矿业类专业虚拟仿真实验一流课程创新与实践

赵国贞　李建忠　弓培林

［摘 要］ 2020年，“矿山岩层移动及控制”虚拟仿真实验获批国家虚拟仿真实验一流课程，课程响应国家“能实不虚，虚实结合”实验建设的指导方针，将信息技术与采矿实验教学有机融合。课程开创了线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，将基于网络的虚拟教学与基于实践的课堂教学深度融合，激发了学生的实验兴趣，提升了学生的实践能力和创新能力，实践教学效果良好，为矿业类专业一流课程建设提供了新思路，同时可推广到其他矿业类高校，实现资源共享。

［关键词］ 矿山岩层移动及控制；
一流课程；
虚拟仿真；
虚实融合；
课程建设

［基金项目］ 2021年度山西省高等学校教学改革创新项目“学生中心虚实融合的矿业类专业一流课程创新与实践”（J2021197）；
2021年度山西省高等学校教学改革创新项目“新工科背景下基于金课理念的采矿专业核心课程教学改革与实践”（J2021116）；
2021年度教育部第二批产学合作协同育人项目“‘岩层控制模拟技术（全英）一流课程建设”（202102490016）

［作者简介］ 赵国贞（1985—），男，山东泰安人，博士，太原理工大学矿业工程学院副教授，主要从事岩体力学与采矿工程研究。

［中图分类号］ G642.4 ［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）22-0108-04［收稿日期］ 2022-07-25

引言

随着人们对课堂教育质量的不断追求，“金课”已然成为新时代中国高等教育改革与发展中最重要的因素之一［1］。采矿工程专业课程的研究对象是条件艰苦、环境复杂的煤矿，课程实验因耗时长、成本高、难控制、安全性等因素无法真实有效地开展，虚拟仿真一流课程为采矿工程专业实践教学提供了新的思路和方向。太原理工大学采矿工程系与北京润尼尔网络科技有限公司开展技术合作，共同建设了“矿山岩层移动及控制”虚拟仿真教学实验，2020年该实验获批国家虚拟仿真实验一流课程。对“矿山岩层移动及控制”虚拟仿真实验进行创新与实践，在课程内涵延伸、必要性及先进性、教学方式方法、教学成效等方面体现了明显的特色，为矿业类专业虚拟仿真实验一流课程的建设提供了指导和借鉴。

一、虚拟仿真“金课”的建设内涵

为什么要建设虚拟仿真“金课”？以矿业类专业课程为例，煤炭行业具有高危险、高能耗、灾害不可逆转等特点；
煤矿安全形势严峻，实习安排困难、实习效果差；
实验教学手段单一、实验内容更新慢，教学效果有待提升；
传统验证型实验教学项目的教学方法和手段已不能满足学生需要，这些问题严重影响了矿业类专业学生的课程学习［2］。虚拟仿真实验一流课程将信息技术、智能技术与实验教学深度融合，着重解决了课程不具備真实实验条件及实验进行困难等问题［3］。与此同时，虚拟仿真实验一流课程极大地拓展了实验教学内容的广度和深度，使实验教学在时间和空间上得到了提升，其建设成效也成为衡量高校创新人才培养质量的重要指标［4］。

二、虚拟仿真实验应用于矿业类专业课程的必要性

“矿山岩层移动及控制”实验是采矿工程专业的学生必须掌握的实践教学环节。实验涉及的课程主要有“采矿学”“矿山压力与岩层控制”“岩层控制模拟技术”“矿压测试技术”等。实验主要采用了物理相似模拟方法，包含模型设计、材料配比计算、材料准备、模板架设、模型铺装、干燥、开挖、观测和数据分析等流程，但是该方法存在材料消耗大、劳动强度大、实验成本高、实验周期长、实验过程不可逆、实验环境差、实验风险高等特点［5］。鉴于以上情况，采矿工程专业本科生的“岩层控制相似模拟实验”教学目前只以参观为主，难以保证教学效果。因此，运用虚拟仿真技术研究物理模拟实验的虚拟仿真实现方法，制作虚拟仿真实验系统，对矿业类专业的实验教学至关重要。通过虚拟仿真实验系统，共享学习资源，开放学习空间，以学生自学为主、教师指导为辅，鼓励学生在特定的矿山环境下创新矿山岩层移动及控制模式，引导师生共同完成实验项目，不断提升学生的学习能力、创新能力和解决采矿复杂工程问题的能力［6］。

三、“矿山岩层移动及控制”虚拟仿真实验系统设计

实验设计以培养大学生的创新精神和综合实践能力为导向，遵循系统化、情景化、过程化、以实为本、虚实结合、能实不虚、能力提高与交互性等原则，按照“紧跟学科发展，立足社会需求，夯实实践能力，强化技能，培育团队精神，提高创新能力”的实验设计理念，科学规划了“矿山岩层移动及控制”实验教学项目，形成了“统一平台、分项虚拟、虚实结合、全方位共享”的虚拟仿真教学体系，以解决不具备真实实验条件及实验进行困难等在实验教学中遇到的问题［7］。

（一）虚拟仿真实验总体设计

如图1所示，虚拟仿真实验总体设计采用B/S架构，从技术层面看共分为五层，从底层向上分别为数据层、支撑层、通用服务层、仿真层和应用层，每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验教学环境的构建。项目采用Unity 3D引擎完成开发，采用C#开发语言，通过3ds Max制作三维模型与动画，通过HTML脚本实现Web交互式三维动画的制作［8］。虚拟仿真实验平台可搭建在基于Internet的开放教学管理平台上，全天候向学生开放，学生可以通过互联网不受时间和空间的限制进行自主学习。同时，系统具备完善的安全运行机制，管理端具备日志管理、数据备份、系统监控等保障网络及信息安全的功能［9］。

（二）虚拟仿真实验模块建设

如图2所示，虚拟仿真实验系统采用模块化设计，包括实验认知模块、实验准备模块、实验操作模块和实验考核模块。

1.实验认知模块。实验认知模块包含实验方法、实验目的、实验原理、实验条件等内容，学生可以依次点击进行学习，了解实验的背景和目的。

2.实验准备模块。实验准备模块包含学习与实验相关的理论知识、计算公式、实验仪器、地质背景知识、实验材料等内容，便于学生进行相应计算和知识点的回顾。

3.實验操作模块。实验操作模块包括相似模型参数计算、模型配比方案计算、材料称重、铺设模型、模型测点布置、模型开挖、数据分析等步骤，学生可以通过指示和引导完成整个实验操作。

4.实验考核模块。实验考核模块主要针对学生的实验情况进行跟踪测试，题型有选择题和判断题，学生作答完毕提交后即可看到答题结果与解析。实验结束后学生提交实验报告，可根据自己的实验报告成绩选择重复实验直到满意为止。

四、虚拟仿真实验一流课程建设实践与思考

（一）教学方法创新实践

“矿山岩层移动及控制”虚拟仿真实验教学平台的运行，进一步完善了配套的实验教学方式方法，充分发挥了“实之真、虚之拟”的优点，融入了“虚实融合、线上线下、以学生为中心”的教学创新理念。

1.虚实融合。“矿山岩层移动及控制”模拟属于物理模拟方法，具有真实直观、过程逼真、数据可靠等优点，与之结合的虚拟仿真实验方法则具有物理模拟方法不具备的省时省力、成本低、重复性好等优点。在实验教学中，将两种方法有机结合，扬长避短，使虚拟方法对物理模拟方法起到有效的补充作用，丰富了实验教学方法和手段。

2.线上线下。物理模拟实验是线下现场的实验环节，成本高、周期长且实验过程不可逆；
虚拟仿真实验为线上虚拟实验，可以多次重复进行，进而避免了线下现场模拟实验时可能发生的安全问题。因此，在线上虚拟仿真实验后开展物理模拟实验，可以使学生对实验过程更加熟悉，有助于学生全面掌握实验知识和技巧，提高实验的完成率。

3.以学生为中心。物理实验限于实验室的条件，学生不可能全程参与，且只能完成一部分工作，学生难以对实验全过程有深刻的认识。虚拟仿真实验可以解决这个问题，学生可以通过虚拟仿真实验操作实践实验全过程，还可以根据自身的学习情况有针对性地进行学习和巩固。

（二）虚拟仿真实验一流课程建设成效

将传统与现代教学手段进行合理整合，引入虚拟现实技术，集文字、声音、图形、图像、动画于一体，构建“矿山岩层移动及控制”虚拟仿真实验网络学习平台，供相关专业的学生进行实验、操作、训练，取得了良好的教学成效：（1）充分发挥了多媒体技术、网络技术、数字影像技术和虚拟现实技术等现代教育技术的功效，把部分实践教学环节搬进课堂，实现了实践教学信息化。（2）根据平台建设需求，重新提炼和编写了教案、课件及教学提纲，凝练教学内容，以新颖的教学方式调动了学生的学习主动性，激发了学生的创新意识和创新能力，促使学生充分发挥主观能动性。（3）虚拟仿真实验平台能够对参加实验的学生进行全过程记录，能够随时进行实验指导，对学生的预习效果、实验步骤以及实验成绩都具备完善的评价标准，提高了评价的公正性。（4）平台建立了较为完善的反馈机制，可以对参加实验的学生提供各方面的建议、评价与反馈信息，进行全面系统地统计分析，为指导教师改进和完善实验提供了参考，提高了教学效果［10］。

结语

“矿山岩层移动及控制”虚拟仿真实验是信息技术与采矿实验教学有机融合的产物，其教学方法开创了虚实融合、线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式。虚拟仿真实验不仅弥补了传统物理模拟实验难以开展的不足，还丰富了采矿专业学生的学习实践模式，激发了学生的实验兴趣，提升了学生的实践能力和创新能力，实践教学效果良好，为矿业类专业一流课程建设提供了新思路。

参考文献

［1］骆蓉.外语类线上线下混合式一流本科课程设计与构建：以“英美文化”为例［J］.外国语文，2021，37（3）：138-146.

［2］王成，洪紫杰，熊祖强.矿业工程虚拟仿真实验教学中心建设与实践［J］.实验技术与管理，2017，34（1）：228-231.

［3］杨文超.虚拟仿真实验在蜂学教学方面的实践［J］.蜜蜂杂志，2020，40（12）：12-13.

［4］何侃.高校虚拟仿真实验教学平台的探索与实践：以“特殊儿童教育与康复”实验教学平台为例［J］.现代特殊教育，2020（22）：14-19.

［5］张源，万志军，马文顶，等.矿山压力与岩层移动虚拟仿真实验教学方法探讨［J］.实验室研究与探索，2016，35（6）：83-86.

［6］徐俊，贾虎，郑文豫，等.基于BIM装配式建筑构造虚拟仿真技术的给排水科学与工程专业教学研究［J］.智库时代，2019（14）：284-285.

［7］汪云甲，杨敏，郭广礼，等.矿山测量虚拟仿真实验教学系统构建及应用［J］.测绘通报，2016（7）：129-132.

［8］吴金刚，郭兵兵，荆永滨.基于应用型人才培养需求的虚拟仿真实验项目开发［J］.电脑与信息技术，2020，28（5）：53-55+74.

［9］朱瑜馨，张锦宗.遥感数字图像分析与应用课程虚拟仿真在线实验教学系统设计［J］.教育教学论坛，2020（32）：386-388.

［10］杨皓词.基于虚拟仿真环境的大学生主流表达实验课程的教学改革创新研究：以长春师范大学传媒学院为例［J］.新闻研究导刊，2019，10（21）：211-212+215.

Innovation and Practice of the First-class Course of Virtual Simulation Experiment in Mining Major

ZHAO Guo-zhen， LI Jian-zhong， GONG Pei-lin

（College of Mining Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan， Shanxi 030024， China）

Abstract：
In 2020， the virtual simulation experiment of Strata Movement and Control of Mine was approved as the first-class course of National virtual simulation experiment. The course responds to the national guideline of experimental construction of “real but not virtual， combining virtual and real” and organically integrates information technology with mining experimental teaching. The new teaching mode is personalized， intelligent and ubiquitous and integrates virtual teaching based on the network and classroom teaching based on practice in depth， stimulates students interest in experiment， promotes the students practical ability and creative ability， and shows good teaching effect， providing a new way for first-class mining engineering course construction. Thus， it can be extended to other mining colleges and universities to realize resource sharing.

Key words：
strata movement and control; first-class course; virtual simulation; virtual and real integration; course construction

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