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构建“采矿工程”虚拟仿真实验室实验教学体系研究

来源:用户上传      作者:薛黎明 刘威 侯运炳 王豪杰

  [摘 要] 虚拟仿真实验室的建设是信息化教学改革的重要途径,虚拟实验教学是将专业理论与信息技术融合的产物。该文从采矿工程虚拟仿真实验室出发,分析了虚拟实验教学在培养创新型人才、提高学生实践能力方面的意义。针对传统采矿工程实验室中存在的一些问题和不足之处,从管理体系建设、师资队伍建设这两个方面阐述了对采矿工程虚拟实验教学体系的建设意见,可为推进采矿工程虚拟实验教学的发展提供借鉴。
  [关键词] 虚拟仿真;实验教学;采矿工程
  [基金项目] 中国矿业大学(北京)教学改革与课程建设项目(J180118)
  [作者简介] 薛黎明(1976—),女(满族),吉林榆树人,中国矿业大学(北京)工学博士,中国矿业大学(北京)能源与矿业学院副教授,主
   要从事矿业系统工程、资源经济等方面教学与研究。
  [中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324(2020)23-0389-02    [收稿日期] 2020-02-04
   实验室是高校进行实验教学的重要平台。实验教学水平的提升,不仅可以提高学生的实践操作水平和创新能力,也能进一步推进学校的整体发展。在传统的采矿工程实验教学中存在着高危、安全不能得到保障、学生科研兴趣低等现象,针对这些问题,运用虚拟现实技术建设的采矿工程虚拟仿真实验室,能够使学生在接近现实的工作场地中学习知识、实现操作。这种教学方法能够生动形象地使学生加深对相关知识的理解,并能有效提高学生对实验、科研的兴趣,对于采矿工程学科的实验教学改革具有重要的意义。
  一、建设采矿虚拟仿真实验室的意义
  在我国的传统采矿工程实验教学中,由于实验场地限制、实验仪器昂贵以及操作步骤复杂、实验安全性差等问题,导致了高校对实验教学的重视程度不够,所以学生们很难直观地掌握实验的原理。
  虚拟仿真实验教学是一种用VR、AR、人机交互等多种技术手段模拟出实验现场的实验教学方法,对采矿工程实验这种实践操作性很强的学科来说,学生不受实验设备和实验场地的限制,能大幅提高学生对于实验教学的兴趣和加深对采矿工程知识的理解,对于采矿工程实验教学具有以下几点重要的意义。
  (一)提升学生科研兴趣
  由于传统采矿实验室的实验教学限制过多,学生很难通过实验学习知识。但是在虚拟仿真实验室中,学生可以没有限制地全方位观察VR空间内的实验对象,互动操作,界面简介,形式多样,这样能提升学生科研兴趣和学习效果,促进学生实践操作能力和创新能力。
  (二)保障学生人身安全
  在传统的采矿工程教学实验中,由于煤矿井下综掘工作面环境恶劣,在掘进过程中存在粉尘浓度高、易落石以及瓦斯突出等问题,学生下井实习安全隐患大,且煤矿井下狭小的空间不利于大规模学生进入现场了解综掘工作面生产工艺。
  但是在采矿工程虚拟仿真实验室中学生们能利用VR技术进行各种实验项目,不受场地、环境等因素的限制,对于一些危险性认识的虚拟实验课程开设(煤矿瓦斯爆炸、顶板灾害事故、突水模拟实验等)也做出了安全保障[1]。
  (三)降低建设成本
  建设一个功能完善的采矿工程实验室投资巨大,而且在实验室建成后,实验室的能源资源消耗、设备的维修费用等运行成本消耗也是一笔不小的数目。
  而虚拟实验室的出现解决了采矿工程传统实验教学中存在的实验场所、实验设备、实验经费等限制,采矿工程虚拟仿真实验室通过虚拟现实仿真实验装置互动操作,得到和传统实验一样的实验现象,能减少实验成本,打破实验条件限制。
  二、采矿工程虚拟实验教学方法构建
  现阶段虚拟仿真实验室的建设处于快速发展的阶段,大量的虚拟仿真实验室正在孕育而出。但是虚拟仿真实验室的建设与持续发展离不开科学严谨的教学管理制度,根据调查显示,有些高校的虚拟仿真实验室的利用率能达到80%以上,但有些院校的虚拟仿真实验室的实际利用率则相对较低。
  (一)管理体系建设
  根据调查显示,一些高校在建设虚拟仿真实验室中耗费了大量资源和经费,但是等虚拟仿真实验室建成后的利用率却非常低,导致了资源的浪费。这些实验室就是因为在后期的实践过程中缺乏严谨的管理制度,导致师生的实验热情日益变低,使得虚拟仿真实验室的利用率越来越低[2]。
  为了防止出现这种门面型实验室,必须建立健全实验室的管理制度,以加强对虚拟仿真实验室的经费支出的管理、教师工作绩效的考核和实验室设备的更新维护等,必须组建一个监督团队定期对虚拟仿真实验室的实验室利用率情况、实验课程的教学情况、实验室的维护更新情况进行考核评价。
  (二)师资队伍建设
  采矿工程实验教学中除了要让学生学习到专业知识、加强学生的综合能力外,采矿工程虚拟仿真实验室教师团队的建设也是题中应有之义,亦即必须建设一支结构合理的教师团队。目前来说,传统实验室的教学和虚拟仿真实验室的教学还存在很大差异,教师们对于虚拟仿真实验室的教学还是存在疑虑并且不太适应这种教学方式[3]。
  采矿工程虚拟实验的教学方式与传统实验方式不同,虚拟实验教学要让教师起到指导、引导作用,教学要从学生角度出发,引导学生在虚拟实验中发现、思考并解决问题,加强学生对于采矿工程理论知识的学习效果和实践操作能力,并且培养学生的团结协作和创新能力[4]。中国矿业大学(北京)的仿真项目改变了传统的教师注入式教学方式,强调“以学生为中心"的实验教学理念,将学习资源开放,学习空间开放,教师与学生融合成一体,主要依靠学生自主进行预习学习,教师起到辅导作用,共同完成实验项目。
  三、总结
  构建高度虚拟仿真的实验室是采矿工程专業实验教育改革的捷径,也是未来实验教学的必然趋势。通过采矿工程虚拟仿真实验教学可以解决传统采矿工程实验教学中存在的问题,可以形象生动地让学生在实验中学习采矿工程相关知识。建设采矿工程虚拟仿真实验室必须要制定制度完善的监督考核机制,完善虚拟实验教学体系,强调以学生为中心的实验教学理念,减少门面工程型实验室的存在并且建设一支高水平的教学队伍,这样才能提升矿业高校虚拟实验教学水平,从而提升矿业高校的人才培养质量。   參考文献
  [1]韩磊,杨科.采矿工程三维可视化虚拟实验室建设[J].实验技术与管理,2011,28(06):211-213.
  [2]王慧,白红英,马丽.高校虚拟仿真实验室的建设与改革研究[J].中国管理信息化,2019,22(07):216-218.
  [3]段夏川,白鹏.建设开放式虚拟仿真实验平台 探索创新人才培养模式[J].信息与电脑(理论版),2017(17):238-240.
  [4]吕文玉,曾佑富.虚拟仿真技术在采矿学课程教学中的应用初探[J].教育教学论坛,2018(01):147-148.
  [5]姜喜迪,侯运炳.采矿安全虚拟仿真教学系统在采矿工程教学中的应用[J].科教导刊(中旬刊),2019(08):130-131.
  [6]徐志超,宋韧,曹瑜.论高校虚拟仿真实验室的建设[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2017(10):125-126.
  Research on the Construction of Experimental Teaching System of Virtual Simulation Laboratory in Mining Engineering
  XUE Li-ming,LIU Wei,HOU Yun-bing,WANG Hao-jie
  (School of Energy and Mining Engineering,China University of Mining Technology (Beijing),Beijing 100083,China)
   Abstract:The construction of virtual simulation laboratory is an important way of informatization teaching reform.Virtual experimental teaching is the product of the integration of professional theory and information technology.Starting from the virtual simulation laboratory of mining engineering major,this paper analyzes the significance of virtual experimental teaching in cultivating innovative talents and improving students' practical ability.In view of the problems and deficiencies existing in the traditional mining engineering laboratories,this article expounds the construction of virtual experimental teaching system for mining engineering major from two aspects:management system construction and teacher team construction,which can provide a reference for promoting the development of virtual experimental teaching of mining engineering major.
   Key words:virtual simulation;experimental teaching;mining engineering
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