基于虚拟仿真技术的实验类课程资源建设及教学模式探索

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　　摘要：文章以中国矿业大学采矿工程专业实验类课程为例，论述了建设虚拟仿真实验教学资源的必要性，介绍了采矿工程虚拟仿真实验资源和平台，以及虚拟仿真教学资源的设计思路和过程;探讨了基于虚拟仿真技术的实验类课程翻转教学方法，为解决传统实验教学难题提供了一个途径。
　　关键词：人才培养;实验教学;虚拟仿真;翻转教学
　　中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）01-0384-03
　　 虚拟仿真实验教学是现代信息技术在教育教学领域中应用的具体体现之一。由于其重复性好、安全环保、成本低廉、节约能源，能达到传统实验室实验不具备或难以实现的教学效果。虚拟仿真技术在实验教学中的广泛应用，潜力巨大[1，2]。中国矿业大学非常重视虚拟仿真实验教学方法的改革与实践，2008年建立了采矿工程虚拟仿真实验教学中心。2014年，该中心被评为国家级虚拟仿真实验教学中心。中心坚持理论教学与实验教学相结合、虚拟仿真与实物仪器设备相结合的原则，研发了大量虚拟仿真实验项目，构建了“模块化、层次化、多元化”的虚拟仿真实验教学体系[3，4]。随之而来的是教学模式的转变，实验方法的理论教学由课堂转到了线上，总结、讨论和点评由课下进入课堂，实验室实验由对未知的现象观察转变为有预期的验证，课程由教师主导的“教”变成了学生自主的“学”，实现了实验类课程的翻转教学，取得了良好的实验教学效果。
　　一、虚拟仿真资源建设的必要性
　　《岩层控制的实验方法与实测技术》是中国矿业大学采矿工程专业本科生的必修课程，也是最具有代表性的实验类课程。该课程教学具有以下特点：（1）教学内容具有针对性。课程主要围绕矿山压力基本原理、规律和常用实验方法、岩石力学性质与实验方法、井巷工程技术等重要知识点开展实验教学和科学探索。（2）教学项目具有前沿性。课程中创新性实验项目大部分由优秀的科学研究成果转化而来，体现了学科领域的最新研究进展，有利于学生了解学科的前沿知识，开阔视野。（3）实验技术具有先进性。实验室拥有各类实验仪器设备6000余台，涵盖了岩石力学实验、岩层移动模拟实验、模型实验、仪器仪表实验、虚拟仿真实验和数值模拟实验共6大类的实验仪器和设备。诸如虚拟仿真实验等资源在国内具有领先地位。（4）实验过程开放性。目前，部分实验项目已通过虚拟仿真实验平台实现了资源共享、开放式实验教学。通过网上预约，学生可自主选择实验时间、实验内容，同时允许自拟实验题目，自主设计实验项目，发挥了学生的主观能动性，提高了实验设备利用效率。（5）教学过程具有启发性和引导性。通过本门课程的实验教学，在强化学生基本理论知识和掌握科学实验方法的同时，还可以使学生对科学探索产生兴趣，引导学生申请各类科研训练项目，为学生提供实验条件，支持学生进行科学探索。
　　按照教学过程的复杂和难易程度，该课程的实验项目大致分为以下几类：第一类是实验原理明确、实验操作较简单的实验项目，如岩石力学实验、仪器仪表实验等;第二类是原理较复杂，实验部分可操作，如岩层移动的相似物理实验等;第三类是原理复杂，实验操作非常困难或者不可操作，如冲击矿压实验、煤与瓦斯突出实验等。对于这些不可逆的破坏性试验，只能借助大型实验装置及制作成本和使用成本较高的试样来完成，同时由于本科生缺乏该方向研究的专门知识和精确的操作技术，亲自动手操作该类实验还具有一定的危险性，目前實验室还无法实现该类物理实验的本科教学功能。
　　二、虚拟仿真项目建设
　　（一）虚拟仿真资源库
　　针对采矿高危的极端环境、开采过程不可逆的操作、大型设备操作的综合训练高成本、高消耗等特殊情况，在采矿工程专业大学生的实践创新能力培养环节中引入虚拟仿真实验教学模式，不仅可解决传统实验教学面临的难题，还有助于加强学生对专业知识的理解和掌握，拓展学生的知识面，激发学生对先进科学技术知识的追求[3-5]。根据实验项目的层次和功能的不同，采矿工程虚拟仿真实验教学中心建设了“认知矿山”“熟知矿山”“安全矿山”“绿色矿山”和“实验方法”等五大类实验教学资源，实现了多空间多系统演示仿真、综合与设计仿真、创新与前沿仿真三个层次虚拟实验教学功能。实验资源分5大类，25小类共100多个虚拟仿真项目，知识点几乎覆盖采矿工程专业所有的主干课程。
　　（二）虚拟仿真资源设计
　　1.资源建设目标。学生可通过修改矿井地质和开采技术条件，模拟冲击地压的孕育过程、影响因素及冲击现象;能够模拟开采过程中岩层的运动规律，以及在掘进速度、采煤高度等开采技术条件、褶曲、断层等地质构造条件等各个影响因素作用下冲击矿压危险性的变化规律;能够直观展示采取爆破切顶、煤体爆破卸压等不同解危措施后冲击危险性降低的情况。
　　2.资源建设内容。基本建设内容包括采场上覆岩层断裂和运移规律、冲击矿压孕育过程及发生机理、冲击矿压解危与治理共三部分：（1）上覆岩层断裂及运移规律。以三维场景建模，动态描述随着工作面自开切眼开始推进，引起覆岩的初次断裂与周期断裂的动态过程;以多指标动态描述采煤工作面两侧和前后支承压力的分布特征，以及支承压力随工作面推进的演化规律等。（2）冲击矿压影响因素及发生机理。根据输入的采掘参数，以及褶曲、断层、岩层结构等地质参数，实现多条件下岩层塌陷情况的实时仿真;再现采掘参数及地质条件等因素对冲击矿压的影响，实现冲击发生过程、机理的交互模拟仿真。（3）冲击矿压解危与治理。可以根据具体的地质及生产技术条件，选择性地输入褶曲、断层等地质参数及岩层爆破切顶、煤层放炮卸压等技术参数，实现不同措施参数时的冲击矿压防治解危与治理效果的交互模拟仿真。
　　3.软件特点。开发平台能保证虚拟仿真软件的实时渲染、实时交互和良好的可操纵性，以强大物理引擎内核的虚拟仿真软件开发平台，具有强大的物理实时计算功能，能够真实模拟场景重力、环境阻尼等环境特性。虚拟仿真实验软件界面干净整洁，在保证运行流畅的情况下，尽可能地优化表面材质，区分不同部件的不同材料质感。地形地貌、山体、水体、地上地下人工建（构）筑物等的三维表达，要反映对象的空间位置、几何形态、纹理及属性等信息。确保在系统里的界面、按钮、文字、图片、视频等可视化的元素清晰无误。能实现自动演示、控制角度自由观察、局部缩放和随时画面截图等功能;能按要求提供现场声、背景音乐、字幕等;贴图细腻有质感，材质真实，动作流畅，镜头转变较少。 　　三、虛拟仿真实验教学平台
　　为了统一展示虚拟仿真实验教学资源，并为学生提供基于互联网的虚拟仿真实验平台，中国矿业大学建立了“矿业工程虚拟仿真实验教学平台”，如图1所示。该网站平台具有信息发布、用户登录管理及收费系统、实验课程导航、虚拟仿真教学资源展示及共享使用指南、在线学习及绩效评价、实验预约及开放管理、学术动态及交流活动等功能模块。该平台反映了中国矿业大学采矿工程专业在在线教学资源、虚拟仿真教学资源、师资队伍等方面的建设成果，以及在教学资源开放共享、在线教学管理、学习评价体系等方面的创新成果。2017年，该平台成为江苏省矿业工程虚拟仿真实验教学共享平台。
　　四、实验课翻转教学方法
　　翻转课堂教学模式，不仅仅是实现课堂教学形式的翻转，更是“教”与“学”的转变，本质上是学生学习主动权的变换[6]。学生更多地利用课下时间，使用互联网自主且有选择性地学习，更体现学习方式的个性化。课堂时间更多的是对学生自主学习的方向引导、方法指引、系统补充、错误纠正、内容强化和讨论内化等。在这种教学模式下，教师的角色发生了很大的变化，不再是系统化、流程化的传授知识，而是跳跃化、片段化、深入化知识的互动导引，需要教师具有更强的课堂把握能力。
　　实验类课程的翻转教学模式与理论课程有一些差异。理论课程的翻转教学模式是学生通过在课下通过查阅教材、交流、网络资源搜集等方式完成对理论知识的自主学习，课堂上由老师引导学生完成对重点、难点、疑点的讨论。实验类课程实现课堂翻转以后，学生可以自主制订实验方案，通过网络动态演示、人机互动等方式完成对自然现象和规律的过程再现。课堂时间主要用来对实验结果进行讨论分析。对于比较经典的实验，或是有争议的实验结果，在实验室可以进行验证实验。
　　以《岩层控制的实验方法与实测技术》本科生课程为例，该课程共32学时，其中课堂教学和实验室实验各16学时。课堂教学主要是讲授实验方法和技能，在实验室需要按照实验大纲的要求完成20个左右的实验项目。在传统实验教学过程中，教师的主要任务是讲解实验方法、步骤和注意事项，指导学生在实验室完成实验，最后是批改实验报告并给定成绩。主要教学过程是学生预习实验内容、教师讲解实验、学生开展实验、教师批改实验报告。
　　实验教学课堂翻转以后，实验方法讲解和实验过程等均由学生在虚拟仿真实验教学平台上完成，教师的主要任务是在实验课上组织学生分组讨论并进行点评、对争议实验开展实验验证，并指导学生完成从实验现象观察到科学本质探索的深化。学生可以根据任务目标导向，自主完成实验方法、步骤、注意事项等学习，自主制订实验方案，自主完成实验内容，并撰写实验报告。在讨论环节，学生自由分组，有针对性地进行讨论，实验方法、结果都可以进行对比分析，教师组织课堂，对学生完成实验情况和对实验原理的把握程度有深入的了解，给定的成绩也更科学。从本质上来说，“教师”变成了“导师”。实验教学的课堂翻转实现了教学空间的多样化、教学形式的多样化和教学目标的全面化。
　　五、结语
　　虚拟仿真教学是教育教学领域中的重要创新，有助于加强学生对专业知识的理解和掌握，拓展学生的知识面，激发学生对先进科学技术知识的追求。基于虚拟仿真技术开展实验类课程的翻转教学还处于探索阶段，为解决实验成本高、仪器设备台数少、实验过程不可逆、风险大等传统实验课中的难题提供了一个途径，是对传统实验室实验教学的重要补充。
　　参考文献：
　　[1]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32（12）：5-8.
　　[2]张源，万志军，马文顶，严红.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.
　　[3]马文顶，吴作武，万志军，屠世浩，张源.采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践[J].实验技术与管理，2014，31（9）：14-18.
　　[4]张东升，屠世浩，张利先，等.基于学科优势的采矿工程专业创新人才全过程培养[J].煤炭高等教育，2010，28（3）：105-107.
　　[5]张东升，屠世浩，万志军，等.采矿工程特色专业创新能力培养的实验教学改革探索[J].实验室研究与探索，2011，30（3）：110-113.
　　[6]阎群，李擎，崔家瑞，等.基于翻转课堂的电工技术实验教学模式探析[J].实验室科学，2016，19（4）：93-96.
　　Construction of Experimental Course Resources and Exploration of Teaching Mode Based on Virtual Simulation Technology
　　MU Zong-longa，b*，WAN Zhi-junb，c，ZHANG Yuanb，c，MA Wen-dingb，c
　　（a.Laboratory of Mine Earthquake Monitoring and Prevention （Jiangsu）;b.School of Mines;c.National Experimental Teaching Demonstration Center of Mining Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）
　　Abstract：Taking the experimental course of mining engineering of China University of Mining and Technology as an example，this paper discusses the necessity of constructing virtual simulation experiment teaching resources，and introduces the virtual simulation experiment resources and platform of mining engineering and the design ideas and process of virtual simulation teaching resources.It also probes into the flipped teaching method of experiment course based on virtual simulation technology，which provides an approach to solve the difficult problems in traditional experiment teaching.
　　Key words：talents cultivation;experiment teaching;virtual simulation;flipped teaching
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