采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)體系建設(shè)*

薛黎明，劉 哲

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京100083）

0 引 言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室以人機(jī)交互、3D 建模和云計(jì)算等技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)景、步驟進(jìn)行模擬，使學(xué)生在虛擬中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完成教學(xué)任務(wù)[1]。采礦工程專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室不具備或難以完成的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可輔助實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源體系完整化。學(xué)生可在采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)中熟悉礦井環(huán)境、礦井設(shè)計(jì)、礦井采掘、礦井災(zāi)害防治等，從而有效提高學(xué)生的理論基礎(chǔ)和專業(yè)技能，進(jìn)而提升學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量。為促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，從2013至2015 年間教育部開(kāi)展了300 個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的工作，推動(dòng)高校實(shí)驗(yàn)教育創(chuàng)新，從2017 年開(kāi)始啟動(dòng)認(rèn)定示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[2]。全國(guó)高校正在積極的開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)工作。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）于2018 年建立采礦與安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室并用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)礦業(yè)高校采礦工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，并結(jié)合中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）采礦專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一些共性問(wèn)題，并針對(duì)相關(guān)問(wèn)題對(duì)采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)體系建設(shè)提出建設(shè)意見(jiàn)，可為其他礦業(yè)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供參考。

1 采礦工程專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式及存在的問(wèn)題

隨著各礦業(yè)高校生源的不斷擴(kuò)招，使得學(xué)生人數(shù)增長(zhǎng)速度過(guò)快與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室資源不足的矛盾開(kāi)始顯現(xiàn)。傳統(tǒng)的采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室會(huì)受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴、品種短缺、教學(xué)內(nèi)容形式單一等條件的約束，不利于提高礦業(yè)院校教學(xué)質(zhì)量，無(wú)法滿足培養(yǎng)綜合型人才的教學(xué)需求。

1.1 教學(xué)內(nèi)容和形式比較單一

采礦課程教學(xué)多以課堂理論講解為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助配合，對(duì)如礦井開(kāi)采、井田開(kāi)拓等難理解的抽象專業(yè)知識(shí)配合實(shí)驗(yàn)講解[3]。傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要形式是由實(shí)驗(yàn)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)的原理和過(guò)程進(jìn)行講解，示范實(shí)驗(yàn)操作，最后由學(xué)生操作完成實(shí)驗(yàn)基本內(nèi)容，教師多注重是否完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，缺少實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)創(chuàng)新思維的引導(dǎo)，這種“傳輸-接受”的實(shí)驗(yàn)方式不利于提高學(xué)生的動(dòng)手能力和對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新靈感因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件有限很難得到驗(yàn)證和延伸，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力。

1.2 實(shí)驗(yàn)時(shí)間和設(shè)備資源有限

一方面采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)相對(duì)較少不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作。另一方面大多數(shù)設(shè)備價(jià)格昂貴，經(jīng)費(fèi)投入不足，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室設(shè)備數(shù)量和種類較少，影響專業(yè)教學(xué)的正常開(kāi)展。多數(shù)學(xué)生需對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次操作才能掌握該實(shí)驗(yàn)，由于資源有限，學(xué)生往往只能對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一次操作，這限制學(xué)生對(duì)知識(shí)的拓展。在采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程中，會(huì)接觸到許多設(shè)備，但由于很多設(shè)備是封閉的，學(xué)生難以真正理解設(shè)備的原理和過(guò)程，這樣會(huì)影響學(xué)生專業(yè)的抽象的理論知識(shí)和學(xué)習(xí)效果。

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理問(wèn)題

采礦工程是實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)，專業(yè)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)[4]。但在采礦工程專業(yè)的教學(xué)中，部分高校對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理工作不夠重視，把實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅當(dāng)做教學(xué)過(guò)程中的一個(gè)輔助，有些高校把經(jīng)驗(yàn)不足的老師安排到實(shí)驗(yàn)崗位，有時(shí)會(huì)因缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。不重視專門從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)崗位的教師，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室教師工作態(tài)度不夠積極。實(shí)踐能力強(qiáng)、學(xué)科特色鮮明的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理隊(duì)伍不利形成，不利于采礦專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展和科研創(chuàng)新。

2 采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建立的必要性

目前已有很多礦業(yè)高校在采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面作出了好的示范。如東北大學(xué)利用采礦虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室服務(wù)于學(xué)生教學(xué)工作和課題研究；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建立采礦虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于教學(xué)和科研工作[5-6]；在這種形勢(shì)下，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）在2018 年建立采礦與安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為教學(xué)提供礦山高危環(huán)境綜合性強(qiáng)、創(chuàng)新型強(qiáng)、復(fù)雜度高的典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，顯著提高教學(xué)水平。在信息技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室成為采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分，它能有效提高實(shí)驗(yàn)室的合理利用和經(jīng)濟(jì)效果，提供豐富多彩的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.1 緩解實(shí)驗(yàn)室受經(jīng)費(fèi)和資源限制的重要途徑

在采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，利用計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M真實(shí)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。學(xué)生可隨時(shí)隨地利用采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)可重復(fù)的操作演示，讓學(xué)生完全掌握實(shí)驗(yàn)的原理和過(guò)程。這既可以克服實(shí)地資源緊張的困難，減少課程時(shí)間和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的制約，使教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)間更自由，也能夠降低認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)的成本，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量和教師的教學(xué)質(zhì)量。

2.2 提升教學(xué)資源共享的內(nèi)在要求

學(xué)?？赏ㄟ^(guò)合理有效的開(kāi)放運(yùn)行機(jī)制管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，服務(wù)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃目標(biāo)，又服務(wù)師生設(shè)計(jì)的創(chuàng)新型科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提升實(shí)驗(yàn)室使用效率，為教師科研項(xiàng)目提供必要的實(shí)驗(yàn)需求。采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)能加強(qiáng)學(xué)校之間、學(xué)科之間、教師以及學(xué)生之間的聯(lián)系與交流。采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在服務(wù)學(xué)校教學(xué)的基礎(chǔ)上，還可為礦山企業(yè)及研究院服務(wù)，充分地共享實(shí)驗(yàn)資源。

2.3 培養(yǎng)專業(yè)型人才的迫切需要

為國(guó)家培養(yǎng)具有高專業(yè)素質(zhì)的綜合型人才是高校的目標(biāo)和責(zé)任。尤其針對(duì)采礦工程專業(yè)而言，學(xué)生需要掌握采礦學(xué)、通風(fēng)安全建設(shè)、機(jī)電和排水系統(tǒng)管理等專業(yè)知識(shí)，而這些知識(shí)的學(xué)習(xí)需不斷的實(shí)踐來(lái)鞏固。由于受到安全、環(huán)境、繁忙生產(chǎn)等因素的影響，學(xué)生難以在真實(shí)現(xiàn)代化礦井危險(xiǎn)環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。因此需要開(kāi)設(shè)相關(guān)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，通過(guò)采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐操作技能得到鍛煉，能獨(dú)立思考并解決遇到的實(shí)驗(yàn)難題。

3 采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)體系建設(shè)

隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)逐漸增多，也出現(xiàn)了一些問(wèn)題。如：院校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)資源整合與開(kāi)放共享程度普遍較低，教學(xué)管理體系不完善等[7-9]。據(jù)此，對(duì)采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)體系建設(shè)提出以下幾點(diǎn)有針對(duì)性的建議，實(shí)驗(yàn)室教學(xué)體系建設(shè)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)體系建設(shè)結(jié)構(gòu)

3.1 開(kāi)放與共享虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室資源

在示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的帶領(lǐng)下，高校間可建立統(tǒng)一的交流機(jī)制和資源共享平臺(tái)系統(tǒng)。已建設(shè)采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的可以和其他專業(yè)融合，形成多專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，并可以輻射沒(méi)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的礦業(yè)院校，實(shí)現(xiàn)采礦工程專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室資源開(kāi)放與共享，避免虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室重復(fù)建設(shè)和功能單一等缺點(diǎn)。相互學(xué)習(xí)借鑒優(yōu)秀的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和理念，均衡發(fā)展礦業(yè)院校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，整體提高高校在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)發(fā)展的水平。

3.2 加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)

采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教師團(tuán)隊(duì)要能夠滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，緊跟科技前沿和工程實(shí)際。培養(yǎng)高水平的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍，院校既要制定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教師的崗位職責(zé)制度，又要制定合理有效的考核監(jiān)督和激勵(lì)機(jī)制，提高教師的積極性。鼓勵(lì)高水平教師積極加入到采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中，制定科學(xué)合理的師資建設(shè)規(guī)劃，鼓勵(lì)和支持專業(yè)實(shí)驗(yàn)室教師參加相關(guān)技能培訓(xùn)，提高教師的知識(shí)儲(chǔ)備和教學(xué)能力，最終形成一支專業(yè)的虛擬仿真教學(xué)隊(duì)伍。

3.3 建立科學(xué)合理的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室管理體系

科學(xué)合理的管理體系是促進(jìn)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展的重要保障，需結(jié)合學(xué)校和專業(yè)特色等實(shí)際情況綜合考慮建立合理的管理體系。管理體系如圖2 所示。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室管理體系

在各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的配合工作下，逐步建設(shè)完善合理的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)管理體系。建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室監(jiān)督體制，對(duì)已經(jīng)建成的或正在規(guī)劃籌建的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室定期進(jìn)行考核監(jiān)督，使實(shí)驗(yàn)室發(fā)揮應(yīng)有的作用。

3.4 采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室課程教學(xué)模式

綜合考慮采礦工程的專業(yè)特點(diǎn)和實(shí)際情況，將采礦專業(yè)課程教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，將教學(xué)過(guò)程中存在的重難點(diǎn)內(nèi)容通過(guò)虛擬仿真的方式再現(xiàn)，使學(xué)生們對(duì)采礦課程的理解和掌握更加深刻。針對(duì)礦山的建設(shè)和開(kāi)采，將礦山巷道、采煤方法、井田開(kāi)拓方式、礦井通風(fēng)等專業(yè)知識(shí)展現(xiàn)給學(xué)生，通過(guò)虛擬仿真環(huán)境模擬使礦山系統(tǒng)立體化，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的感知水平，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和專業(yè)實(shí)踐。

4 結(jié)束語(yǔ)

采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)和實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的深度融合。使學(xué)生能夠在虛擬仿真環(huán)境下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更加生動(dòng)有趣和豐富多彩，給傳統(tǒng)的采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入新的活力。將采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)采礦實(shí)驗(yàn)室有效結(jié)合，對(duì)采礦工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)不斷推陳出新，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和發(fā)展成為培養(yǎng)高素質(zhì)、綜合型采礦工程專業(yè)人才的重要教學(xué)平臺(tái)。