张源 万志军 马文顶 程敬义 中国矿业大学矿业工程学院

创新精神和实践能力是高级专门人才的主要特征，实践教学是培养大学生实践能力、创新精神和创新能力的关键教学环节。[1-2]受新冠疫情影响，高等院校的专业实践教学遇到了一些困难，尤其是工科专业的企业现场实践环节，质量较难保证。为了完成教学任务，各高校不断创新实践教学形式和方式，其中线上线下混合式教学得到了较广泛的应用，成功教学案例不断出现。

笔者通过实践发现，基于虚拟仿真实验资源，开展线上线下混合式实践教学，不仅可以充分发挥网络在线教学学习自由度大、可重复性强、受众广及虚拟仿真直观形象、交互性强等优势，还可以再现现场场景，改善学生体验，尽可能保证教学效果。笔者所在学校采矿工程专业的虚拟仿真教学资源建设在实践教学中发挥了重要的作用——已涵盖大部分专业知识点，资源形式也实现了多样化，已具备单独设置虚拟仿真实验课程的条件，尤其是在新冠疫情期间，降低了疫情对实践教学的影响。

目前，学校采矿工程专业已经把部分虚拟仿真资源整合编入“矿山虚拟仿真实践”课程中，制订了课程质量标准，开展了线下线上混合式教学实践，丰富了专业实践教学手段，改进了实践教学方式方法，补充了传统现场实践教学的不足，保证了实践教学质量。

“矿山虚拟仿真实践”是采矿工程专业的专业拓展课程，共分3章，分别是认识矿山、安全矿山和智慧矿山。课程设有虚拟仿真体验、虚拟仿真实操和虚拟仿真实验3个环节。

1.课程目标

通过本课程的学习，能巩固和拓展所学的采矿工程专业知识，加深对矿山开采、灾害防治、智能开采等技术的理解，并了解最前沿的采矿技术及发展趋势；
能把采矿工程专业知识和现代信息技术相结合，具有多学科交叉的意识；
具有在实践中发现问题、分析和解决问题的能力和素质；
能够理解人工智能、大数据等现代科技对传统矿山可持续发展的重大意义，做中国特色社会主义现代化矿山建设和资源开发事业的建设者和接班人。

对照工程教育专业认证标准，课程可对工程知识、设计/开发解决问题、现代工具、工程与社会、环境可持续、个人和团队、沟通和终身学习共8条毕业要求起到支撑作用。

2.课程内容

课程内容包括认识矿山、安全矿山和智慧矿山，共计64学时（2学分）。从内容上来看，这三章层层推进，逐渐深入。每一部分均包含体验、实操和实验环节，每一个教学环节都有对应的思政教学点（如下表）。

3.教学组织

本课程作为专业拓展课程，目的在于加深学生对采矿工程专业知识的理解，进一步完善采矿工程专业本科生的知识结构。在教学过程中，主要内容设置遵循“能实不虚，虚实结合”的原则，在重点介绍煤炭开采的基本知识、开采技术的同时，可以适当介绍虚拟仿真技术。

同时，本课程教学突出动手能力培养，教学内容侧重矿山开采技术、灾害防治技术、环境保护等方面。课程学习途径可以多样化，建议教师充分利用网络优质资源进行教学和引导学生进行课程学习。在教学过程中，突出教师的引导作用，充分发挥学生个人的主观能动性，积极实践课堂教学的翻转。课程采用线上、线下混合式教学方法。线上教学以预习、自学和多角色任务演练为主，线下教学以实操为主。

笔者所在学校拥有采矿工程国家级虚拟仿真实验中心，为“矿山虚拟仿真实践”课程的开设提供了高层次的实践教学平台。目前，中心拥有各类虚拟仿真软硬件100余台（件、套），建立了“多空间多系统演示仿真实验、综合与设计仿真实验、创新与前沿仿真实验”三个层次、不同模块相互交叉融合渗透的虚拟仿真教学资源体系，其中包括线上互动资源、视频动画及线下互动实操等多种类型，在本科生实践教学中发挥了重要作用。[3-4]

同时，通过虚拟场景再现和过程仿真，学校自主开发了在线交互式“煤矿智能化工作面开采虚拟仿真实验”，吸收了岩层控制及智能开采领域最新研究成果，主要服务于“采矿学”“矿山压力与岩层控制”及“智能采掘”等核心课程。实验包含多个高仿真度的交互性操作模块，涉及智能采煤工作面生产过程中的关键环节。学生可通过自主选择进刀方式、移架方式等实验条件及参数搭配出上百种实验方案。

课程教学内容设置

除了以上虚拟仿真平台和资源，国家虚拟仿真实验教学课程共享平台上的虚拟仿真实验资源也非常丰富，目前共有3250门，其中矿业类35门，在矿业类课程中，采矿工程有23门课程。这些虚拟仿真课程是矿业类院校集中优势师资队伍建立的高质量虚拟仿真资源，具有重要的应用价值。

“矿山虚拟仿真实践”课程设计了线上课程学习、线上实践和线下实操3个教学环节。线上课程学习主要通过在线课程、视频动画等方式，使学生了解虚拟仿真的基本知识，以及对虚拟仿真资源的使用进行培训等。线上实践主要在“国家虚拟仿真实验教学课程共享平台”（网址为http://www.ilab-x.com/）上完成。线下实操部分在学校采矿工程虚拟仿真实验教学中心完成。实践和实操内容主要包括线上虚拟仿真实验、智能综采工作面模型操作、煤矿VR智能体验和煤矿生产系统仿真实操等，涵盖课程质量标准中规定的实验内容。

线上实践环节，要求学生至少完成4个线上课程的虚拟仿真实验，其中在煤矿智能化工作面开采虚拟仿真实验、综采放顶煤虚拟仿真教学实验等4个国家级一流课程中任选2门，在煤巷综掘装备及快速支护掘进工艺虚拟仿真、煤矿掘进安全虚拟仿真实验等8个申报课程中至少选2门。在所选4门课程中，要求必须完成虚拟仿真实验环节，完成实验后要提供成绩证明。图1所示为煤矿智能化工作面开采虚拟仿真实验的界面。

图1 线上虚拟仿真实验

在线下实操环节，学生5~7人编为一组，自主分组并编号，分批进入实验室。智能采煤工作面模型操作，要求在集控室远程完成采煤机记忆割煤、跟机移架、推移刮板输送机等工艺过程，如图2所示。在煤矿VR智能体验中，要求学生戴头盔完成紧急避险、岗位作业流程等仿真视频观看和互动操作，如图3所示。煤矿生产系统仿真实操部分，要求学生在对应的虚拟仿真设备上完整完成采煤工艺、掘进工艺、主副井提升等操作工作。上页图4所示是学生在操作掘进虚拟仿真设备。

图2 智能采煤工作面实操

图3 煤矿VR智能体验

图4 巷道综合机械化掘进虚拟仿真实操

2021-2022学年第1学期，“矿山虚拟仿真实践”课程首次在采矿工程卓越工程师班中开设，选课学生共26人。从过程来看，学生普遍对该课程感兴趣，参与程度很高，对该授课方式普遍接受。从完成情况来看，学生均能完成教学设计中规定的实践内容，完成度高，但是完成质量参差不齐。从课程成绩来看，平均分为86.4分，总体优秀。以上情况说明，基于虚拟仿真资源的线上线下混合式实践教学模式应用效果较好。

当然，实践中也存在以下三个方面的问题：一是线上的虚拟仿真资源占用内存较大，加载时间较长，对网速要求较高，只能在计算机上学习，手机终端无法使用，这在一定程度上影响了学生的体验；
二是实操部分的虚拟仿真设备台数有限，学生分组较多，实操时间过长，教学组织困难；
三是评价体系还需要进一步完善。

虚拟仿真实验教学作为新形势下现代实践教学的重要手段之一，在人才培养中的作用越来越明显。在后疫情时代，基于虚拟仿真资源的线上线下混合式实践教学模式应不断发展完善。

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