基于虚拟现实场景的“煤矿开采”沉浸式教学研究

张凌云 赵永芳 张满怀

【摘 要】 全国教育大会提出高校应“着重培养创新型、复合型、应用型人才”，因此加强高校的教学实践环节是当前教学改革重点。本文结合虚拟现实新技术，进行“煤矿开采”课程的沉浸式教学研究，打破传统课堂的沉寂，给学生带来新鲜、趣味的体验感，提高课程教学效率。利用现代信息化科技力量，将采矿专业理论知识与实践操作相结合，全面提升学生的创新思维、操作技能和综合素养。

【关键词】 煤矿开采;沉浸式教学;应用型本科

“沉浸教学”是从加拿大兴起的一种外语教学模式，后在心理学界“沉浸理论”完善的基础上，“沉浸式教学”被理工科教育领域广泛推广。

一、沉浸式教学特点

沉浸理论在1975年由美国芝加哥大学心理学教授Mihalyi  Csikszentmihalyi首先提出。“沉浸”是学习、工作时的最佳体验，“沉浸式教学法”是指教育教学工作者在施教过程中巧妙运用多种教学手段，以学生的主体体验为主，从其兴趣点出发，进入一种“沉浸”体验的学习状态，达到自主学习目的。沉浸教学模式在国内课堂教学中已有采用，但是其成功實施的前提是构建有效的课堂和学习的逼真环境。为加快我国应用型本科建设，在教学环节中利用沉浸式教学方法，优化传统教学情境与学习氛围，结合操作模拟平台、完成目标性任务，提高课堂教学质量。

二、开采专业课程授课瓶颈

“煤矿开采”课程是开采（采煤）专业开设的主要课程，包含地下采煤工艺及方法、巷道布置方法、矿井通风与安全等内容。煤层地质具有隐蔽性、多样性和复杂性特点，井工开采还要考虑地下空间立体交叉和动态变化等特点，教学传授难度较大。

传统教学主要以教师传授教学为主、结合图片、借助多媒体视频讲解，尽可能地将枯燥、复杂的专业知识灌输给学生，但教学效果一般;为此校内还建设实训室进行现场教学，学生可进行直观学习，但投资成本过大;另校企合作的生产实践实习环节，可让同学全面系统地参与实践操作，但该环节危险性大，提供岗位数量也十分有限。

“煤矿开采”课程具有一定的复杂性，内容涉及面比较广，要达到培养应用型人才的教学目标，就要明确教学的重难点，有效结合教材，理清知识结构层次，加强理论与实践结合，提高学生的实操能力。因此教师要结合专业的性质，运用科学手段进行教学模式的改革。

三、沉浸式教学在煤矿开采专业教学中的应用实施

在煤矿开采专业课程领域，授课过程中师生间的交流枯燥、抽象、被动且生硬，仅利用语言、图片、视频的传统教学，缺乏空间立体结构的场景表现形式，学生理解掌握困难较大。沉浸式教学就是从增强学生实际体验感开始，突出三维空间展示特点，教学过程可以让学生沉浸在“井下采煤工作面”的环境中，参与生产布置、作业过程，进行交互操作，既提高课程教学效率又增强学习新鲜趣味性，改善传统教学中诸多问题。

将沉浸式教学应用于煤矿开采专业教学突出的优势主要体现在：授课理论知识与生产实践操作相匹配，借助模拟场景进行教学是沉浸式教学独特之处;学生不再单纯是传统课堂的“接收器”，化身为沉浸式教学作业中的“主动参与者”;教师放弃“填鸭式”教学，使用“带学徒式”的新手段。

（一）教学环节的设计

采煤工作面工艺设计是煤矿开采专业重要的教学内容，具有理论实践相结合的特点，下面以此部分教学内容为例进行教学环节的设计。学生依据采煤作业内容进行角色分工，按作业规程进行工作面推进。作业过程中学生在教师指导下需要对工作面采煤方法进行方案优选、确定布置设备型号、数量、功能及配套作业程序，明确“三机配套”概念、工作面循环数、工作面长度、超前支护、采煤截深、端头支护等专业术语和实践操作步骤，理解工作面的三维空间布置，掌握布置不同功能巷道对空间、功能、设施等的要求。将“采煤工作面工艺设计”作为一项系统工程，利用“工作面”这条主干线将“煤矿开采学”“采煤机械”“井巷工程”“煤矿地质”等多门专业课程进行学习应用，将众多零散知识要点融会贯通，实现对当代本科院校应用型人才的培养目标。

（二）沉浸式教学中学生的角色分配

学生以实际生产工作制度为依据，以综采工作面“四六作业制”为例，角色扮演分生产班和检修班两大类。生产班组中角色就应包括班长、采煤机司机、刮板机司机、移动变电站工、瓦斯员、乳化液泵司机、移架工、皮带机司机、转载工、安全员、绞车司机、电工;检修班组中应包括班长、电工、移动变电站工、瓦斯员、乳化液泵司机、支架检修工、乳化液管路检修工、刮板机、皮带机检修工、采煤机检修工、安全员。角色确定后，学生需按不同身份、职责进行沉浸式模拟场景作业分工，互相配合完成采煤工作面作业。

（三）采煤工作面作业教学的过程

采煤工作面教学的基础条件由任课教师依据课程进度提前做大纲设计，明确该教学环节预计涉及到的教学内容，指出学习重点内容，发布任务书。任务书中给出了矿井概述、地质条件、水文条件、开采煤层赋存条件等采掘条件，提前分发给学生进行资料查阅及工作方案设计，确定作业面采煤方法;设计作业面尺寸、选定配套采煤设备等，将诸多作业条件提前录入井下漫游操作系统，提供后期学生实操的基础作业场景。

学生进入井下漫游系统操作实景模拟界面后，按照工作内容按步骤进行操作。操作过程要注意理论与操作的结合，各工种角色相互配合作业。例如：三机司机的操作衔接、支护工的配合作业、检修工的作业重点等。除此之外，一些突发透水、火灾、冒顶、瓦斯、粉尘等灾害应急学习，也可使用类似沉浸式教学方法完成，既可以提高教学效率，完善教学内容，同时也能增加学生的实践经验，巩固掌握课堂知识。

最后做沉浸式教学总结。通过学生在各个教学环节的表现进行教学成绩评估汇总，教师也可以进行学生成绩分析，改进课堂教学重点、难点，让学生充分消化掌握知识要点，利用沉浸式教学手段反推教学效果。

四、结论

为满足我国新时代建设需要，全国本科院校都在积极探索应用型本科的发展之路，希望为学生们提供多元的成长途径，培养其知行合一的能力。文章从学院的特色专业出发，结合现代信息化技术手段，融合沉浸式和交互式特点，进行“煤矿开采”课程沉浸式教学研究，为专业教师提供形象生动展示教学内容的手段，同步为学生提供实操技能练习平台，让其能更直观地理解专业知识，增加教学趣味性、互动性，把传统的被动灌输式学习转化为主动兴趣式学习，提高教师教学效率，缩减学生知识盲区，提升教学成果，助力山西能源学院应用型本科的快速发展。

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