收稿日期：2024-04-24

作者簡介：尹博，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院副教授，博士

基金項目：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)虛擬仿真實驗課程建設(shè)項目“煤礦充填開采虛擬仿真實驗”（XN2021008）；內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)核心課程建設(shè)項目“生態(tài)礦山建設(shè)理論與技術(shù)”（YHX202115）；內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)團隊建設(shè)項目“煤礦綠色開采虛擬仿真實驗教學(xué)團隊”（2023年）

通訊作者：鄔鑫

摘" " 要：煤礦充填開采是采礦工程專業(yè)課程的重點學(xué)習(xí)內(nèi)容。受限于“實驗貴、下井難”等客觀問題，煤礦充填開采實踐教學(xué)效果難以滿足新工科背景下礦業(yè)類人才培養(yǎng)要求。文章結(jié)合煤礦充填開采虛擬仿真實驗系統(tǒng)建設(shè)思路與架構(gòu)特征，從煤礦充填開采實驗原理和知識結(jié)構(gòu)入手，探討了虛擬仿真技術(shù)如何在煤礦充填開采實驗教學(xué)中發(fā)揮作用，系統(tǒng)闡述了煤礦充填開采虛擬仿真實驗的教學(xué)方法與應(yīng)用過程，總結(jié)分析了煤礦充填開采虛擬仿真的教學(xué)特色，展望了其未來發(fā)展?fàn)顩r，以期促進煤礦充填開采實驗教學(xué)的發(fā)展與進步，為虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于采礦工程專業(yè)實踐教學(xué)改革提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；采礦工程；充填開采；教學(xué)改革

中圖分類號：G642" " " " " 文獻標(biāo)識碼：A" " " " " "文章編號：1002-4107（2024）09-0075-05

隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)增長，煤炭產(chǎn)量隨之快速提高，但煤炭資源高強度開采的背后存在煤基固廢大規(guī)模排放、環(huán)境容量超標(biāo)、生態(tài)與水資源破壞和因采煤引起的地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)等一系列問題。煤礦充填開采技術(shù)作為解決煤基固體廢棄物大規(guī)模處理及因煤炭開采導(dǎo)致的地表沉陷、地質(zhì)災(zāi)害、生態(tài)破壞等問題的重要手段，是煤炭資源安全、高效、綠色開采的重要組成部分[1]。對于高校而言，煤礦充填開采是采礦工程專業(yè)核心知識內(nèi)容，充填開采因具有知識點多、實踐性強、涉及學(xué)科領(lǐng)域廣等特點，導(dǎo)致僅依靠理論、圖片、視頻等授課方式無法滿足新工科背景下學(xué)生實踐教學(xué)的要求，亟須強化實驗和實習(xí)等實踐教學(xué)手段，加深學(xué)生對充填開采知識的理解與掌握[2]?，F(xiàn)有教學(xué)條件下，多數(shù)礦業(yè)類高校充填開采實踐教學(xué)面臨“實驗貴、下井難”的現(xiàn)實困難，一方面，高校無力實現(xiàn)設(shè)備多、系統(tǒng)性強、復(fù)雜性高、成本高昂的充填開采實驗；另一方面，煤礦危險性大、安全生產(chǎn)責(zé)任重大，在校學(xué)生很難到煤礦現(xiàn)場實習(xí)，導(dǎo)致實踐教學(xué)效果極不理想。

近十年來，虛擬仿真技術(shù)和實驗教學(xué)的融合發(fā)展模式逐漸成為落實高等教育數(shù)字化戰(zhàn)略與新時代實驗教學(xué)建設(shè)的重要舉措[3-4]。目前，虛擬仿真實驗教學(xué)已在國內(nèi)高校多個學(xué)科得到成功應(yīng)用，在很大程度上助推了高校實驗教學(xué)改革，對于培養(yǎng)高質(zhì)量人才起到了重要的作用。隨著虛擬仿真技術(shù)的普及，將其應(yīng)用于煤礦等高危行業(yè)及其專業(yè)教學(xué)也得到廣泛重視，現(xiàn)已在煤礦綜采裝備、采煤工藝和災(zāi)害防治等實驗教學(xué)中開展了探索和應(yīng)用[5-7]，并取得了較滿意的教學(xué)效果。為解決煤礦充填開采實踐教學(xué)面臨的難題，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)煤礦綠色開采虛擬仿真實驗教學(xué)團隊基于“兩性一度”的課程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，采用先進的虛擬仿真技術(shù)和現(xiàn)代信息化教學(xué)理念，依靠高逼真度的三維虛擬技術(shù)，還原煤礦井下充填開采工作場所的真實環(huán)境，構(gòu)建了煤礦充填開采虛擬仿真教學(xué)實驗系統(tǒng)。本文結(jié)合煤礦充填開采虛擬仿真教學(xué)實驗教學(xué)特點，從實驗原理和知識結(jié)構(gòu)入手，探討虛擬仿真技術(shù)如何在充填開采實驗教學(xué)中發(fā)揮作用，分析通過虛擬仿真實驗教學(xué)如何實現(xiàn)知識、能力和素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，以期促進充填開采實驗教學(xué)的發(fā)展與進步，為虛擬仿真技術(shù)在采礦工程專業(yè)的應(yīng)用提供參考。

一、實驗原理與知識結(jié)構(gòu)

（一）實驗原理

煤礦充填開采是指將煤矸石破碎后與粉煤灰、水泥和水混合，按照預(yù)制配比攪拌制漿所形成的（似）膏體充填材料，通過管道泵送至井下采空區(qū)進行充填采煤，充填后的采空區(qū)可有效控制采礦引起的上覆巖層移動破壞，進而可減緩地表沉陷程度、減小水資源流失量、降低植被破壞規(guī)模和大規(guī)模消納煤基固廢。煤礦充填開采系統(tǒng)主要由矸石破碎系統(tǒng)、充填料漿配比攪拌系統(tǒng)、漿體泵送系統(tǒng)、管道輸送系統(tǒng)和井下充填系統(tǒng)等5個子系統(tǒng)組成。充填工藝復(fù)雜，牽涉設(shè)備多且運行過程不可視，各子系統(tǒng)銜接配合過程煩瑣，若僅通過枯燥無味的傳統(tǒng)理論方式講授，學(xué)生將難以理解，進而不愿學(xué)，其教學(xué)效果也難以保障。在此背景下，2021年內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)組建煤礦綠色開采虛擬仿真實驗教學(xué)團隊，進行了煤礦充填開采計算機虛擬化實驗教學(xué)的探索，經(jīng)過近兩年的課程建設(shè)，初步建成了煤礦充填開采虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)。

（二）知識結(jié)構(gòu)

基于知識、能力、素質(zhì)的有機融合原則，煤礦充填開采虛擬仿真實驗教學(xué)共計6學(xué)時，由1門實驗課程支撐2門專業(yè)課程的2個實驗內(nèi)容，即煤礦充填開采虛擬仿真實驗服務(wù)于采礦工程專業(yè)本科四年級“煤礦

綠色開采”課程實驗中的煤礦充填開采實驗（4學(xué)時）和“礦山壓力與巖層控制”課程實驗中的充填開采控制覆巖移動實驗（2學(xué)時）。煤礦充填開采虛擬仿真實驗緊密圍繞理論教學(xué)內(nèi)容，形成了“F-3T”知識結(jié)構(gòu)圖譜（如圖1所示），即5個知識模塊（Five）、10個知識點（Ten）、3個實驗項目卡（Three）、2門專業(yè)理論課程（Two）。

二、課程中的應(yīng)用

（一）煤礦充填開采虛擬仿真實驗系統(tǒng)簡介

煤礦充填開采虛擬仿真實驗系統(tǒng)通過構(gòu)建高精度的煤礦充填生產(chǎn)三維虛擬仿真漫游場景，真實還原煤礦充填開采的地面充填站和井下充采工作面生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，立體再現(xiàn)煤礦充填生產(chǎn)全過程。在“不下井”的條件下，學(xué)生可在PC端、VR端共享三維虛擬實驗資源體驗，學(xué)習(xí)井上下充填生產(chǎn)作業(yè)過程，引導(dǎo)學(xué)生通過細膩的現(xiàn)場沉浸感加深對井下采煤工作面真實作業(yè)環(huán)境的熟悉度，幫助學(xué)生建立充填系統(tǒng)的感性認識，促使學(xué)生建立起對充填生產(chǎn)環(huán)境、工藝流程、關(guān)鍵步驟及主體設(shè)備的全局認識。此外，學(xué)生通過交互式操作可開展充填系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備認知、充填材料制備及充填體力學(xué)性能、充填材料井上下輸送、充填技術(shù)工藝流程、充填開采控制地表沉陷機理等知識模塊的虛擬仿真實驗。通過多層次、多結(jié)構(gòu)、多角度體系化的實驗內(nèi)容，充分利用虛擬仿真教學(xué)技術(shù)優(yōu)勢，讓學(xué)生身處煤礦虛擬環(huán)境中模擬真實的井下工作，幫助學(xué)生系統(tǒng)全面地掌握充填采煤的技術(shù)知識，有效彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)手段的不足，更好地培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維，以此打造適應(yīng)新時代礦業(yè)人才特點的新培養(yǎng)方式，探索傳統(tǒng)行業(yè)教學(xué)方式改革的新途徑。

（二）實驗教學(xué)方法

采用沉浸式、交互式、自主式和反思式相結(jié)合的實驗教學(xué)方法，以此培養(yǎng)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，拓展學(xué)生動手能力。如表1所示。學(xué)生若想順利通過實驗考核必須進行前期課下的預(yù)習(xí)、計算等自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，否則在實驗交互式操作過程中會出現(xiàn)由于不當(dāng)操作引發(fā)一系列扣分，如充填材料配比不合理導(dǎo)致充填體力學(xué)性能不達標(biāo)，進而導(dǎo)致控制地表沉陷效果不理想；充填開采工序顛倒，造成充填輸送管路發(fā)生堵管事故；充填開采移架發(fā)生操作失誤，引發(fā)人員傷亡的生產(chǎn)事故。同時，融入理論課程中的原理、方法和技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用相關(guān)知識構(gòu)建綜合設(shè)計型實驗項目，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。通過理論教學(xué)與實踐教學(xué)的綜合訓(xùn)練，進一步促進學(xué)生對采煤方法及礦壓控制等理論知識中的重點與難點的理解，提高學(xué)生未來在煤礦現(xiàn)場生產(chǎn)組織、管理的綜合能力。以此培養(yǎng)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的工程問題發(fā)現(xiàn)意識。

與此同時，實驗引入課程思政元素，如國家對能源的戰(zhàn)略需求、內(nèi)蒙古自治區(qū)能源產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢和未來發(fā)展趨勢及現(xiàn)代化煤礦現(xiàn)實面貌及作業(yè)環(huán)境等內(nèi)容，一方面培養(yǎng)學(xué)生從事煤礦高危行業(yè)“安全為天”的責(zé)任意識，另一方面以“大國工匠精神”和“國家工程師獎”為思政宣傳榜樣，融合最新充填科技研究成果，引導(dǎo)學(xué)生樹立“學(xué)一行、干一行、愛一行”的愛崗敬業(yè)精神與礦業(yè)工匠精神，培養(yǎng)學(xué)生對礦業(yè)行業(yè)的專業(yè)認同感及自豪感。

（三）實驗教學(xué)過程

結(jié)合課程教學(xué)要求和虛擬仿真實驗所實現(xiàn)的功能，煤礦充填開采虛擬仿真實驗共設(shè)置4個環(huán)節(jié)，包括預(yù)習(xí)、理論測試、虛擬實驗和實驗結(jié)果評價，共計17個實驗步驟，其中交互性操作步驟14個。實驗教學(xué)采用線下線上混合的方式進行，線下主要由學(xué)生根據(jù)實驗要求進行VR仿真實驗和集中實驗，熟悉整套仿真系統(tǒng)的使用方法及實驗步驟；線上學(xué)生可進行預(yù)習(xí)、理論測試和虛擬實驗。除此之外，專業(yè)教師還可進行集中教學(xué)管理、資源管理、考核管理和報告審核存儲等，實現(xiàn)無紙化考核。

1.預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)

按教學(xué)要求，學(xué)生先開始線下預(yù)習(xí)，自主學(xué)習(xí)煤礦充填開采相關(guān)知識點，進入預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)意味著學(xué)生已完成知識點預(yù)習(xí)，利用不少于5分鐘時間觀看虛擬仿真實驗教學(xué)引導(dǎo)視頻，學(xué)習(xí)系統(tǒng)操作要點和相關(guān)評分標(biāo)準(zhǔn)。完成上述預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)方能進入下一環(huán)節(jié)。

2.理論測試環(huán)節(jié)

學(xué)生完成預(yù)習(xí)后進行煤礦充填開采方法、工藝技術(shù)、充填系統(tǒng)組成、充填關(guān)鍵設(shè)備構(gòu)成及功能特點、充填開采控制地表沉陷原理等相關(guān)理論知識的測試。測試內(nèi)容為預(yù)習(xí)部分的知識點，以客觀題試題庫形式隨機抽取測試題。理論測試通過者進入下一環(huán)節(jié)，不通過者重新進入預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)進行二次學(xué)習(xí)，三次理論測試不通過者，視為本次學(xué)習(xí)成績不及格。此步驟設(shè)置目的是讓學(xué)生更好地掌握煤礦充填開采關(guān)鍵知識點，同時也為下一步開展實驗環(huán)節(jié)奠定必要的知識儲備。

3.虛擬實驗環(huán)節(jié)

理論測試通過后，進入虛擬實驗環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)為充填開采虛擬仿真實驗的核心部分，根據(jù)實驗內(nèi)容分步進行充填系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備認知、充填材料制備及充填體力學(xué)性能、充填料漿井上下輸送、充填技術(shù)工藝流程和充填開采控制地表沉陷機理等知識模塊的學(xué)習(xí)。

（1）充填系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備認知。充填系統(tǒng)和設(shè)備認知模塊的建設(shè)目的是促進學(xué)生在初始學(xué)習(xí)階段能夠快速熟悉整個充填開采系統(tǒng)的構(gòu)成，便于后續(xù)實驗的開展。當(dāng)進入實驗系統(tǒng)后，界面即刻顯示高逼真的充填地面站場景，該場景取景于國內(nèi)真實礦井充填站環(huán)境，可在VR端通過操控手柄在充填站內(nèi)進行漫游參觀。充填站內(nèi)按功能劃分有矸石破碎區(qū)、充填原材料儲存區(qū)、充填材料制備攪拌區(qū)和料漿泵送區(qū)等區(qū)域，學(xué)生可根據(jù)箭頭提示分別找到學(xué)習(xí)任務(wù)對應(yīng)的相關(guān)地點及設(shè)備，并在相應(yīng)區(qū)域完成設(shè)備名稱輸入，隨即分別彈出各個設(shè)備的工作原理演示，再將各個零散的設(shè)備分別拼裝成矸石破碎系統(tǒng)、配比攪拌系統(tǒng)及管道輸送系統(tǒng)，獲得該步驟設(shè)定的實驗分值。通過沉浸式和交互式學(xué)習(xí)可提高學(xué)生對煤礦充填開采系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備組成及設(shè)備功能和工作原理的直觀認識，增加充填生產(chǎn)系統(tǒng)的理解深度。（2）充填材料制備及充填體力學(xué)性能。充填材料制備及充填體力學(xué)性能是“煤礦綠色開采”課程實驗的重要組成部分，學(xué)生在實驗室觀摩與實操完成粉煤灰、煤矸石和水泥等充填原材料配比、制備，充填料漿坍落度、泌水率、凝結(jié)時間、流變性能和力學(xué)性能等實驗測試后，進入虛擬實驗學(xué)習(xí)場景，按照實驗方法通過PC端重新操作充填材料制備及充填體力學(xué)性能測試，并得到充填材料合理配比和性能參數(shù)。再將此參數(shù)輸入至虛擬的煤礦充填工業(yè)控制系統(tǒng)界面，通過煤炭開采日進度表換算出充填料漿制備體量參數(shù)，完成“預(yù)設(shè)充填條件”任務(wù)下達，獲得此步驟的相應(yīng)實驗分值。以上交互式學(xué)習(xí)可有效提高學(xué)生對充填材料制備過程和膏體材料性能參數(shù)測試方法的理解程度。（3）充填料漿井上下輸送。本環(huán)節(jié)主要考查學(xué)生對充填料漿輸送方式及其流動特性與流體力學(xué)等核心知識點的掌握。進入虛擬仿真實驗，界面切換至充填料漿攪拌與泵送車間場景，首先了解稱料器、螺旋輸送機、攪拌機和充填工業(yè)泵等設(shè)備功能與使用方法，然后運用鼠標(biāo)和鍵盤手動完成充填原材料計量、稱重、投送、攪拌和泵送等流程，最后以視頻和動畫形式演示充填料漿泵送進入充填管路，并以半透視狀態(tài)顯示充填料漿從地面輸送至井下的全過程。除此之外，本環(huán)節(jié)還預(yù)設(shè)了反思教學(xué)方法模塊，當(dāng)錯誤點擊充填作業(yè)工序或未按“預(yù)設(shè)充填條件”進行充填作業(yè)，系統(tǒng)界面會彈出充填系統(tǒng)能力過載或充填輸送管路發(fā)生堵管事故等警示消息，并發(fā)出聲光報警，提示由于不當(dāng)操作已對充填工作造成嚴(yán)重經(jīng)濟損傷，違規(guī)者將面臨處罰。由此，通過交互式和反思式學(xué)習(xí)，讓學(xué)生切身體會關(guān)于充填原理、方法和技術(shù)的學(xué)習(xí)對于指導(dǎo)和實踐充填開采現(xiàn)場工作的重要性。（4）充填技術(shù)工藝流程。當(dāng)進入本環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)時，虛擬仿真實驗界面將從地面轉(zhuǎn)入地下學(xué)習(xí)場景，以第一視角沿著井下充填輸送管道漫游并觀看巷道、工作面井下場所及采煤機、充填液壓支架等采煤設(shè)備。學(xué)生按照已學(xué)的采煤學(xué)知識先進行采煤作業(yè)虛擬操作訓(xùn)練，而后進行充填作業(yè)虛擬操作訓(xùn)練。當(dāng)進行充填作業(yè)虛擬操作訓(xùn)練時，依照充填作業(yè)流程依次點擊“檢查準(zhǔn)備”“管道充水”“灰漿推水”“正常（輪流）充填”“清水洗管”“停止充填并養(yǎng)護”等工序按鍵，此時系統(tǒng)界面會分別呈現(xiàn)各充填程序啟動、運行畫面，并可直觀看到充填料漿沿著輸送管路注入至工作面后方的采空區(qū)和采空區(qū)被注滿充實的動畫效果，由此完成“煤礦綠色開采”課程中關(guān)于充填開采的虛擬實驗。整個實驗過程環(huán)環(huán)相扣，以交互式學(xué)習(xí)為特色的教學(xué)方法，有效彌補了理論教學(xué)中生硬死板的文字表述短板，促進了學(xué)生掌握充填采煤作業(yè)工序要點和對充填開采方法的熟悉程度。（5）充填開采控制地表沉陷機理。為了更好地闡明充填開采對于巖層移動變形的控制機理，設(shè)置了充填開采控制地表沉陷機理的學(xué)習(xí)場景，系統(tǒng)界面通過動畫方式對比展示分別采用全部垮落法和充填法處理采空區(qū)時，上覆巖層的垮落、移動特點和地表的變形程度，形象地呈現(xiàn)出充填開采對控制地表沉陷的作用效果，將原有看不見、難理解的覆巖移動變形變?yōu)橹庇^可見，更形象地揭示了煤礦充填開采控制覆巖移動及減緩地表沉陷機理，進而有效解決了學(xué)生對于“礦山壓力與巖層控制”課程中難點知識難理解的問題。另外，通過充填開采控制地表沉陷機理的學(xué)習(xí)可進一步解釋充填開采對地表構(gòu)筑物、潛水資源和生態(tài)環(huán)境的保護作用，由此加深學(xué)生體會國家大力推行煤炭綠色開采的重要意義。

4.實驗結(jié)果評價

系統(tǒng)實驗考核完成后自動計算并保存上述實驗步驟的得分，得到實驗成績。除此之外，學(xué)生線下還需結(jié)合實驗的四個部分內(nèi)容撰寫“煤礦充填開采實驗報

告”，進一步鞏固學(xué)習(xí)效果。學(xué)生將實驗報告通過“實驗結(jié)果”中的報告上傳、提交后，教師可在線進行評閱打分，實驗系統(tǒng)將自動生成實驗報告成績。煤礦充填開采虛擬仿真實驗總成績評定方法按照“知識”“能力”和

“素養(yǎng)”三方面進行考核，實驗總成績=知識得分×60%+能力得分×20%+素養(yǎng)得分×20%，具體評定標(biāo)準(zhǔn)見表2。教師將上述得分輸入評分系統(tǒng)各項目中，實驗系統(tǒng)后臺自動將每個學(xué)生的“知識”“能力”和“素養(yǎng)”分?jǐn)?shù)相加，得到總成績，總分根據(jù)：≥90、90～80、80～70、70～60、≤60五個分?jǐn)?shù)段將成績結(jié)果分別輸出為優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格。教師點擊總成績輸出，系統(tǒng)將根據(jù)實驗成績評定輸出模板自動生成每個學(xué)生的多項成績單，成績單中包括“知識”“能力”和“素養(yǎng)”具體得分情況，教師點擊打印成績單即可留存教學(xué)材料，可實現(xiàn)無紙化教學(xué)資料整理。

三、教學(xué)總結(jié)與展望

（一）總結(jié)

煤礦充填開采虛擬仿真實驗的設(shè)計和建設(shè)完全依照采礦工程本科實踐實驗教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)制定而成，仿真系統(tǒng)的開發(fā)目的是搭建完善的煤礦充填開采實驗教學(xué)體系，實現(xiàn)高水平人才培養(yǎng)的目標(biāo)。在設(shè)計、建設(shè)和教學(xué)全生命階段遵循“121”教學(xué)理念，即1個核心點（學(xué)生發(fā)展為核心）、2條互動線（人機互動線、師生互動線）、1個實—虛—實教學(xué)結(jié)合面（理論學(xué)習(xí)—虛擬仿

真—實習(xí)實踐），如圖2所示。煤礦充填開采虛擬仿真實驗教學(xué)以學(xué)生為中心，充分還原煤礦井下充填開采工作面真實環(huán)境，教學(xué)內(nèi)容與礦井現(xiàn)場充填作業(yè)流程一致，具備“抽象對象形象化、復(fù)雜問題簡約化、分散內(nèi)容系統(tǒng)化、教學(xué)演考一體化”的教學(xué)內(nèi)容特色。教學(xué)過程中，教師通過提問、質(zhì)疑等方式激發(fā)學(xué)生對充填開采進行充分想象。通過師生互動，發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，引導(dǎo)學(xué)生提高解決實際問題的綜合能力。實驗過程中，設(shè)置相應(yīng)充填開采的任務(wù)，提出對應(yīng)的問題，引導(dǎo)學(xué)生積極思考并解答問題。通過反復(fù)的人機互動，充分發(fā)揮學(xué)生的積極主動性，增強學(xué)生對知識的獲取興趣和能力，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、分析問題與解決問題的能力。通過理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真、實習(xí)實踐相結(jié)合的實—虛—實教學(xué)途徑，促使學(xué)生對充填開采學(xué)習(xí)的技能螺旋式上升，不斷加深學(xué)生對于煤礦充填系統(tǒng)、關(guān)鍵設(shè)備、主要工藝流程、基礎(chǔ)理論及相關(guān)技術(shù)的認識與理解、記憶與掌握。

（二）展望

煤礦充填開采虛擬仿真實驗系統(tǒng)的建設(shè)并不是一蹴而就的，其開發(fā)歷程也經(jīng)歷了一波三折?？偨Y(jié)來看，開放式虛擬仿真實驗教學(xué)平臺以計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā)運行。其中，支撐實驗系統(tǒng)運行的平臺及運行架構(gòu)共分為五層，從下至上分別為數(shù)據(jù)層、支撐層、通用服務(wù)層、仿真層和應(yīng)用層，每一層都為上一層提供服務(wù)，直到完成具體虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建。由此不難看出，能夠保障虛擬仿真實驗系統(tǒng)順利運行的關(guān)鍵還是在最底層的數(shù)據(jù)層建設(shè)功底，煤礦充填開采虛擬仿真實驗平臺涉及多種類型虛擬實驗組件及數(shù)據(jù)，分別設(shè)置虛擬實驗的基礎(chǔ)元件庫、實驗課程庫、典型實驗庫、標(biāo)準(zhǔn)答案庫、規(guī)則庫、實驗數(shù)據(jù)、用戶信息等來實現(xiàn)對相應(yīng)數(shù)據(jù)的存放和管理，這些數(shù)據(jù)庫的建設(shè)過程花費了大量的人力和財力。在虛擬仿真技術(shù)不斷發(fā)展和虛擬仿真教學(xué)水平不斷提升的背景下，技術(shù)更迭重要，硬件換代也很重要，但最重要的還是數(shù)據(jù)庫持續(xù)建設(shè)，其過程仍是一個長期且煩瑣的工作，需要不斷積累、持續(xù)更新和長期維護。

除此之外，在目前教學(xué)效果的基礎(chǔ)上，未來虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展重點是關(guān)于實驗教學(xué)課程持續(xù)建設(shè)的服務(wù)計劃，煤礦充填開采虛擬仿真實驗課程后續(xù)優(yōu)化建設(shè)中嚴(yán)格遵循“兩性一度”的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，尤其是在課程內(nèi)容的前沿性、教學(xué)過程的探究性和“跳一跳才能夠得著”的學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)度上加碼發(fā)力，未來持續(xù)建設(shè)的規(guī)劃主要有：（1）增設(shè)移動端實驗系統(tǒng)，學(xué)生通過手機、平板電腦等移動設(shè)備可全天候?qū)嶒瀸W(xué)習(xí)；（2）優(yōu)化系統(tǒng)學(xué)習(xí)體驗和教學(xué)效果，完善實驗系統(tǒng)的相關(guān)知識架構(gòu)；（3）加大與煤礦企業(yè)交流力度，重點推廣煤礦企業(yè)技術(shù)人員培訓(xùn)與繼續(xù)教育功能，與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)共建實驗平臺，加大定制性實驗平臺的建設(shè)力度，增強優(yōu)質(zhì)實驗資源共享。

四、結(jié)語

煤礦充填開采虛擬教學(xué)的探索與應(yīng)用一直立足于新工科背景下的礦業(yè)類人才培養(yǎng)要求，對于實現(xiàn)知識、能力、素養(yǎng)的有機融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維具有重要意義。雖然僅僅依靠虛擬仿真實驗教學(xué)并不能完全替代真實的煤礦充填開采實踐訓(xùn)練，但其對于煤礦充填開采教學(xué)是重要補充手段。未來，煤礦充填開采虛擬教學(xué)將在助力礦業(yè)學(xué)科雙一流發(fā)展，推動科研與實驗教學(xué)齊頭并進，向工程化、科學(xué)化、系統(tǒng)化的虛擬實驗教學(xué)平臺發(fā)展方向上不斷完善和持續(xù)精進，為最終實現(xiàn)提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量和提升煤礦專業(yè)技術(shù)人員充填開采水平更好地服務(wù)。

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