采矿工程专业虚拟仿真实验室教学体系建设*

薛黎明，刘 哲

（中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京100083）

0 引 言

虚拟仿真实验室以人机交互、3D 建模和云计算等技术为基础，对实验设备、场景、步骤进行模拟，使学生在虚拟中进行实验，完成教学任务[1]。采矿工程专业传统实验室不具备或难以完成的教学实验，虚拟仿真实验室可辅助实现，实现教学资源体系完整化。学生可在采矿工程专业虚拟仿真实验室平台中熟悉矿井环境、矿井设计、矿井采掘、矿井灾害防治等，从而有效提高学生的理论基础和专业技能，进而提升学校的教学质量。为促进虚拟仿真实验室的建设，从2013至2015 年间教育部开展了300 个国家级虚拟仿真实验教学中心建设的工作，推动高校实验教育创新，从2017 年开始启动认定示范性虚拟仿真实验教学项目[2]。全国高校正在积极的开展虚拟仿真实验室的建设工作。中国矿业大学（北京）于2018 年建立采矿与安全虚拟仿真实验室并用于实验教学。本文通过分析国内矿业高校采矿工程专业的实验教学现状，并结合中国矿业大学（北京）采矿专业实验教学实践，发现采矿工程实验教学存在一些共性问题，并针对相关问题对采矿工程专业虚拟仿真实验室教学体系建设提出建设意见，可为其他矿业高校虚拟仿真实验室建设提供参考。

1 采矿工程专业传统实验室教学模式及存在的问题

随着各矿业高校生源的不断扩招，使得学生人数增长速度过快与传统实验室资源不足的矛盾开始显现。传统的采矿工程专业实验室会受到实验设备价格昂贵、品种短缺、教学内容形式单一等条件的约束，不利于提高矿业院校教学质量，无法满足培养综合型人才的教学需求。

1.1 教学内容和形式比较单一

采矿课程教学多以课堂理论讲解为主，实验教学辅助配合，对如矿井开采、井田开拓等难理解的抽象专业知识配合实验讲解[3]。传统采矿工程专业实验教学主要形式是由实验教师对实验的原理和过程进行讲解，示范实验操作，最后由学生操作完成实验基本内容，教师多注重是否完成实验任务，缺少实验过程中对创新思维的引导，这种“传输-接受”的实验方式不利于提高学生的动手能力和对专业知识的理解，学生在实验中的创新灵感因为实验条件有限很难得到验证和延伸，不利于培养学生的创新和实践能力。

1.2 实验时间和设备资源有限

一方面采矿工程专业实验课时相对较少不利于学生实验操作。另一方面大多数设备价格昂贵，经费投入不足，导致实验室设备数量和种类较少，影响专业教学的正常开展。多数学生需对实验进行多次操作才能掌握该实验，由于资源有限，学生往往只能对实验进行一次操作，这限制学生对知识的拓展。在采矿工程专业实验课程中，会接触到许多设备，但由于很多设备是封闭的，学生难以真正理解设备的原理和过程，这样会影响学生专业的抽象的理论知识和学习效果。

1.3 实验教学管理问题

采矿工程是实践性较强的专业，专业理论知识的学习和创新实践离不开实验教学活动[4]。但在采矿工程专业的教学中，部分高校对实验室管理工作不够重视，把实验教学仅当做教学过程中的一个辅助，有些高校把经验不足的老师安排到实验岗位，有时会因缺乏相关经验影响实验教学效果。不重视专门从事实验教学岗位的教师，导致实验室教师工作态度不够积极。实践能力强、学科特色鲜明的实验教学管理队伍不利形成，不利于采矿专业教学实验的开展和科研创新。

2 采矿工程专业虚拟仿真实验室建立的必要性

目前已有很多矿业高校在采矿工程专业虚拟仿真实验室建设方面作出了好的示范。如东北大学利用采矿虚拟仿真实验室服务于学生教学工作和课题研究；中国矿业大学建立采矿虚拟仿真实验平台，用于教学和科研工作[5-6]；在这种形势下，中国矿业大学（北京）在2018 年建立采矿与安全虚拟仿真实验室用于实验教学，为教学提供矿山高危环境综合性强、创新型强、复杂度高的典型实验项目，显著提高教学水平。在信息技术迅速发展的背景下，虚拟仿真实验室成为采矿工程专业实验教学的重要组成部分，它能有效提高实验室的合理利用和经济效果，提供丰富多彩的实验内容。

2.1 缓解实验室受经费和资源限制的重要途径

在采矿工程专业虚拟仿真实验中，利用计算机的优势，通过虚拟仿真实验模拟真实的实验仪器设备和实验场景。学生可随时随地利用采矿工程专业虚拟仿真实验平台操作实验，且实验可重复的操作演示，让学生完全掌握实验的原理和过程。这既可以克服实地资源紧张的困难，减少课程时间和实验设备的制约，使教学实验时间更自由，也能够降低认识实验的成本，提高了学生的学习质量和教师的教学质量。

2.2 提升教学资源共享的内在要求

学校可通过合理有效的开放运行机制管理虚拟仿真实验室，服务学校的实验教学计划目标，又服务师生设计的创新型科研实验项目，提升实验室使用效率，为教师科研项目提供必要的实验需求。采矿工程专业虚拟仿真实验室的建设能加强学校之间、学科之间、教师以及学生之间的联系与交流。采矿工程专业虚拟仿真实验室在服务学校教学的基础上，还可为矿山企业及研究院服务，充分地共享实验资源。

2.3 培养专业型人才的迫切需要

为国家培养具有高专业素质的综合型人才是高校的目标和责任。尤其针对采矿工程专业而言，学生需要掌握采矿学、通风安全建设、机电和排水系统管理等专业知识，而这些知识的学习需不断的实践来巩固。由于受到安全、环境、繁忙生产等因素的影响，学生难以在真实现代化矿井危险环境进行系统学习和实验。因此需要开设相关虚拟仿真实验课程，通过采矿工程专业虚拟仿真实验平台使学生的专业实践操作技能得到锻炼，能独立思考并解决遇到的实验难题。

3 采矿工程专业虚拟仿真实验室的教学体系建设

随着虚拟仿真实验室的建设逐渐增多，也出现了一些问题。如：院校虚拟仿真实验室的教学资源整合与开放共享程度普遍较低，教学管理体系不完善等[7-9]。据此，对采矿工程专业虚拟仿真实验室教学体系建设提出以下几点有针对性的建议，实验室教学体系建设结构如图1 所示。

图1 虚拟仿真实验室教学体系建设结构

3.1 开放与共享虚拟仿真实验室资源

在示范性虚拟仿真实验室的带领下，高校间可建立统一的交流机制和资源共享平台系统。已建设采矿工程专业虚拟仿真实验室的可以和其他专业融合，形成多专业综合性实验室，实现优势互补，并可以辐射没有虚拟仿真实验室的矿业院校，实现采矿工程专业虚拟实验室资源开放与共享，避免虚拟仿真实验室重复建设和功能单一等缺点。相互学习借鉴优秀的虚拟仿真实验教学方法和理念，均衡发展矿业院校的虚拟仿真实验教学水平，整体提高高校在虚拟仿真实验室教学发展的水平。

3.2 加强虚拟仿真实验室的教学队伍建设

采矿工程专业虚拟仿真实验教师团队要能够满足实验教学的要求，紧跟科技前沿和工程实际。培养高水平的虚拟仿真实验教学队伍，院校既要制定虚拟仿真实验教师的岗位职责制度，又要制定合理有效的考核监督和激励机制，提高教师的积极性。鼓励高水平教师积极加入到采矿工程专业虚拟仿真实验教学工作中，制定科学合理的师资建设规划，鼓励和支持专业实验室教师参加相关技能培训，提高教师的知识储备和教学能力，最终形成一支专业的虚拟仿真教学队伍。

3.3 建立科学合理的虚拟仿真实验室管理体系

科学合理的管理体系是促进高校虚拟仿真实验室的建设和发展的重要保障，需结合学校和专业特色等实际情况综合考虑建立合理的管理体系。管理体系如图2 所示。

图2 虚拟仿真实验室管理体系

在各级领导的配合工作下，逐步建设完善合理的虚拟仿真实验管理体系。建立虚拟仿真实验室监督体制，对已经建成的或正在规划筹建的虚拟仿真实验室定期进行考核监督，使实验室发挥应有的作用。

3.4 采矿工程专业虚拟仿真实验室课程教学模式

综合考虑采矿工程的专业特点和实际情况，将采矿专业课程教学与虚拟仿真实验结合，强化实践教学，利用计算机虚拟仿真技术，将教学过程中存在的重难点内容通过虚拟仿真的方式再现，使学生们对采矿课程的理解和掌握更加深刻。针对矿山的建设和开采，将矿山巷道、采煤方法、井田开拓方式、矿井通风等专业知识展现给学生，通过虚拟仿真环境模拟使矿山系统立体化，提高学生学习的感知水平，培养学生的创新思维和专业实践。

4 结束语

采矿工程专业虚拟仿真实验室的建设，实现了现代信息技术和实验室教学的深度融合。使学生能够在虚拟仿真环境下开展实验，实验教学内容更加生动有趣和丰富多彩，给传统的采矿工程专业实验教学注入新的活力。将采矿工程专业虚拟仿真实验室与传统采矿实验室有效结合，对采矿工程专业虚拟仿真实验室建设不断推陈出新，将虚拟仿真实验室建设和发展成为培养高素质、综合型采矿工程专业人才的重要教学平台。