雷 蕓，包申旭，王詠琴，杜貝貝

（武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院 湖北 武漢 430070）

隨著對虛擬仿真研究的不斷深入，虛擬仿真以其獨特的魅力在教學上得到了廣泛應用[1]。將開放式仿真引入實驗教學，借助互聯(lián)網(wǎng)在計算機或其他設備上模擬仿真實驗設備、器材以及實驗過程，給學生一種真實的體驗感[2]。與傳統(tǒng)教學模式相比，開放式虛擬仿真很好地拓展了教學空間，極大地放開教學主體，突破時間的約束以及教學資源的限制。我國現(xiàn)有礦業(yè)實驗教學部分采用工學結(jié)合、校企合作的教學模式，在最新倡導的開放式教學方針和辦學理念下，傳統(tǒng)模式教學不能很好地滿足這個要求[3]。在開放式仿真實驗平臺中，學生通過線上學習可以真實感受實驗操作流程，避免操作過程中可能出現(xiàn)的危險問題。相較于傳統(tǒng)的面對面教學，這種新型教學方式更好地提升了學生學習的積極性、主動性和創(chuàng)新性，而且促進了理論分析以及實踐能力的同時提升。因此，在礦業(yè)工程教學過程中引進開放式仿真技術進行教學改革，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 開放式仿真實驗教學模式研究的目的和意義

由于礦業(yè)實驗教學尚未形成完備的工學結(jié)合，校企合作的教學主體也還未很好地實施，尤其是新冠肺炎疫情暴發(fā)以來，一直強調(diào)居家隔離、學生上網(wǎng)課等疫情防控舉措，校企合作的教學模式就更加難以進行，同時教學空間有限，而且教學時段與生產(chǎn)實際不匹配，這些直接影響了礦物材料實驗教學新模式的推進[4]。且根據(jù)國家關于教育信息化的相關政策要求，教育部于2014、2015年相繼開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作，逐步推進高校實驗教學信息化建設與實驗教學改革與發(fā)展，建立了國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺，推進實踐資源的 “共建共享” 。因此，結(jié)合教育資源實際情況，建設與利用網(wǎng)絡平臺、實施網(wǎng)絡環(huán)境下的實驗教學模式將成為高校教學改革的重點。

以礦物材料系統(tǒng)實驗課程為載體，充分運用優(yōu)質(zhì)教學軟件和教學資源，通過建設礦物材料虛擬仿真實驗素材庫，區(qū)域性資源整合的數(shù)字化平臺，實現(xiàn)全國性教學資源的共享，建立高校網(wǎng)絡環(huán)境下的虛擬仿真實驗教學新模式。將開放式仿真實驗室引入實驗教學中，突破傳統(tǒng)的面對面教學方式以及時間和空間的限制，不僅能有效解決傳統(tǒng)教學面臨的教育難題，還能更好地提高學生的學習興趣和效率。在開放式仿真實驗教學模式的引導下，將構(gòu)建3個層次的教學過程，包括課堂示范教學、課程實踐教學和開放式仿真實驗教學（如圖1），使其能夠在有限的資源背景下充分實現(xiàn)教學的個性化，滿足多任務、重開放、探索式的教學活動[5]。

圖1 多層次開放式仿真實驗教學模式

2 開放式仿真實驗教學模式的內(nèi)容

2.1 改革實驗課程教學，優(yōu)化教學形式

結(jié)合學生的認知能力和生活經(jīng)歷，在課程中融入新的教學模式，創(chuàng)設新的教學情景導入新課，激發(fā)學生主動探索的欲望。采用豐富的互動教學形式，包括師生互動、生生互動及人機互動方式，鼓勵學生提出質(zhì)疑，發(fā)表自己的觀點，改變學生的被動角色，讓學生自主學習[6]。

2.2 改革教學模式，探索開放式仿真實驗教學體系

充分利用我院礦物加工資源與環(huán)境湖北省重點實驗室的儀器設備和師資力量，探索開放式仿真實驗教學的方法，并完善新型教學模式體系。通過將其融入礦業(yè)工程的課程教學中來改善傳統(tǒng)教育存在問題，進而廣泛地應用到實驗技能競賽、創(chuàng)新實驗設計競賽、實驗模型制作競賽、數(shù)學建模競賽等各類競賽中。

2.3 研究產(chǎn)學結(jié)合的教育教學模式

將學校中的教學和科研與企業(yè)中的生產(chǎn)聯(lián)合起來培養(yǎng)優(yōu)秀人才，可以進一步提高學生的學習興趣和積極主動性，同時培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，提升學生對專業(yè)知識的掌握、應用和創(chuàng)新能力，全面提升學生的綜合素質(zhì)。

2.4 虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)建

以模塊化教學系統(tǒng)為設計理念，通過分析實驗教學系統(tǒng)的組成、工作原理、操作邏輯等內(nèi)容，架構(gòu)開放式仿真實驗教學素材庫，可分為：計算機模塊、電源模塊和輸入/輸出模塊（如圖2）。

圖2 開放式仿真實驗教學素材庫模塊化架構(gòu)

其中，計算機模塊主要是用模型模擬線下實驗教學內(nèi)容及過程，包括正常信號處理、故障處理及自檢等內(nèi)容，通過3D建模軟件構(gòu)建三維模型，從而在計算機上進行教學的過程。電源模塊虛擬模擬通電邏輯電路來控制電路的開關，以及對故障等情況的處理，利用軟件建模的形式，在系統(tǒng)內(nèi)部采用程序語言實現(xiàn)電源模塊的正常與非正常操作。輸入模塊包括信號源識別、控制面板和操作機構(gòu)等內(nèi)容，采用幾何建模的方式，利用3D建模軟件構(gòu)建教學中需要操作學習的設備或儀器等的三維模型，通過控制面板和操作機構(gòu)模擬實驗過程。輸出模塊以音頻、儀表和反饋機構(gòu)等內(nèi)容展示，最后利用圖像渲染前面步驟的結(jié)果來達到對實驗過程的圖形化仿真[7]。

構(gòu)建礦業(yè)工程專業(yè)開放式仿真實驗平臺的重點是滿足于多層次、模塊化、探索式的研究性教學，構(gòu)建的重心及目的是形成全面性和研究性實驗（如圖3，p62）。以解決實際問題為出發(fā)點，在開放式仿真實驗平臺進行環(huán)境設置和內(nèi)容設置，一方面提供交互、開放、自助的實驗場景，增強實驗過程的體驗，另一方面模擬實驗設備、實驗工藝和實驗過程等多層次、模塊化的實驗內(nèi)容，以進一步鍛煉學生綜合運用知識與解決實際問題的能力[8]。

圖3 開放式仿真實驗平臺的構(gòu)建路線

3 開放式仿真實驗教學模式的優(yōu)勢

3.1 豐富教學主體及教學形式

傳統(tǒng)的教學模式是老師一人講解，學生跟隨老師和課本按部就班做任務，很少進行思考、創(chuàng)新，而新型的開放式仿真實驗教學模式的教學主體將不單單是校內(nèi)老師，還可以邀請校外相關專業(yè)的專家進行網(wǎng)上授課，或聯(lián)合企業(yè)將實際生產(chǎn)現(xiàn)場與理論知識一同傳輸給學生。學生通過對企業(yè)生產(chǎn)實況進行觀察，線上模擬實習，更好地理解理論與生產(chǎn)之間的聯(lián)系，更有利于學生職業(yè)技能的提升。仿真實驗教學不僅能真實模擬實際操作，針對某些實驗課程，還可以通過線上仿真實驗的反應過程，利用分子模型構(gòu)建反應中分子或原子的變化。相較于傳統(tǒng)模式，采用這種方式，學生能夠更真實、直觀地了解反應過程中的變化，將抽象具體化，微觀宏觀化，更有利于加深學生的記憶[9]。

3.2 拓展教學空間

傳統(tǒng)教學模式是在特定的空間進行，如某些實驗課程，學生必須在特定的時間到指定的實驗室做實驗，如遇到請假等情況就不能參與此次課程。新教學模式不僅僅局限于實驗室，在仿真平臺中，學生只要在有網(wǎng)絡的地方就可以隨時隨地進行學習，不需要統(tǒng)一安排實驗室，安排時間。學生可以在任何空閑的時間進行學習和操作，尤其是現(xiàn)在疫情反復，難免會遇到居家隔離的情況，開放式仿真實驗教學不僅能保證教學任務的順利進行，還符合疫情防控的需求；針對一些比較難的實驗課程，學生難以在傳統(tǒng)教學課時掌握學習內(nèi)容，同時學生缺乏實驗操作的熟練度，僅能在傳統(tǒng)教學時間操練一遍實驗流程。但是仿真平臺建立后，只要登錄學生客戶端，學生就可以反復觀看課程內(nèi)容，重復操練實驗流程，有利于學生更加深入地學習理論知識，熟練實驗操作流程[10]。

3.3 打破教學時段限制

為了培養(yǎng)具有實用性、實效性的人才，現(xiàn)有礦業(yè)實驗教學部分采用校企合作的教學模式。但是由于企業(yè)實際生產(chǎn)的時間段與教學時段之間不能很好地統(tǒng)一，在傳統(tǒng)的教學模式下不能做到理論知識和生產(chǎn)實踐的同時學習，而利用開放式仿真平臺就可以很好地避免這一難題，學生在理論學習的同時，還可以實時觀察企業(yè)生產(chǎn)線上的工作，借助仿真模型，學生還能實際感受生產(chǎn)操作，也更容易加深記憶[11]。

3.4 提高資源共享性

利用網(wǎng)絡建立開放式仿真實驗教學平臺，能更好地增加交流，更好地進行資源共享[12]。礦業(yè)工程專業(yè)實驗室的一些大型設備比較有限，而且很多儀器精密度比較強，如紅外儀器，學生不能親自動手操作，僅僅通過老師短時間的講解、演練去了解設備，因此很多時候?qū)W生對這些儀器會很陌生，也不利于學生技能的培養(yǎng)[13]。目前學生人數(shù)隨著高校的擴招不斷上升，即使普通的儀器設備亦不能滿足所有學生的同時使用。由于學時的限制，分組實驗不能滿足每個學生的動手操作，而利用仿真引入儀器分析，構(gòu)建儀器模型，可以讓學生更真實地感受某些儀器的構(gòu)造，還能模擬這些儀器的使用操作，更加方便學生的學習以及實踐[14]。

3.5 提高安全性

礦業(yè)工程教學過程中涉及企業(yè)實習和實驗室課程，因此可能存在一些安全隱患。首先企業(yè)有很多大型的儀器設備，復雜生產(chǎn)過程及電路，這些對于沒有生產(chǎn)實踐的學生來說都是一些潛在的危險[15]。即使是校內(nèi)實驗也會存在一定的危險，如實驗室里很多藥品屬于危險品，特別是一些涉及易制毒、易制爆藥品，如硫酸、鹽酸、硝酸和高錳酸鉀。這些藥品、藥劑如果使用不當對人體會產(chǎn)生很大的傷害[16]。但在仿真平臺里，這些危險可以避免。對于一些由于危險系數(shù)太大而取消的實驗，仿真平臺里也能實現(xiàn)，保障安全的同時，也擴寬了學生的知識面。

3.6 提升學習的積極主動性和創(chuàng)新性

在礦業(yè)工程教學中，學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也必須融入實驗教學過程中。但是由于傳統(tǒng)教學形式單一，并不利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。開放式仿真實驗教學可以很好地做到產(chǎn)學結(jié)合；將課程中分散的理論與實踐知識系統(tǒng)化、整體化，更有利于不同學科的知識交流，對學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的進一步提高有很大的幫助。傳統(tǒng)的教學模式一般讓學生進行分組實驗，小組活動就經(jīng)常有個別同學會有偷懶現(xiàn)象，總想著依靠組員，這樣的方式很難調(diào)動學生的學習積極性，而新型教學方式采用豐富的互動形式，并且可以滿足一人一組，更有利于調(diào)動學生的積極性，讓學生自愿主動地學習。

3.7 貼合學生的培養(yǎng)目標

新型教學模式更加符合礦物工程類專業(yè)人才的培養(yǎng)目標，將生產(chǎn)、教學、科研結(jié)合起來培養(yǎng)人才，同時增強學生的理論知識和技術能力，減少學生與企業(yè)所需人才之間的差距，更有利于高科技人才的培養(yǎng)[17]。

4 結(jié)論

以礦業(yè)工程實驗課程為載體，建設仿真實驗平臺，采取開放式教學模式，打破了傳統(tǒng)教學中時間、空間以及教學主體的限制，增加了更多的學科知識，實驗課程內(nèi)容，也更好地激發(fā)學生的思維創(chuàng)新，滿足多任務、重開放、探索式的教學活動。開放式仿真實驗教學模式更緊密地聯(lián)合了理論知識與生產(chǎn)實際，更貼合礦業(yè)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標。