劉音，孫彪，陳靜，劉震，徐鶴翔

（1.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山東 青島）

一 引言

我國(guó)礦山生產(chǎn)存在著嚴(yán)重的粉塵職業(yè)危害，威脅工人的生命健康[1-2]。中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布的“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要明確提出：加強(qiáng)高危粉塵等職業(yè)病危害源頭治理[3]。因此對(duì)安全工程、采礦工程等專業(yè)開展礦山環(huán)境粉塵職業(yè)危害防控綜合訓(xùn)練非常有必要，但礦山粉塵防治實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有大型化、高成本、高維護(hù)、操作危險(xiǎn)等特殊性，難以在有限空間內(nèi)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，在這種背景下，開展礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程建設(shè)就顯得尤為緊迫和重要。

虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)理念、教學(xué)模式、教學(xué)方法和手段的深刻變革，在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[4-5]，近年來(lái)陸續(xù)有高校圍繞礦山生產(chǎn)及災(zāi)害防治領(lǐng)域開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)，效果顯著[6-9]，但目前還沒(méi)有一所高校開展礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。山東科技大學(xué)礦山粉塵防治教學(xué)團(tuán)隊(duì)，依托安全工程國(guó)家一流本科專業(yè)、《礦井通風(fēng)與安全》國(guó)家一流課程、國(guó)家教學(xué)名師及其科研團(tuán)隊(duì)在礦山粉塵防治領(lǐng)域近二十余年的研究成果，寓研于教，結(jié)合最先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，開展礦山粉塵防治虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、應(yīng)用與推廣。

本文旨在從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)過(guò)程創(chuàng)新等方面，探索礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)新思路、新路徑，為高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考。

二 礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)搭建

礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目以真實(shí)礦山為工程背景，涵蓋粉塵基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)體防護(hù)、粉塵防治技術(shù)工藝、粉塵檢測(cè)與監(jiān)測(cè)4 個(gè)模塊，53 個(gè)交互性步驟。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采取校企合作模式，利用VR、3D 仿真技術(shù)及Unity3D、Maya、ZBrush工具搭建礦山粉塵職業(yè)危害虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)（見圖1），支撐虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行的架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、支撐層、通用數(shù)據(jù)層、仿真層以及應(yīng)用層等五層，每一層均為其上層提供服務(wù)，直到完成具體虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建。依托于開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)，學(xué)生可以隨時(shí)隨地通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并通過(guò)平臺(tái)提供的面向用戶的智能指導(dǎo)、自動(dòng)批改服務(wù)功能，提升學(xué)習(xí)效果。

圖1 礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)

三 礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

（一） 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目圍繞實(shí)驗(yàn)所屬的《礦井通風(fēng)與安全》課程教學(xué)大綱，針對(duì)礦山環(huán)境粉塵防治涉及的知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)建了高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并與行業(yè)企業(yè)對(duì)接，將礦山粉塵防治案例和本團(tuán)隊(duì)的最新科研成果融入到本實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)圍繞“粉塵介紹與危害”“個(gè)體防護(hù)”“粉塵防治技術(shù)工藝”“粉塵檢測(cè)與監(jiān)測(cè)”四大模塊，系統(tǒng)構(gòu)建了礦山粉塵職業(yè)危害防治虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系（見圖2）。

圖2 礦山粉塵職業(yè)危害防治虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系

（二） 實(shí)驗(yàn)步驟仿真設(shè)計(jì)

針對(duì)礦山粉塵職業(yè)危害多維度、多因素特征，采用虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、三維建模等計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，建設(shè)完成了礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)步驟仿真設(shè)計(jì)。

首先，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還原礦山粉塵爆炸的致災(zāi)場(chǎng)景、塵肺病的病發(fā)機(jī)理，讓學(xué)生在虛擬場(chǎng)景中切身體驗(yàn)礦山粉塵職業(yè)危害的震撼場(chǎng)景（見圖3）。其次，通過(guò)設(shè)計(jì)礦山生產(chǎn)場(chǎng)景中掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、通風(fēng)機(jī)、注水管網(wǎng)、高壓水泵以及粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等核心要素，以現(xiàn)實(shí)實(shí)體客觀結(jié)構(gòu)、功能為原型進(jìn)行虛擬仿真，使學(xué)生能夠在絕對(duì)安全的仿真場(chǎng)景中開展大型綜合訓(xùn)練，反復(fù)設(shè)計(jì)并演練通風(fēng)除塵、注水減塵、噴霧降塵等技術(shù)工藝，深刻理解粉塵監(jiān)測(cè)技術(shù)與原理（見圖4）。此外，通過(guò)設(shè)計(jì)個(gè)體防護(hù)、化學(xué)抑塵以及粉塵檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠多次、重復(fù)實(shí)驗(yàn)，從而扎實(shí)、全面掌握個(gè)體防護(hù)用品類型與使用方法、抑塵劑制備實(shí)驗(yàn)步驟以及粉塵采樣與檢測(cè)方法等知識(shí)點(diǎn)（見圖5）。最后，通過(guò)題庫(kù)完成實(shí)驗(yàn)隨機(jī)測(cè)試，結(jié)合實(shí)驗(yàn)報(bào)告及答疑情況完成實(shí)驗(yàn)綜合考核（見圖6）。

圖3 粉塵爆炸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

圖4 通風(fēng)除塵實(shí)驗(yàn)工程設(shè)計(jì)場(chǎng)景

圖5 個(gè)體防護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)景

圖6 隨機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)考核環(huán)節(jié)

四 礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)特色與創(chuàng)新

近年來(lái)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)快速發(fā)展，教學(xué)方法也在相應(yīng)變化，虛擬仿真教學(xué)已經(jīng)成為新時(shí)代發(fā)展產(chǎn)物，對(duì)于新型人才的培養(yǎng)具有積極意義[10-16]。

本實(shí)驗(yàn)充分挖掘“礦山粉塵職業(yè)危害基礎(chǔ)理論”“個(gè)體防護(hù)”“粉塵防控技術(shù)工藝”“粉塵檢測(cè)與監(jiān)測(cè)”各部分知識(shí)內(nèi)容的內(nèi)在特點(diǎn)，針對(duì)性設(shè)計(jì)與之相適應(yīng)的“沉浸式學(xué)習(xí)”“互動(dòng)式學(xué)習(xí)”“自主實(shí)踐”“創(chuàng)新探究”等教學(xué)方法，并沿著“基礎(chǔ)認(rèn)知—工程設(shè)計(jì)—綜合實(shí)踐—研究探索”這一學(xué)習(xí)實(shí)踐過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)點(diǎn)全流程進(jìn)階設(shè)計(jì)（見圖7）。

圖7 礦山粉塵防治虛擬仿真教學(xué)方法與實(shí)踐過(guò)程設(shè)計(jì)

（一） 實(shí)驗(yàn)方法多樣化

（1）通過(guò)沉浸式學(xué)習(xí)，借助VR 技術(shù)使學(xué)生在三維動(dòng)畫虛擬仿真中切身體驗(yàn)礦山粉塵職業(yè)危害產(chǎn)生的塵肺演變、粉塵爆炸等震撼場(chǎng)景，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)礦山粉塵職業(yè)危害防控知識(shí)體系的系統(tǒng)認(rèn)知。

（2）通過(guò)互動(dòng)式學(xué)習(xí)，基于問(wèn)題導(dǎo)向，讓學(xué)生結(jié)合礦山粉塵職業(yè)危害防控技術(shù)開展探究式學(xué)習(xí)，自主設(shè)計(jì)防控技術(shù)與工藝，提高學(xué)生應(yīng)對(duì)實(shí)際解決復(fù)雜安全工程問(wèn)題的能力。

（3）通過(guò)設(shè)計(jì)交互性實(shí)驗(yàn)步驟，使學(xué)生能夠切身沉浸于“個(gè)體防護(hù)、通風(fēng)除塵、注水減塵、噴霧降塵、化學(xué)抑塵以及粉塵檢測(cè)與監(jiān)測(cè)”等實(shí)驗(yàn)?zāi)K的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)“自主實(shí)踐”與“創(chuàng)新探究”兩種學(xué)習(xí)方式的有機(jī)結(jié)合，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。

（二） 實(shí)驗(yàn)過(guò)程自主化

（1）學(xué)生可以通過(guò)Web 網(wǎng)頁(yè)隨時(shí)進(jìn)入礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，注冊(cè)后，即可登錄實(shí)驗(yàn)。通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容菜單，自主選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)K，也可逐一進(jìn)行教學(xué)與考核模式的學(xué)習(xí)，其中教學(xué)模式是以教師講授與系統(tǒng)提示為主的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，而考核模式則需要學(xué)生根據(jù)掌握的知識(shí)點(diǎn)自主完成。

（2）學(xué)生在實(shí)操過(guò)程中，可以針對(duì)個(gè)體防護(hù)、礦山粉塵防治技術(shù)工藝、粉塵檢測(cè)與監(jiān)測(cè)等實(shí)驗(yàn)步驟自主開展參數(shù)測(cè)算、工藝設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)模擬，并可反復(fù)演練，有助于提高學(xué)生解決復(fù)雜安全工程問(wèn)題的能力。

（3）學(xué)生可通過(guò)預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)步驟考核與答題測(cè)試考核，實(shí)時(shí)了解操作過(guò)程及得分情況，并能夠通過(guò)自身上傳的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，自主查看實(shí)驗(yàn)成績(jī)，方便對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握的薄弱項(xiàng)進(jìn)行查缺補(bǔ)漏，從而再實(shí)踐。

（三） 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新多維化

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路新。充分考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備，采用進(jìn)階式實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，由最初對(duì)礦山粉塵介紹與危害的基礎(chǔ)理論的設(shè)計(jì)，向掌握個(gè)體防護(hù)、礦山粉塵防控技術(shù)工藝以及粉塵檢測(cè)與監(jiān)測(cè)等實(shí)驗(yàn)?zāi)K的全流程設(shè)計(jì)進(jìn)階，從而形成完備的理論與技術(shù)體系，系統(tǒng)地培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法新。沉浸式學(xué)習(xí)有利于學(xué)生對(duì)礦山粉塵職業(yè)危害實(shí)現(xiàn)自主認(rèn)知；互動(dòng)式學(xué)習(xí)有助于激發(fā)學(xué)生針對(duì)不同生產(chǎn)區(qū)域，解決粉塵防控技術(shù)與工藝能力；實(shí)踐與探究則對(duì)提高學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)與批判思維能力有較好的效果。

（3）實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系新。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與過(guò)程考核相結(jié)合，步驟測(cè)試與隨機(jī)測(cè)試相結(jié)合，構(gòu)建了學(xué)生質(zhì)疑與教師仲裁，面向結(jié)果與面向過(guò)程的全方位考核評(píng)價(jià)體系，較為客觀地評(píng)價(jià)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

五 推廣應(yīng)用

礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制，實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合、線上線下混合式學(xué)習(xí)，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，有效培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新、實(shí)踐能力和思辨能力。目前該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已上線實(shí)驗(yàn)空間，瀏覽量達(dá)15000 人次，已服務(wù)學(xué)生2900 余人，并已成功推廣至內(nèi)蒙古科技大學(xué)、安徽理工大學(xué)等多所高校和山東能源集團(tuán)有限公司等企業(yè)，得到普遍認(rèn)可。項(xiàng)目在使用過(guò)程中也同時(shí)收集學(xué)生、教師和企業(yè)等的反饋意見，不斷加以持續(xù)改進(jìn)，有望在更多學(xué)校、企業(yè)以及全國(guó)范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。