薛黎明，劉 哲

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

0 引 言

虛擬仿真實驗室以人機(jī)交互、3D 建模和云計算等技術(shù)為基礎(chǔ)，對實驗設(shè)備、場景、步驟進(jìn)行模擬，使學(xué)生在虛擬中進(jìn)行實驗，完成教學(xué)任務(wù)[1]。采礦工程專業(yè)傳統(tǒng)實驗室不具備或難以完成的教學(xué)實驗，虛擬仿真實驗室可輔助實現(xiàn)，實現(xiàn)教學(xué)資源體系完整化。學(xué)生可在采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗室平臺中熟悉礦井環(huán)境、礦井設(shè)計、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)虛擬仿真實驗室的建設(shè)，從2013至2015 年間教育部開展了300 個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的工作，推動高校實驗教育創(chuàng)新，從2017 年開始啟動認(rèn)定示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目[2]。全國高校正在積極的開展虛擬仿真實驗室的建設(shè)工作。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）于2018 年建立采礦與安全虛擬仿真實驗室并用于實驗教學(xué)。本文通過分析國內(nèi)礦業(yè)高校采礦工程專業(yè)的實驗教學(xué)現(xiàn)狀，并結(jié)合中國礦業(yè)大學(xué)（北京）采礦專業(yè)實驗教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)采礦工程實驗教學(xué)存在一些共性問題，并針對相關(guān)問題對采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗室教學(xué)體系建設(shè)提出建設(shè)意見，可為其他礦業(yè)高校虛擬仿真實驗室建設(shè)提供參考。

1 采礦工程專業(yè)傳統(tǒng)實驗室教學(xué)模式及存在的問題

隨著各礦業(yè)高校生源的不斷擴(kuò)招，使得學(xué)生人數(shù)增長速度過快與傳統(tǒng)實驗室資源不足的矛盾開始顯現(xiàn)。傳統(tǒng)的采礦工程專業(yè)實驗室會受到實驗設(shè)備價格昂貴、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，實驗教學(xué)輔助配合，對如礦井開采、井田開拓等難理解的抽象專業(yè)知識配合實驗講解[3]。傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)實驗教學(xué)主要形式是由實驗教師對實驗的原理和過程進(jìn)行講解，示范實驗操作，最后由學(xué)生操作完成實驗基本內(nèi)容，教師多注重是否完成實驗任務(wù)，缺少實驗過程中對創(chuàng)新思維的引導(dǎo)，這種“傳輸-接受”的實驗方式不利于提高學(xué)生的動手能力和對專業(yè)知識的理解，學(xué)生在實驗中的創(chuàng)新靈感因為實驗條件有限很難得到驗證和延伸，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力。

1.2 實驗時間和設(shè)備資源有限

一方面采礦工程專業(yè)實驗課時相對較少不利于學(xué)生實驗操作。另一方面大多數(shù)設(shè)備價格昂貴，經(jīng)費(fèi)投入不足，導(dǎo)致實驗室設(shè)備數(shù)量和種類較少，影響專業(yè)教學(xué)的正常開展。多數(shù)學(xué)生需對實驗進(jìn)行多次操作才能掌握該實驗，由于資源有限，學(xué)生往往只能對實驗進(jìn)行一次操作，這限制學(xué)生對知識的拓展。在采礦工程專業(yè)實驗課程中，會接觸到許多設(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)備的原理和過程，這樣會影響學(xué)生專業(yè)的抽象的理論知識和學(xué)習(xí)效果。

1.3 實驗教學(xué)管理問題

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

2 采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗室建立的必要性

目前已有很多礦業(yè)高校在采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗室建設(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驗室服務(wù)于學(xué)生教學(xué)工作和課題研究；中國礦業(yè)大學(xué)建立采礦虛擬仿真實驗平臺，用于教學(xué)和科研工作[5-6]；在這種形勢下，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）在2018 年建立采礦與安全虛擬仿真實驗室用于實驗教學(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)雜度高的典型實驗項目，顯著提高教學(xué)水平。在信息技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，虛擬仿真實驗室成為采礦工程專業(yè)實驗教學(xué)的重要組成部分，它能有效提高實驗室的合理利用和經(jīng)濟(jì)效果，提供豐富多彩的實驗內(nèi)容。

2.1 緩解實驗室受經(jīng)費(fèi)和資源限制的重要途徑

在采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗中，利用計算機(jī)的優(yōu)勢，通過虛擬仿真實驗?zāi)M真實的實驗儀器設(shè)備和實驗場景。學(xué)生可隨時隨地利用采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗平臺操作實驗，且實驗可重復(fù)的操作演示，讓學(xué)生完全掌握實驗的原理和過程。這既可以克服實地資源緊張的困難，減少課程時間和實驗設(shè)備的制約，使教學(xué)實驗時間更自由，也能夠降低認(rèn)識實驗的成本，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^合理有效的開放運(yùn)行機(jī)制管理虛擬仿真實驗室，服務(wù)學(xué)校的實驗教學(xué)計劃目標(biāo)，又服務(wù)師生設(shè)計的創(chuàng)新型科研實驗項目，提升實驗室使用效率，為教師科研項目提供必要的實驗需求。采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗室的建設(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)虛擬仿真實驗室在服務(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)，充分地共享實驗資源。

2.3 培養(yǎng)專業(yè)型人才的迫切需要

為國家培養(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，而這些知識的學(xué)習(xí)需不斷的實踐來鞏固。由于受到安全、環(huán)境、繁忙生產(chǎn)等因素的影響，學(xué)生難以在真實現(xiàn)代化礦井危險環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)和實驗。因此需要開設(shè)相關(guān)虛擬仿真實驗課程，通過采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗平臺使學(xué)生的專業(yè)實踐操作技能得到鍛煉，能獨(dú)立思考并解決遇到的實驗難題。

3 采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗室的教學(xué)體系建設(shè)

隨著虛擬仿真實驗室的建設(shè)逐漸增多，也出現(xiàn)了一些問題。如：院校虛擬仿真實驗室的教學(xué)資源整合與開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，對采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗室教學(xué)體系建設(shè)提出以下幾點有針對性的建議，實驗室教學(xué)體系建設(shè)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 虛擬仿真實驗室教學(xué)體系建設(shè)結(jié)構(gòu)

3.1 開放與共享虛擬仿真實驗室資源

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

3.2 加強(qiáng)虛擬仿真實驗室的教學(xué)隊伍建設(shè)

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

3.3 建立科學(xué)合理的虛擬仿真實驗室管理體系

科學(xué)合理的管理體系是促進(jìn)高校虛擬仿真實驗室的建設(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 虛擬仿真實驗室管理體系

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

3.4 采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗室課程教學(xué)模式

綜合考慮采礦工程的專業(yè)特點和實際情況，將采礦專業(yè)課程教學(xué)與虛擬仿真實驗結(jié)合，強(qiáng)化實踐教學(xué)，利用計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，將教學(xué)過程中存在的重難點內(nèi)容通過虛擬仿真的方式再現(xiàn)，使學(xué)生們對采礦課程的理解和掌握更加深刻。針對礦山的建設(shè)和開采，將礦山巷道、采煤方法、井田開拓方式、礦井通風(fēng)等專業(yè)知識展現(xiàn)給學(xué)生，通過虛擬仿真環(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)實踐。

4 結(jié)束語

采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗室的建設(shè)，實現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)和實驗室教學(xué)的深度融合。使學(xué)生能夠在虛擬仿真環(huán)境下開展實驗，實驗教學(xué)內(nèi)容更加生動有趣和豐富多彩，給傳統(tǒng)的采礦工程專業(yè)實驗教學(xué)注入新的活力。將采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗室與傳統(tǒng)采礦實驗室有效結(jié)合，對采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗室建設(shè)不斷推陳出新，將虛擬仿真實驗室建設(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。