劉欽節(jié) 楊科

摘 要 實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力和創(chuàng)新思維訓(xùn)練等方面具有重要意義。本文針對安徽理工大學(xué)采礦工程學(xué)科現(xiàn)有實驗條件及實驗教學(xué)現(xiàn)狀，總結(jié)分析了實驗教學(xué)過程中的一些問題與不足，探討了一種基于虛擬礦井建設(shè)的采礦工程學(xué)科實驗教學(xué)方法。該方法通過構(gòu)建興趣驅(qū)動的游戲般的實驗環(huán)境，使互動媒體實驗教學(xué)與課堂理論教學(xué)相統(tǒng)一，挖掘?qū)W生的自主性、探索性和創(chuàng)新性，循序漸進(jìn)地培養(yǎng)具有實踐能力強(qiáng)、素質(zhì)高、創(chuàng)新型的高素質(zhì)人才，可為相關(guān)專業(yè)實驗教學(xué)體系改革提供重要借鑒。

關(guān)鍵詞 實驗教學(xué) 虛擬礦井 采礦工程

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Study on Experimental Teaching Methods for the Mining Engineering

Disciplines based on Virtual Coal Mine Construction

LIU Qinjie， YANG Ke

（School of Mining and Safety， Anhui University of Science and Technology， Huai'nan， Anhui 232001）

Abstract The experimental teaching methods have great significance in cultivating students' practical ability and creative thinking training. In view of the experiment conditions and existing shortcomings in experiment teaching of Anhui University of Science and Technology， the authors put forward a tentative experiment teaching method based on virtual coal mine construction for mining engineering college students. Aiming to impart professional experiment knowledge and to improve students' innovation capability， this method integrates the interactive media experiment teaching process to in-class theory teaching， excavates students' autonomy， exploration and innovation abilities， by constructing the interest driven game-like experiment environment， which can provide an important reference for the reform and further research on relevant disciplines experimental teaching methods.

Key words experimental teaching; virtual coal mine construction; mining engineering

實驗教學(xué)活動，是大學(xué)生學(xué)習(xí)知識、訓(xùn)練技能、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、鍛煉實踐動手能力的一個重要環(huán)節(jié)，在全面推進(jìn)采礦工程專業(yè)人才素質(zhì)教育過程中具有十分重要的意義。①而目前采礦工程專業(yè)大學(xué)生的培養(yǎng)仍局限于課堂講授和陳舊模型的觀摩，不僅實驗教學(xué)環(huán)境單一、互動環(huán)節(jié)薄弱，而且不能充分調(diào)動學(xué)生積極性和探索性，無法保證相關(guān)教學(xué)質(zhì)量。

為了有效改善采礦工程學(xué)科專業(yè)課程實驗教學(xué)的效果，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程的自主性、探索性和創(chuàng)新性。本文結(jié)合安徽理工大學(xué)采礦工程學(xué)科現(xiàn)有實驗條件及相關(guān)教學(xué)現(xiàn)狀，總結(jié)分析了實驗教學(xué)過程中的一些問題與不足，探討了基于虛擬礦井建設(shè)的以任務(wù)為目標(biāo)、興趣為驅(qū)動的采礦工程學(xué)科實驗教學(xué)方法。

1 安徽理工大學(xué)采礦工程學(xué)科實驗教學(xué)現(xiàn)狀

安徽理工大學(xué)采礦工程學(xué)科充分認(rèn)識到實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力方面具有的重要作用，為此，嚴(yán)格按照專業(yè)培養(yǎng)計劃，建立了利于培養(yǎng)學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新能力的實驗教學(xué)體制，組建成立了多個省部重點實驗室、研究中心、大學(xué)生創(chuàng)新實踐基地等，為學(xué)生開展課外科技創(chuàng)新實踐活動提供了一個良好的軟硬件環(huán)境，逐漸形成了圍繞培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力和創(chuàng)造思維構(gòu)建采礦工程專業(yè)實驗課程體系，建立完整的實驗教學(xué)質(zhì)量保障體系。然而，由于目前普遍以“厚基礎(chǔ)、寬口徑”為辦學(xué)指導(dǎo)思想，加之教學(xué)內(nèi)容更新慢、教學(xué)方法模式化、教學(xué)環(huán)境單一等因素的制約，致使采礦工程學(xué)科實驗教學(xué)過程尚存在一些問題與不足，②③如：

（1）投資大，運(yùn)行成本高。采礦工程學(xué)科，建設(shè)一個系統(tǒng)完備的專業(yè)實驗室，至少需要花費(fèi)數(shù)百萬。此外，實驗過程中的能源、物料及不可避免的儀器設(shè)備的損壞消耗巨大。

（2）運(yùn)行效率低、總體利用率不高。實驗設(shè)備通常是按照預(yù)先設(shè)計的實驗?zāi)康馁徶玫?，能夠支持的實驗?nèi)容比較單一，同時受益學(xué)生有限，而且在2次實驗之間，處于閑置狀態(tài)，總體利用率相對較低。

（3）教學(xué)形式相對單一，缺乏完善的統(tǒng)籌與安排，計劃性不強(qiáng)，針對性較弱，不能充分調(diào)動學(xué)生的積極主動性。

（4）實驗資源不足，不能滿足廣大學(xué)生的實際需求，在很大程度上抑制了學(xué)生參與實驗教學(xué)活動的積極性和主觀能動性。

（5）現(xiàn)有模型陳舊、展示手段單一、更新效率低，阻礙了采礦工程專業(yè)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 基于虛擬礦井建設(shè)的采礦工程學(xué)科實驗教學(xué)方法的提出

采礦工程專業(yè)教學(xué)的首要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生對礦山實體與工程視圖之間的一種形象思維和邏輯思維能力。然而，由于缺乏現(xiàn)場認(rèn)識，學(xué)生們難以想出書本上呆板圖形所要表達(dá)的礦山巷道形狀、結(jié)構(gòu)特征及其相互之間的空間關(guān)系。

如果能夠利用近年來迅速發(fā)展起來的虛擬樣機(jī)技術(shù)構(gòu)建一個“五臟俱全”的礦井生產(chǎn)環(huán)境，分別利用聲音、圖形、圖像、動畫和實物照片等多角度多方位地沖擊學(xué)生的感官神經(jīng)，可以極大地吸引學(xué)生的注意力、提高實驗教學(xué)效率。同時，通過三維游覽和興趣驅(qū)動的游戲模式表達(dá)出傳統(tǒng)教學(xué)手段無法描述的現(xiàn)象和規(guī)律，使學(xué)生從不同角度觀察各種井巷、硐室等的結(jié)構(gòu)形狀和空間位置關(guān)系，而且還可以針對不同的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目的，帶領(lǐng)學(xué)生在虛擬生產(chǎn)礦井中游覽每個井筒、巷道和硐室，使學(xué)生身臨其境、切身感悟，不僅可以大大增強(qiáng)學(xué)生對抽象事物的感受能力，而且還能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動性，達(dá)到一個良好的教學(xué)效果。④

基于此，本文綜合利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、仿真技術(shù)、計算機(jī)圖形圖像技術(shù)等生成逼真的“虛擬礦井建設(shè)”實驗場景，按照采礦工程專業(yè)畢業(yè)生在從事工作后的實際晉升途徑，分別設(shè)計出工作崗位角色和工作任務(wù)，并配備必要的設(shè)備、儀器和工具，讓同學(xué)們在虛擬情境中完成自己未來崗位的工作任務(wù)，并獲得晉升及獎勵，促使學(xué)生進(jìn)行更深層次的實踐動手操作。不僅可以提高學(xué)生的實驗積極性，而且可以得到許多在常規(guī)實驗中難以實現(xiàn)的效果和實驗現(xiàn)象。

3 基于虛擬礦井建設(shè)的采礦工程學(xué)科實驗教學(xué)方法的構(gòu)建

通過構(gòu)建基于興趣和任務(wù)驅(qū)動的囊括礦井工業(yè)廣場、完整地面生產(chǎn)系統(tǒng)、井筒及提升運(yùn)輸設(shè)備、井底車場（包括中央變電所、水泵房、水倉、煤倉、轉(zhuǎn)載硐室、炸藥庫、充電硐室等）、測風(fēng)站、掘進(jìn)工作面（綜掘、炮掘）、采煤面（炮采、普采、綜采等）功能完善、配套齊全的大型綜合虛擬礦井建設(shè)的實驗場景，不僅可以形成獨特的實驗教學(xué)體系，而且能夠讓學(xué)生對煤礦生產(chǎn)各系統(tǒng)、各環(huán)節(jié)進(jìn)行掌握和實踐操作，便于激發(fā)他們奮發(fā)向上的精神和珍惜熱愛生活的態(tài)度。具體構(gòu)建方法為。

（1）分析當(dāng)代大學(xué)生的求新、求異、個性化的需求，探討一種新型的基于興趣驅(qū)動的采礦工程學(xué)科虛擬實驗方法，讓學(xué)生在虛擬的“礦井建設(shè)”環(huán)境下完成自己的專業(yè)實踐訓(xùn)練，通過構(gòu)建興趣驅(qū)動的游戲般的實驗環(huán)境，使互動媒體實驗教學(xué)與課堂理論教學(xué)相統(tǒng)一。

（2）總結(jié)分析我國現(xiàn)有虛擬實驗在硬件裝備、軟件配置等方面的現(xiàn)狀，收集整理學(xué)生、實驗教師等對虛擬實驗教學(xué)的評價，明確采礦工程專業(yè)學(xué)科“虛擬礦井建設(shè)”實驗可行性;

（3）綜合利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、仿真技術(shù)、計算機(jī)圖形、圖像技術(shù)等虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建采礦工程學(xué)科實驗教學(xué)場景實現(xiàn)方法。

（4）基于虛擬礦井建設(shè)的實驗教學(xué)體系建設(shè)，主要內(nèi)容包括。

①人物角色設(shè)計及其晉升體系：以大學(xué)生畢業(yè)后從事礦業(yè)生產(chǎn)工作的實際職稱系列或管理系列為依據(jù)設(shè)定相應(yīng)的角色。

②角色任務(wù)分配及獎懲辦法;根據(jù)采礦工程行業(yè)各職稱系列人員所從事的具體工作內(nèi)容設(shè)計出虛擬礦井建設(shè)過程中各角色的任務(wù)。通過本部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生們明確自己以后的實際工作內(nèi)容和所需要的專業(yè)知識，進(jìn)而明確大學(xué)期間需要掌握的專業(yè)知識。

③實驗道具設(shè)計，即虛擬礦井建設(shè)所需的設(shè)備、儀器、系統(tǒng)及工具等，使學(xué)生們掌握采礦生產(chǎn)過程中的設(shè)備配套、功能原理及其操作方法，并加深相關(guān)作業(yè)的工藝過程和關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制等專業(yè)知識。

④角色身份及相關(guān)裝備的獲取途徑及條件設(shè)計：基于現(xiàn)有職稱晉升標(biāo)準(zhǔn)，制定出虛擬礦井建設(shè)中各角色任務(wù)的晉升條件，使學(xué)生們對于自己未來的成長方式有個大致的了解，從而準(zhǔn)確把握大學(xué)期間的任務(wù)和目標(biāo)。

⑤基于計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)，生成逼真的實驗情境，使學(xué)生在該情境中借助必要的道具對實驗對象進(jìn)行操作，實現(xiàn)“虛擬身份”的真實體驗。

4 結(jié)語

采礦工程學(xué)科是一門實踐性很強(qiáng)的學(xué)科， 對于學(xué)生的三維空間想象力、多學(xué)科協(xié)調(diào)配合的能力和較強(qiáng)的實踐動手能力等要求較高。本文探討了基于虛擬礦井建設(shè)的實驗教學(xué)方法，為實驗教學(xué)提供一種嶄新的技術(shù)手段和改革方向，不僅有助于提高專業(yè)課程的學(xué)習(xí)成效，并循序漸進(jìn)地培養(yǎng)具有實踐能力強(qiáng)、素質(zhì)高、創(chuàng)新型的高素質(zhì)人才，而且通過虛擬現(xiàn)實中的職業(yè)生涯規(guī)劃與預(yù)演，對于培養(yǎng)學(xué)生奮發(fā)向上的精神和珍惜、熱愛生活的態(tài)度具有重要意義。

資助項目：安徽理工大學(xué)校級教研項目（2014JYXM035）

注釋

① 楊德傳.采礦專業(yè)本科生工程實踐性教學(xué)探討[J].科技信息，2011.20：441-442.

② 劉欽節(jié)，王文.關(guān)于提高采礦工程專業(yè)課程教學(xué)質(zhì)量的思考[J].黑龍江科技信息，2012.36：201-201.

③ 韓磊，楊科.采礦工程三維可視化虛擬實驗室建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2011.28（6）：211-213.

④ 張能福，何新礦，閻旭騫.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在采礦中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2002（11）：23-25.