虚拟仿真技术在矿物加工专业教学中的应用

晏全香，饶峰，刘金艳，邓荣东

（福州大学 紫金矿业学院，福建 福州）

一 引言

虚拟仿真技术与各学科的现代教学手段相结合，形成了独树一帜的虚拟仿真教学。近几年来，政策大力扶持，虚拟仿真教学更是遍地开花、应用极为广泛[1]。上至高校本科培养和硕博研究，下至中小学教学与启蒙兴趣培养，学校教育已经开始全面应用虚拟仿真技术。高校的矿物加工工程专业学习过程中，大量物理化学理论认识、选矿场景、矿山机械和实践教学等等都可以引入虚拟仿真教学，突破旧模式，为矿物加工教育培养带来新的机遇与挑战，也为选矿教育教学提供了新的方向和目标。

二 虚拟仿真用于矿物加工课程教学中的优势

（一） 安全有效的虚拟仿真教学模式

矿物加工的工业现场操作过程大多数时候都伴随着刺激性气味、高分贝噪音、机械操作风险等等，现场工作人员需要严格佩戴劳保用品。矿山企业安全规范明确指出，未经培训人员不被允许进入选厂操作范围。各大知名高校实验室，也时有发生安全事故。因此，在校学生和待培训人员想要获得现场工作体验，具有较大难度。虚拟仿真选厂体验，就能解决该难题。人机互动，在虚拟选厂中，人员用户确保了安全问题，可直接模拟风险较高的高温高压动态化学反应，也可进行选矿流程中的磨碎浮选操作，有效规避了实践现场操作时有可能出现的安全隐患[2]。由此可知，矿物加工中应用虚拟仿真教学，是一种安全有效的教学模式。

（二） 线上开放式体验节约型实践平台

新冠肺炎疫情持续两年期间，线上课堂成为开展教育的必需品。虚拟仿真用于矿物加工课程教学后，无论是隔离还是住家，无需进入矿山，在任意时间和地点，学生都可通过虚拟仿真平台了解矿物加工专业知识、操作实践验证理论，可以重复多次开放体验，不受传统课堂时间和空间的限制。 矿物加工专业的传统实习实践环节，经常需要联系企业、配合生产，甚至可以称得上需要长途跋涉、上山下乡、克服危难险阻，花费了大量经费才能完成教学。而虚拟仿真平台可以让矿加学生反复在线实训操作，增加了实践机会，不用经常面对“车间不便，干坐板凳”的尴尬局面；线上开放式选矿体验，大大减少了实习环节中的耗材花费，教学成本和风险都降低[3]。过去难以开展的高危险、高成本的实践操作，在虚拟技术下变得更加直观简便，灵活适用，可以实现真正的矿业技术共享开放、安全节约。

（三） 创新矿物加工教学互动反馈机制

早期矿物加工实验和实习环节中，老师教学时需要一对多，老师一张嘴，学生问题多，做不到即时互动和反馈，教学效果不佳。类似矿物加工这类工科课堂上，理论讲授、原理分析、机械结构分析时，学生很多时候只能借助有限的图片或视频想象实际场景，大多数学生不能理解或者早已放弃理解，很难做到师生互动，基本都是“低头族”“瞌睡党”。

虚拟在线平台突破常规，实现人机互动，创建虚拟场景，用户甚至可以借助视觉、嗅觉、听觉、触觉等等感知沉浸到场景中，互动反馈及时，学生的学习积极性和主动性也会大大提高[4]。平台可以虚拟各种矿山机械的机构拆装，可以组建选厂流程中重、磁、浮选的搭配，也可以模拟矿物与药剂之间的细微气泡接触反应，学生根据自身情况互动反馈，及时获得线上资源解答。人机互动实现多对一互动，庞大的资源量与学生共享。实践环节考核也更加高效，计算机处理数据迅速，分析结果后立刻反馈，学生可以多次人机对话，反复验证，理论联系上实践。教师通过计算机分析反馈结果，可以更有效实现全程监控、全程跟踪、合理考核，消除知识盲区。

三 矿物加工虚拟仿真中存在的问题

（一） 僵化思维难以突破传统

虽然国家教育部鼓励发展虚拟仿真教学与实践平台建设，但仍然有部分教师坚持实验室实地技能操作才能满足学生实训要求，虚拟仿真纯属“雾里看花”“水中捞月”，沉浸式体验技术有可能让学生们本就有的手机依赖症会变成电脑依赖症。并且，由于自身认识不足，也有人认为现有的虚拟仿真教学研究基础不扎实，模拟动态分选工程不理想，现有技术不成熟，虚拟环境脱离现实等等，他们疫情期间准备不充分，只能无奈接受虚拟教学，若要实际教学，虚拟教学模式并不合适。因此，不少教师不愿意配合推进矿加专业虚拟教学，导致矿加专业虚拟仿真教学建设工作难以展开[5]。

（二） 教学模式理论研究不成熟

虚拟技术自诞生以来，广泛用于航空航天、军事战争、数学计算模拟、工农业制造等等[6]。 早期虚拟技术应用领域大多都是科学技术型、工业制造应用等，高校教学虚拟仿真技术还处在发展初期阶段。教育部发文开展示范性虚拟仿真实验教学建设，全国高校蜂拥而动，几乎所有专业都在争取学校、省级、国家级虚拟仿真项目经费。申请项目、获得资助、推广应用，全面展开的虚拟教学项目并没有取得多少显著成果，并没有成熟的教学模式理论依据。技术的快速发展，需要有相关完善的理论研究。矿物加工虚拟仿真教学，同样面临这个难题，没有完善的应用模式[7]，都是摸着石头过河。建设项目如何展开、虚拟教学模式怎样改革、虚拟环境仿真或者虚拟现实仿真应用混乱，缺乏理论依据的教学模式创新大多浮于表面，没有内在的深层次思考，显然限制了矿加专业虚拟仿真项目的发展。模式研究不成熟也导致了学生对虚拟仿真教学的认识不足，比如线上实习时，学生反馈代入感不强，仍需要现场实习。

（三） 资源配套准备不足

高校虚拟仿真教学平台建设，需要计算机虚拟仿真技术与成熟的专业教学理念全面融合。 高速发展的计算机虚拟仿真技术，确实为高校教学改革带来了新思路。但是高校教学和计算机虚拟仿真技术毕竟是两个概念，高校教师不是计算机专家，如何熟练使用相关软件还是个难题。教师需要拥有学习另一门专业的能力，掌握本专业的同时，再将软件操作学会，并创作两个专业融合的教学指导教材，还要确保准备性，不然教学过程中会产生错误的观点，影响虚拟仿真教学效果。比如，矿物加工专业虚拟仿真教学中，需要仿真实现大量的物理化学反应和结构复杂的大型机械设备，往往需要大笔经费投入VR虚拟技术团队创作，创建矿加专业虚拟平台及相关软件。要构建出合适的虚拟平台，需要教学老师和虚拟技术团队多次磋商、仔细磨合。因此，虚拟仿真教学平台建设需要大量的专业教学老师、有与时俱进的计算机装备和软件设备维护人员。言而总之，建设矿物加工虚拟仿真平台，需要资金、人才、技术等多方面配套资源，集中力量才能做出创新成果[8]。

就目前来看，高校各专业都在积极申报虚拟仿真项目，几乎是“海选现场”，包括文学在内所有的专业都在尝试虚拟仿真教学。良性激励、妥善引导、再配套完善、齐心协力，虚拟仿真平台的建设和发展会更为顺利。

（四） 社会共有分享意识淡薄

实践教学中涉及的很多物理化学反应、机械设备、电子产品等相关线上资源，很难做到共享共有。很多相关企业已经做过设备动态模拟，但其脚本资源基本都不会外传分享，教师们和虚拟仿真技术人员基本是从零做起，耗费巨大，做出的效果可能还不如企业的专业版本，形成资源浪费。同行业不同单位内，基本自力更生，互相尊重主权，好的资源仅对少部分人开放。这种现象很正常，但却阻碍了高校和企业的共同进步。比如矿物加工工程专业教学中的测试分析电子产品、机械设备等，企业为了产品推广、技术研发和后期操作管理，基本都做过相关的虚拟仿真应用软件，若能和高校专业教学共享资源，就可以实现虚拟仿真平台快速推广和传播[7]。

四 矿物加工虚拟仿真技术应用发展建议

疫情持续发酵下，在线教育将成为世界教育的主要力量。虚拟仿真技术可以让在线教育更生动形象，身临其境感受知识，也可以让教学过程更高效、更节约。矿物加工虚拟仿真教学研究刚刚开始起步，和其他高校虚拟仿真相似，同样面临相当多的机遇与挑战。关于矿物加工虚拟仿真教学发展，主要的建议有以下几点：

（一） 从学生角度出发，实现沉浸式虚拟仿真

仿真环境设计尽可能和选矿现场相似，虚拟教学要做到身临其境，那就务必让学生感受到生动和真实，最好能沉浸体验。当然，现在多数高校都很重视教学改革，课堂上有了很多丰富的教学案例，还有各种视频、音频材料，表面上看确实层次分明，丰富多彩，实际上大多数学生仍然对内容一知半解，并没有融会贯通。应用于课堂教学的音视频材料，极大地丰富了单调的理论课堂，激发了学生的学习兴趣，暂时成功地获取了部分学生的注意力。但是，当教学活动再转入涉及理论教学部分，学生的注意力就开始散开，整个课堂教学过程基本可以视作学生断--续--断--续参加学习的过程。这类改革过的音视频教学模式，也很难做到让学生持续关注并导入知识。虚拟仿真技术，可以将专业实践现场模拟出来，甚至可以直接用现场实景作为脚本，让学生直接体验现场实践环境。相比于音视频教学只能片段展示实践效果，虚拟仿真教学在矿物加工专业学习中让学生可以连续、完整、沉浸学习专业实践知识。

要实现连续沉浸学习效果，虚拟仿真教学脚本设计，尽可能切合教学中需要掌握的知识点，学生在虚拟环境中实地操作，沉浸式体验在线实时互动教学，并且可以反复练习操作，计算机记录学生操作学习情况，实时反馈，实行在线考核总结。教学时老师只是做开始的前景介绍，中间观察、结束后答疑、讨论和考核总结。进入体验后，则以学生自主学习、独立探索来完成学习内容，也可以增加学生自行连线的小组对抗、实践操作比赛等等交流环节，增加学生参与积极性。

（二） 开放创新，教学观念与时俱进

传统矿物加工教学，课堂上师生一起畅想设备原理结构，实践操作时教师手把手指导，随时提醒安全问题。一批又一批的学生接受同样的教育，教师们已经形成自有教学习惯，要其改变教学模式，适应新的虚拟仿真教学并不容易[7]。很多相关电子信息技术、在线操作技巧、虚拟设备内容等，教师们都要接受重新学习培训，这个过程不会轻松。教育部门和高校在关注教学改革的同时，要更加关注教师的各方面成长，比如心理思想方面、职业技术方面等等。要想把学生教育好，那就先把老师教育好。教师们原有的教学手段落后了，需要更新的不只是技术和理论，还有创新的思维和先进的教学观念。教师们要积极开放创新，抛却旧观念，改变自己，成为虚拟技术和矿加专业融合的综合性人才。并且，专业教师更要不断调整观念，克服各类艰难险阻，积极主动进行教育改革，与时俱进，发展壮大先进教师队伍[8]。

（三） 整合优势资源，共享先进经验

建议政府整合优势资源，积极消除行业壁垒，高校和相关企业尽可能实现资源共享。目前，我国教育教学部门与社会企业的关联并不紧密，企业技术发展与高校专业技术研究也并没有无缝连接，这实际上不利于培养对社会有利的人才。重点企业往往资金雄厚，国内外先进技术和装备齐全，政府积极发挥桥梁连接作用，高校研究部门积极联系相关重点生产企业，利用已有虚拟仿真软件，共享交流，减少资源浪费。对于企业来说，学校可以提供理论研究支持，在使用产品中产生操作问题和解决建议，可以完善企业软件不足和设备生产及管理经验，也可加快产品的推广和传播；对于学校方面，积极使用企业已有的先进应用软件，更贴合现场设备操作，实现仿真实景体验，培养学生的实际操控能力，也能节约成本，完善虚拟平台建设[9]。这个过程中，学生和教师都能掌握企业先进设备操作，学习先进技术和管理经验，与相关企业保持良好接触，也更有利于培养出适应社会的高技术、高质量人才。另外，各高校同类型专业也可共享技术交流平台，促进教学手段和研究水平交流，取长补短，互惠互利，推陈出新，避免重复建设。

五 结语

新一轮教学改革开展以来，虚拟仿真技术已经成为教育中不可缺少的重要组成部分。尤其是类似矿物加工工程这类工科属性的专业，动态模拟、虚拟仿真为学生带来更为生动、真实的互动学习体验，激发了学生参与兴趣，提高了学生实际操作中解决问题的能力。改革会带来更多机遇和挑战，虚拟仿真教学对于专业教育具有积极促进作用。政府、相关企业、高校教育部门共同努力，未来的矿物加工虚拟仿真教学改革成果，必将促进专业教育水平和教学质量的提高。