供借鑒。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);采礦工程

[基金項(xiàng)目] 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）教學(xué)改革與課程建設(shè)項(xiàng)目（J180118）

[作者簡(jiǎn)介] 薛黎明（1976—），女（滿族），吉林榆樹(shù)人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）工學(xué)博士，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院副教授，主

要從事礦業(yè)系統(tǒng)工程、資源經(jīng)濟(jì)等方面教學(xué)與研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）23-0389-02? ? [收稿日期] 2020-02-04

實(shí)驗(yàn)室是高校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的提升，不僅可以提高學(xué)生的實(shí)踐操作水平和創(chuàng)新能力，也能進(jìn)一步推進(jìn)學(xué)校的整體發(fā)展。在傳統(tǒng)的采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在著高危、安全不能得到保障、學(xué)生科研興趣低等現(xiàn)象，針對(duì)這些問(wèn)題，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建設(shè)的采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，能夠使學(xué)生在接近現(xiàn)實(shí)的工作場(chǎng)地中學(xué)習(xí)知識(shí)、實(shí)現(xiàn)操作。這種教學(xué)方法能夠生動(dòng)形象地使學(xué)生加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，并能有效提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)、科研的興趣，對(duì)于采礦工程學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革具有重要的意義。

一、建設(shè)采礦虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的意義

在我國(guó)的傳統(tǒng)采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地限制、實(shí)驗(yàn)儀器昂貴以及操作步驟復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)安全性差等問(wèn)題，導(dǎo)致了高校對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視程度不夠，所以學(xué)生們很難直觀地掌握實(shí)驗(yàn)的原理。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種用VR、AR、人機(jī)交互等多種技術(shù)手段模擬出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，對(duì)采礦工程實(shí)驗(yàn)這種實(shí)踐操作性很強(qiáng)的學(xué)科來(lái)說(shuō)，學(xué)生不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制，能大幅提高學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的興趣和加深對(duì)采礦工程知識(shí)的理解，對(duì)于采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有以下幾點(diǎn)重要的意義。

（一）提升學(xué)生科研興趣

由于傳統(tǒng)采礦實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)限制過(guò)多，學(xué)生很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)知識(shí)。但是在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生可以沒(méi)有限制地全方位觀察VR空間內(nèi)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，互動(dòng)操作，界面簡(jiǎn)介，形式多樣，這樣能提升學(xué)生科研興趣和學(xué)習(xí)效果，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新能力。

（二）保障學(xué)生人身安全

在傳統(tǒng)的采礦工程教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，由于煤礦井下綜掘工作面環(huán)境惡劣，在掘進(jìn)過(guò)程中存在粉塵濃度高、易落石以及瓦斯突出等問(wèn)題，學(xué)生下井實(shí)習(xí)安全隱患大，且煤礦井下狹小的空間不利于大規(guī)模學(xué)生進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)了解綜掘工作面生產(chǎn)工藝。

但是在采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中學(xué)生們能利用VR技術(shù)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不受場(chǎng)地、環(huán)境等因素的限制，對(duì)于一些危險(xiǎn)性認(rèn)識(shí)的虛擬實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)（煤礦瓦斯爆炸、頂板災(zāi)害事故、突水模擬實(shí)驗(yàn)等）也做出了安全保障[1]。

（三）降低建設(shè)成本

建設(shè)一個(gè)功能完善的采礦工程實(shí)驗(yàn)室投資巨大，而且在實(shí)驗(yàn)室建成后，實(shí)驗(yàn)室的能源資源消耗、設(shè)備的維修費(fèi)用等運(yùn)行成本消耗也是一筆不小的數(shù)目。

而虛擬實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)解決了采礦工程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等限制，采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)裝置互動(dòng)操作，得到和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，能減少實(shí)驗(yàn)成本，打破實(shí)驗(yàn)條件限制。

二、采礦工程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法構(gòu)建

現(xiàn)階段虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)處于快速發(fā)展的階段，大量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室正在孕育而出。但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與持續(xù)發(fā)展離不開(kāi)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)管理制度，根據(jù)調(diào)查顯示，有些高校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的利用率能達(dá)到80%以上，但有些院校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際利用率則相對(duì)較低。

（一）管理體系建設(shè)

根據(jù)調(diào)查顯示，一些高校在建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中耗費(fèi)了大量資源和經(jīng)費(fèi)，但是等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建成后的利用率卻非常低，導(dǎo)致了資源的浪費(fèi)。這些實(shí)驗(yàn)室就是因?yàn)樵诤笃诘膶?shí)踐過(guò)程中缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓芾碇贫龋瑢?dǎo)致師生的實(shí)驗(yàn)熱情日益變低，使得虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的利用率越來(lái)越低[2]。

為了防止出現(xiàn)這種門(mén)面型實(shí)驗(yàn)室，必須建立健全實(shí)驗(yàn)室的管理制度，以加強(qiáng)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)費(fèi)支出的管理、教師工作績(jī)效的考核和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的更新維護(hù)等，必須組建一個(gè)監(jiān)督團(tuán)隊(duì)定期對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)室利用率情況、實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)情況、實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)更新情況進(jìn)行考核評(píng)價(jià)。

（二）師資隊(duì)伍建設(shè)

采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中除了要讓學(xué)生學(xué)習(xí)到專業(yè)知識(shí)、加強(qiáng)學(xué)生的綜合能力外，采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教師團(tuán)隊(duì)的建設(shè)也是題中應(yīng)有之義，亦即必須建設(shè)一支結(jié)構(gòu)合理的教師團(tuán)隊(duì)。目前來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)還存在很大差異，教師們對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)還是存在疑慮并且不太適應(yīng)這種教學(xué)方式[3]。

采礦工程虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式不同，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)要讓教師起到指導(dǎo)、引導(dǎo)作用，教學(xué)要從學(xué)生角度出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)、思考并解決問(wèn)題，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于采礦工程理論知識(shí)的學(xué)習(xí)效果和實(shí)踐操作能力，并且培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作和創(chuàng)新能力[4]。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）的仿真項(xiàng)目改變了傳統(tǒng)的教師注入式教學(xué)方式，強(qiáng)調(diào)“以學(xué)生為中心"的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，將學(xué)習(xí)資源開(kāi)放，學(xué)習(xí)空間開(kāi)放，教師與學(xué)生融合成一體，主要依靠學(xué)生自主進(jìn)行預(yù)習(xí)學(xué)習(xí)，教師起到輔導(dǎo)作用，共同完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

三、總結(jié)

構(gòu)建高度虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)室是采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教育改革的捷徑，也是未來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必然趨勢(shì)。通過(guò)采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以解決傳統(tǒng)采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，可以形象生動(dòng)地讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)采礦工程相關(guān)知識(shí)。建設(shè)采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室必須要制定制度完善的監(jiān)督考核機(jī)制，完善虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，減少門(mén)面工程型實(shí)驗(yàn)室的存在并且建設(shè)一支高水平的教學(xué)隊(duì)伍，這樣才能提升礦業(yè)高校虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，從而提升礦業(yè)高校的人才培養(yǎng)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]韓磊，楊科.采礦工程三維可視化虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（06）：211-213.

[2]王慧，白紅英，馬麗.高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與改革研究[J].中國(guó)管理信息化，2019，22（07）：216-218.

[3]段夏川，白鵬.建設(shè)開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[J].信息與電腦（理論版），2017（17）：238-240.

[4]呂文玉，曾佑富.虛擬仿真技術(shù)在采礦學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用初探[J].教育教學(xué)論壇，2018（01）：147-148.

[5]姜喜迪，侯運(yùn)炳.采礦安全虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在采礦工程教學(xué)中的應(yīng)用[J].科教導(dǎo)刊（中旬刊），2019（08）：130-131.

[6]徐志超，宋韌，曹瑜.論高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2017（10）：125-126.

Research on the Construction of Experimental Teaching System of Virtual Simulation Laboratory in Mining Engineering

XUE Li-ming，LIU Wei，HOU Yun-bing，WANG Hao-jie

（School of Energy and Mining Engineering，China University of Mining Technology （Beijing），Beijing 100083，China）

Abstract：The construction of virtual simulation laboratory is an important way of informatization teaching reform.Virtual experimental teaching is the product of the integration of professional theory and information technology.Starting from the virtual simulation laboratory of mining engineering major，this paper analyzes the significance of virtual experimental teaching in cultivating innovative talents and improving students' practical ability.In view of the problems and deficiencies existing in the traditional mining engineering laboratories，this article expounds the construction of virtual experimental teaching system for mining engineering major from two aspects：management system construction and teacher team construction，which can provide a reference for promoting the development of virtual experimental teaching of mining engineering major.

Key words：virtual simulation;experimental teaching;mining engineering