劉欽節(jié) 楊科

摘 要 實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)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(duì)安徽理工大學(xué)采礦工程學(xué)科現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，總結(jié)分析了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的一些問(wèn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。該方法通過(guò)構(gòu)建興趣驅(qū)動(dòng)的游戲般的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使互動(dòng)媒體實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革提供重要借鑒。

關(guān)鍵詞 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 虛擬礦井 采礦工程

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，是大學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)、訓(xùn)練技能、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、鍛煉實(shí)踐動(dòng)手能力的一個(gè)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(guò)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(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境單一、互動(dòng)環(huán)節(jié)薄弱，而且不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和探索性，無(wú)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，充分調(diào)動(dòng)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(shí)驗(yàn)條件及相關(guān)教學(xué)現(xiàn)狀，總結(jié)分析了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的一些問(wèn)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(dòng)的采礦工程學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

1 安徽理工大學(xué)采礦工程學(xué)科實(shí)驗(yàn)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(shí)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)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(jì)劃，建立了利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體制，組建成立了多個(gè)省部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、研究中心、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地等，為學(xué)生開(kāi)展課外科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)提供了一個(gè)良好的軟硬件環(huán)境，逐漸形成了圍繞培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)造思維構(gòu)建采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系，建立完整的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程尚存在一些問(wèn)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(gè)系統(tǒng)完備的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，至少需要花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)。此外，實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)驗(yàn)設(shè)備通常是按照預(yù)先設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康馁?gòu)置的，能夠支持的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較單一，同時(shí)受益學(xué)生有限，而且在2次實(shí)驗(yàn)之間，處于閑置狀態(tài)，總體利用率相對(duì)較低。

（3）教學(xué)形式相對(duì)單一，缺乏完善的統(tǒng)籌與安排，計(jì)劃性不強(qiáng)，針對(duì)性較弱，不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極主動(dòng)性。

（4）實(shí)驗(yàn)資源不足，不能滿足廣大學(xué)生的實(shí)際需求，在很大程度上抑制了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的積極性和主觀能動(dòng)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(duì)礦山實(shí)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(chǎng)認(rèn)識(shí)，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(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的虛擬樣機(jī)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)“五臟俱全”的礦井生產(chǎn)環(huán)境，分別利用聲音、圖形、圖像、動(dòng)畫和實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。同時(shí)，通過(guò)三維游覽和興趣驅(qū)動(dòng)的游戲模式表達(dá)出傳統(tǒng)教學(xué)手段無(wú)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(duì)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(gè)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(duì)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(dòng)性，達(dá)到一個(gè)良好的教學(xué)效果。④

基于此，本文綜合利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)等生成逼真的“虛擬礦井建設(shè)”實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，按照采礦工程專業(yè)畢業(yè)生在從事工作后的實(shí)際晉升途徑，分別設(shè)計(jì)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?cè)谔摂M情境中完成自己未來(lái)崗位的工作任務(wù)，并獲得晉升及獎(jiǎng)勵(lì)，促使學(xué)生進(jìn)行更深層次的實(shí)踐動(dòng)手操作。不僅可以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，而且可以得到許多在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)的效果和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

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

通過(guò)構(gòu)建基于興趣和任務(wù)驅(qū)動(dòng)的囊括礦井工業(yè)廣場(chǎng)、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(chǎng)（包括中央變電所、水泵房、水倉(cāng)、煤倉(cāng)、轉(zhuǎn)載硐室、炸藥庫(kù)、充電硐室等）、測(cè)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(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，不僅可以形成獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，而且能夠讓學(xué)生對(duì)煤礦生產(chǎn)各系統(tǒng)、各環(huán)節(jié)進(jìn)行掌握和實(shí)踐操作，便于激發(fā)他們奮發(fā)向上的精神和珍惜熱愛(ài)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(gè)性化的需求，探討一種新型的基于興趣驅(qū)動(dòng)的采礦工程學(xué)科虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)踐訓(xùn)練，通過(guò)構(gòu)建興趣驅(qū)動(dòng)的游戲般的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使互動(dòng)媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂理論教學(xué)相統(tǒng)一。

（2）總結(jié)分析我國(guó)現(xiàn)有虛擬實(shí)驗(yàn)在硬件裝備、軟件配置等方面的現(xiàn)狀，收集整理學(xué)生、實(shí)驗(yàn)教師等對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評(píng)價(jià)，明確采礦工程專業(yè)學(xué)科“虛擬礦井建設(shè)”實(shí)驗(yàn)可行性;

（3）綜合利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形、圖像技術(shù)等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建采礦工程學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)方法。

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

①人物角色設(shè)計(jì)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(shí)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(jiǎng)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(jì)出虛擬礦井建設(shè)過(guò)程中各角色的任務(wù)。通過(guò)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(shí)際工作內(nèi)容和所需要的專業(yè)知識(shí)，進(jìn)而明確大學(xué)期間需要掌握的專業(yè)知識(shí)。

③實(shí)驗(yàn)道具設(shè)計(jì)，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(guò)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(guò)程和關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制等專業(yè)知識(shí)。

④角色身份及相關(guān)裝備的獲取途徑及條件設(shè)計(jì)：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(duì)于自己未來(lái)的成長(zhǎng)方式有個(gè)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(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，生成逼真的實(shí)驗(yàn)情境，使學(xué)生在該情境中借助必要的道具對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)“虛擬身份”的真實(shí)體驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

采礦工程學(xué)科是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科， 對(duì)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(shí)踐動(dòng)手能力等要求較高。本文探討了基于虛擬礦井建設(shè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，為實(shí)驗(yàn)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(shí)踐能力強(qiáng)、素質(zhì)高、創(chuàng)新型的高素質(zhì)人才，而且通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)中的職業(yè)生涯規(guī)劃與預(yù)演，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生奮發(fā)向上的精神和珍惜、熱愛(ài)生活的態(tài)度具有重要意義。

資助項(xiàng)目：安徽理工大學(xué)校級(jí)教研項(xiàng)目（2014JYXM035）

注釋

① 楊德傳.采礦專業(yè)本科生工程實(shí)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(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)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(shí)技術(shù)及其在采礦中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2002（11）：23-25.