虛擬仿真技術(shù)在礦物加工專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

晏全香，饒峰，劉金艷，鄧榮東

（福州大學(xué) 紫金礦業(yè)學(xué)院，福建 福州）

一 引言

虛擬仿真技術(shù)與各學(xué)科的現(xiàn)代教學(xué)手段相結(jié)合，形成了獨樹一幟的虛擬仿真教學(xué)。近幾年來，政策大力扶持，虛擬仿真教學(xué)更是遍地開花、應(yīng)用極為廣泛[1]。上至高校本科培養(yǎng)和碩博研究，下至中小學(xué)教學(xué)與啟蒙興趣培養(yǎng)，學(xué)校教育已經(jīng)開始全面應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)。高校的礦物加工工程專業(yè)學(xué)習(xí)過程中，大量物理化學(xué)理論認(rèn)識、選礦場景、礦山機械和實踐教學(xué)等等都可以引入虛擬仿真教學(xué)，突破舊模式，為礦物加工教育培養(yǎng)帶來新的機遇與挑戰(zhàn)，也為選礦教育教學(xué)提供了新的方向和目標(biāo)。

二 虛擬仿真用于礦物加工課程教學(xué)中的優(yōu)勢

（一） 安全有效的虛擬仿真教學(xué)模式

礦物加工的工業(yè)現(xiàn)場操作過程大多數(shù)時候都伴隨著刺激性氣味、高分貝噪音、機械操作風(fēng)險等等，現(xiàn)場工作人員需要嚴(yán)格佩戴勞保用品。礦山企業(yè)安全規(guī)范明確指出，未經(jīng)培訓(xùn)人員不被允許進入選廠操作范圍。各大知名高校實驗室，也時有發(fā)生安全事故。因此，在校學(xué)生和待培訓(xùn)人員想要獲得現(xiàn)場工作體驗，具有較大難度。虛擬仿真選廠體驗，就能解決該難題。人機互動，在虛擬選廠中，人員用戶確保了安全問題，可直接模擬風(fēng)險較高的高溫高壓動態(tài)化學(xué)反應(yīng)，也可進行選礦流程中的磨碎浮選操作，有效規(guī)避了實踐現(xiàn)場操作時有可能出現(xiàn)的安全隱患[2]。由此可知，礦物加工中應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)，是一種安全有效的教學(xué)模式。

（二） 線上開放式體驗節(jié)約型實踐平臺

新冠肺炎疫情持續(xù)兩年期間，線上課堂成為開展教育的必需品。虛擬仿真用于礦物加工課程教學(xué)后，無論是隔離還是住家，無需進入礦山，在任意時間和地點，學(xué)生都可通過虛擬仿真平臺了解礦物加工專業(yè)知識、操作實踐驗證理論，可以重復(fù)多次開放體驗，不受傳統(tǒng)課堂時間和空間的限制。 礦物加工專業(yè)的傳統(tǒng)實習(xí)實踐環(huán)節(jié)，經(jīng)常需要聯(lián)系企業(yè)、配合生產(chǎn)，甚至可以稱得上需要長途跋涉、上山下鄉(xiāng)、克服危難險阻，花費了大量經(jīng)費才能完成教學(xué)。而虛擬仿真平臺可以讓礦加學(xué)生反復(fù)在線實訓(xùn)操作，增加了實踐機會，不用經(jīng)常面對“車間不便，干坐板凳”的尷尬局面；線上開放式選礦體驗，大大減少了實習(xí)環(huán)節(jié)中的耗材花費，教學(xué)成本和風(fēng)險都降低[3]。過去難以開展的高危險、高成本的實踐操作，在虛擬技術(shù)下變得更加直觀簡便，靈活適用，可以實現(xiàn)真正的礦業(yè)技術(shù)共享開放、安全節(jié)約。

（三） 創(chuàng)新礦物加工教學(xué)互動反饋機制

早期礦物加工實驗和實習(xí)環(huán)節(jié)中，老師教學(xué)時需要一對多，老師一張嘴，學(xué)生問題多，做不到即時互動和反饋，教學(xué)效果不佳。類似礦物加工這類工科課堂上，理論講授、原理分析、機械結(jié)構(gòu)分析時，學(xué)生很多時候只能借助有限的圖片或視頻想象實際場景，大多數(shù)學(xué)生不能理解或者早已放棄理解，很難做到師生互動，基本都是“低頭族”“瞌睡黨”。

虛擬在線平臺突破常規(guī)，實現(xiàn)人機互動，創(chuàng)建虛擬場景，用戶甚至可以借助視覺、嗅覺、聽覺、觸覺等等感知沉浸到場景中，互動反饋及時，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性也會大大提高[4]。平臺可以虛擬各種礦山機械的機構(gòu)拆裝，可以組建選廠流程中重、磁、浮選的搭配，也可以模擬礦物與藥劑之間的細微氣泡接觸反應(yīng)，學(xué)生根據(jù)自身情況互動反饋，及時獲得線上資源解答。人機互動實現(xiàn)多對一互動，龐大的資源量與學(xué)生共享。實踐環(huán)節(jié)考核也更加高效，計算機處理數(shù)據(jù)迅速，分析結(jié)果后立刻反饋，學(xué)生可以多次人機對話，反復(fù)驗證，理論聯(lián)系上實踐。教師通過計算機分析反饋結(jié)果，可以更有效實現(xiàn)全程監(jiān)控、全程跟蹤、合理考核，消除知識盲區(qū)。

三 礦物加工虛擬仿真中存在的問題

（一） 僵化思維難以突破傳統(tǒng)

雖然國家教育部鼓勵發(fā)展虛擬仿真教學(xué)與實踐平臺建設(shè)，但仍然有部分教師堅持實驗室實地技能操作才能滿足學(xué)生實訓(xùn)要求，虛擬仿真純屬“霧里看花”“水中撈月”，沉浸式體驗技術(shù)有可能讓學(xué)生們本就有的手機依賴癥會變成電腦依賴癥。并且，由于自身認(rèn)識不足，也有人認(rèn)為現(xiàn)有的虛擬仿真教學(xué)研究基礎(chǔ)不扎實，模擬動態(tài)分選工程不理想，現(xiàn)有技術(shù)不成熟，虛擬環(huán)境脫離現(xiàn)實等等，他們疫情期間準(zhǔn)備不充分，只能無奈接受虛擬教學(xué)，若要實際教學(xué)，虛擬教學(xué)模式并不合適。因此，不少教師不愿意配合推進礦加專業(yè)虛擬教學(xué)，導(dǎo)致礦加專業(yè)虛擬仿真教學(xué)建設(shè)工作難以展開[5]。

（二） 教學(xué)模式理論研究不成熟

虛擬技術(shù)自誕生以來，廣泛用于航空航天、軍事戰(zhàn)爭、數(shù)學(xué)計算模擬、工農(nóng)業(yè)制造等等[6]。 早期虛擬技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域大多都是科學(xué)技術(shù)型、工業(yè)制造應(yīng)用等，高校教學(xué)虛擬仿真技術(shù)還處在發(fā)展初期階段。教育部發(fā)文開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)，全國高校蜂擁而動，幾乎所有專業(yè)都在爭取學(xué)校、省級、國家級虛擬仿真項目經(jīng)費。申請項目、獲得資助、推廣應(yīng)用，全面展開的虛擬教學(xué)項目并沒有取得多少顯著成果，并沒有成熟的教學(xué)模式理論依據(jù)。技術(shù)的快速發(fā)展，需要有相關(guān)完善的理論研究。礦物加工虛擬仿真教學(xué)，同樣面臨這個難題，沒有完善的應(yīng)用模式[7]，都是摸著石頭過河。建設(shè)項目如何展開、虛擬教學(xué)模式怎樣改革、虛擬環(huán)境仿真或者虛擬現(xiàn)實仿真應(yīng)用混亂，缺乏理論依據(jù)的教學(xué)模式創(chuàng)新大多浮于表面，沒有內(nèi)在的深層次思考，顯然限制了礦加專業(yè)虛擬仿真項目的發(fā)展。模式研究不成熟也導(dǎo)致了學(xué)生對虛擬仿真教學(xué)的認(rèn)識不足，比如線上實習(xí)時，學(xué)生反饋代入感不強，仍需要現(xiàn)場實習(xí)。

（三） 資源配套準(zhǔn)備不足

高校虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)，需要計算機虛擬仿真技術(shù)與成熟的專業(yè)教學(xué)理念全面融合。 高速發(fā)展的計算機虛擬仿真技術(shù)，確實為高校教學(xué)改革帶來了新思路。但是高校教學(xué)和計算機虛擬仿真技術(shù)畢竟是兩個概念，高校教師不是計算機專家，如何熟練使用相關(guān)軟件還是個難題。教師需要擁有學(xué)習(xí)另一門專業(yè)的能力，掌握本專業(yè)的同時，再將軟件操作學(xué)會，并創(chuàng)作兩個專業(yè)融合的教學(xué)指導(dǎo)教材，還要確保準(zhǔn)備性，不然教學(xué)過程中會產(chǎn)生錯誤的觀點，影響虛擬仿真教學(xué)效果。比如，礦物加工專業(yè)虛擬仿真教學(xué)中，需要仿真實現(xiàn)大量的物理化學(xué)反應(yīng)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型機械設(shè)備，往往需要大筆經(jīng)費投入VR虛擬技術(shù)團隊創(chuàng)作，創(chuàng)建礦加專業(yè)虛擬平臺及相關(guān)軟件。要構(gòu)建出合適的虛擬平臺，需要教學(xué)老師和虛擬技術(shù)團隊多次磋商、仔細磨合。因此，虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)需要大量的專業(yè)教學(xué)老師、有與時俱進的計算機裝備和軟件設(shè)備維護人員。言而總之，建設(shè)礦物加工虛擬仿真平臺，需要資金、人才、技術(shù)等多方面配套資源，集中力量才能做出創(chuàng)新成果[8]。

就目前來看，高校各專業(yè)都在積極申報虛擬仿真項目，幾乎是“海選現(xiàn)場”，包括文學(xué)在內(nèi)所有的專業(yè)都在嘗試虛擬仿真教學(xué)。良性激勵、妥善引導(dǎo)、再配套完善、齊心協(xié)力，虛擬仿真平臺的建設(shè)和發(fā)展會更為順利。

（四） 社會共有分享意識淡薄

實踐教學(xué)中涉及的很多物理化學(xué)反應(yīng)、機械設(shè)備、電子產(chǎn)品等相關(guān)線上資源，很難做到共享共有。很多相關(guān)企業(yè)已經(jīng)做過設(shè)備動態(tài)模擬，但其腳本資源基本都不會外傳分享，教師們和虛擬仿真技術(shù)人員基本是從零做起，耗費巨大，做出的效果可能還不如企業(yè)的專業(yè)版本，形成資源浪費。同行業(yè)不同單位內(nèi)，基本自力更生，互相尊重主權(quán)，好的資源僅對少部分人開放。這種現(xiàn)象很正常，但卻阻礙了高校和企業(yè)的共同進步。比如礦物加工工程專業(yè)教學(xué)中的測試分析電子產(chǎn)品、機械設(shè)備等，企業(yè)為了產(chǎn)品推廣、技術(shù)研發(fā)和后期操作管理，基本都做過相關(guān)的虛擬仿真應(yīng)用軟件，若能和高校專業(yè)教學(xué)共享資源，就可以實現(xiàn)虛擬仿真平臺快速推廣和傳播[7]。

四 礦物加工虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用發(fā)展建議

疫情持續(xù)發(fā)酵下，在線教育將成為世界教育的主要力量。虛擬仿真技術(shù)可以讓在線教育更生動形象，身臨其境感受知識，也可以讓教學(xué)過程更高效、更節(jié)約。礦物加工虛擬仿真教學(xué)研究剛剛開始起步，和其他高校虛擬仿真相似，同樣面臨相當(dāng)多的機遇與挑戰(zhàn)。關(guān)于礦物加工虛擬仿真教學(xué)發(fā)展，主要的建議有以下幾點：

（一） 從學(xué)生角度出發(fā)，實現(xiàn)沉浸式虛擬仿真

仿真環(huán)境設(shè)計盡可能和選礦現(xiàn)場相似，虛擬教學(xué)要做到身臨其境，那就務(wù)必讓學(xué)生感受到生動和真實，最好能沉浸體驗。當(dāng)然，現(xiàn)在多數(shù)高校都很重視教學(xué)改革，課堂上有了很多豐富的教學(xué)案例，還有各種視頻、音頻材料，表面上看確實層次分明，豐富多彩，實際上大多數(shù)學(xué)生仍然對內(nèi)容一知半解，并沒有融會貫通。應(yīng)用于課堂教學(xué)的音視頻材料，極大地豐富了單調(diào)的理論課堂，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，暫時成功地獲取了部分學(xué)生的注意力。但是，當(dāng)教學(xué)活動再轉(zhuǎn)入涉及理論教學(xué)部分，學(xué)生的注意力就開始散開，整個課堂教學(xué)過程基本可以視作學(xué)生斷--續(xù)--斷--續(xù)參加學(xué)習(xí)的過程。這類改革過的音視頻教學(xué)模式，也很難做到讓學(xué)生持續(xù)關(guān)注并導(dǎo)入知識。虛擬仿真技術(shù)，可以將專業(yè)實踐現(xiàn)場模擬出來，甚至可以直接用現(xiàn)場實景作為腳本，讓學(xué)生直接體驗現(xiàn)場實踐環(huán)境。相比于音視頻教學(xué)只能片段展示實踐效果，虛擬仿真教學(xué)在礦物加工專業(yè)學(xué)習(xí)中讓學(xué)生可以連續(xù)、完整、沉浸學(xué)習(xí)專業(yè)實踐知識。

要實現(xiàn)連續(xù)沉浸學(xué)習(xí)效果，虛擬仿真教學(xué)腳本設(shè)計，盡可能切合教學(xué)中需要掌握的知識點，學(xué)生在虛擬環(huán)境中實地操作，沉浸式體驗在線實時互動教學(xué)，并且可以反復(fù)練習(xí)操作，計算機記錄學(xué)生操作學(xué)習(xí)情況，實時反饋，實行在線考核總結(jié)。教學(xué)時老師只是做開始的前景介紹，中間觀察、結(jié)束后答疑、討論和考核總結(jié)。進入體驗后，則以學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨立探索來完成學(xué)習(xí)內(nèi)容，也可以增加學(xué)生自行連線的小組對抗、實踐操作比賽等等交流環(huán)節(jié)，增加學(xué)生參與積極性。

（二） 開放創(chuàng)新，教學(xué)觀念與時俱進

傳統(tǒng)礦物加工教學(xué)，課堂上師生一起暢想設(shè)備原理結(jié)構(gòu)，實踐操作時教師手把手指導(dǎo)，隨時提醒安全問題。一批又一批的學(xué)生接受同樣的教育，教師們已經(jīng)形成自有教學(xué)習(xí)慣，要其改變教學(xué)模式，適應(yīng)新的虛擬仿真教學(xué)并不容易[7]。很多相關(guān)電子信息技術(shù)、在線操作技巧、虛擬設(shè)備內(nèi)容等，教師們都要接受重新學(xué)習(xí)培訓(xùn)，這個過程不會輕松。教育部門和高校在關(guān)注教學(xué)改革的同時，要更加關(guān)注教師的各方面成長，比如心理思想方面、職業(yè)技術(shù)方面等等。要想把學(xué)生教育好，那就先把老師教育好。教師們原有的教學(xué)手段落后了，需要更新的不只是技術(shù)和理論，還有創(chuàng)新的思維和先進的教學(xué)觀念。教師們要積極開放創(chuàng)新，拋卻舊觀念，改變自己，成為虛擬技術(shù)和礦加專業(yè)融合的綜合性人才。并且，專業(yè)教師更要不斷調(diào)整觀念，克服各類艱難險阻，積極主動進行教育改革，與時俱進，發(fā)展壯大先進教師隊伍[8]。

（三） 整合優(yōu)勢資源，共享先進經(jīng)驗

建議政府整合優(yōu)勢資源，積極消除行業(yè)壁壘，高校和相關(guān)企業(yè)盡可能實現(xiàn)資源共享。目前，我國教育教學(xué)部門與社會企業(yè)的關(guān)聯(lián)并不緊密，企業(yè)技術(shù)發(fā)展與高校專業(yè)技術(shù)研究也并沒有無縫連接，這實際上不利于培養(yǎng)對社會有利的人才。重點企業(yè)往往資金雄厚，國內(nèi)外先進技術(shù)和裝備齊全，政府積極發(fā)揮橋梁連接作用，高校研究部門積極聯(lián)系相關(guān)重點生產(chǎn)企業(yè)，利用已有虛擬仿真軟件，共享交流，減少資源浪費。對于企業(yè)來說，學(xué)?？梢蕴峁├碚撗芯恐С?，在使用產(chǎn)品中產(chǎn)生操作問題和解決建議，可以完善企業(yè)軟件不足和設(shè)備生產(chǎn)及管理經(jīng)驗，也可加快產(chǎn)品的推廣和傳播；對于學(xué)校方面，積極使用企業(yè)已有的先進應(yīng)用軟件，更貼合現(xiàn)場設(shè)備操作，實現(xiàn)仿真實景體驗，培養(yǎng)學(xué)生的實際操控能力，也能節(jié)約成本，完善虛擬平臺建設(shè)[9]。這個過程中，學(xué)生和教師都能掌握企業(yè)先進設(shè)備操作，學(xué)習(xí)先進技術(shù)和管理經(jīng)驗，與相關(guān)企業(yè)保持良好接觸，也更有利于培養(yǎng)出適應(yīng)社會的高技術(shù)、高質(zhì)量人才。另外，各高校同類型專業(yè)也可共享技術(shù)交流平臺，促進教學(xué)手段和研究水平交流，取長補短，互惠互利，推陳出新，避免重復(fù)建設(shè)。

五 結(jié)語

新一輪教學(xué)改革開展以來，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)成為教育中不可缺少的重要組成部分。尤其是類似礦物加工工程這類工科屬性的專業(yè)，動態(tài)模擬、虛擬仿真為學(xué)生帶來更為生動、真實的互動學(xué)習(xí)體驗，激發(fā)了學(xué)生參與興趣，提高了學(xué)生實際操作中解決問題的能力。改革會帶來更多機遇和挑戰(zhàn)，虛擬仿真教學(xué)對于專業(yè)教育具有積極促進作用。政府、相關(guān)企業(yè)、高校教育部門共同努力，未來的礦物加工虛擬仿真教學(xué)改革成果，必將促進專業(yè)教育水平和教學(xué)質(zhì)量的提高。