虚实结合的井巷工程实验教学体系构建

张伟光 王捞捞 郑晓东 陈俊智 唐杰兵 王瑞 李圣军

基金项目：本文系教育部第二批新工科研究与实践项目“智能采矿实践教学模式改革与探索”（项目编号：E-KYDZCH20201826）；新疆工程学院教学改革项目“以应用型人才培养为导向的地矿类专业实践教学模式改革与探索”（项目编号：2021g cxyjg29）研究成果之一。

作者简介：张伟光（1986—），男，硕士，新疆工程学院矿业工程与地质学院副教授，研究方向为矿山岩体力学与岩层控制；王捞捞（1994—），男，硕士，新疆工程学院矿业工程与地质学院讲师，研究方向为矿山压力与岩层控制；郑晓东（1993—），男，硕士，新疆工程学院矿业工程与地质学院讲师，研究方向为矿山岩体力学与岩层控制；陈俊智（1993—），男，硕士，新疆工程学院矿业工程与地质学院讲师，研究方向为矿山岩体力学与岩层控制；唐杰兵（1983—），男，回族，博士，新疆工程学院矿业工程与地质学院讲师，研究方向为冲击地压预警及其防治；王瑞（1992—），男，博士，新疆工程学院矿业工程与地质学院副教授，研究方向为地质动力区划下动压巷道围岩稳定控制；李圣军（1988—），男，硕士，新疆工程学院矿业工程与地质学院讲师，工程师，研究方向为矿山压力与岩层控制、采动损害与保护。

摘  要：井巷工程实验是井巷施工理论学习与实习实践教育相结合的纽带，研究对象是一个随时间空间变化的动态系统，受矿井生产、安全、设备等因素的制约，实体实验的开设难度大、学生体验感差。为了提高学生的综合应用和科研创新能力，以掘进工作面实验为例，采用虚拟仿真技术，将掘进工作面虚拟仿真实验与基于实景模拟矿井的掘进工作面实体实验相结合，构建虚实结合的井巷工程实验教学体系。该教学体系基于理实融合、科教融合、以虚补实、虚实互补的实验教学理念和思路，从实验教学计划编制、教学方法改革、教学效果评价、教学特色凝练等方面探讨。实践效果表明，该实验教学体系使学生获得了较大参与感和体验感，丰富了实验教学内容，解决了学生实验受矿井生产、安全、设备等条件限制问题，显著提高了井巷工程教学质量和效果。

关键词：井巷工程；虚实结合；实验教学体系；掘进工作面

中图分类号：G642    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2024）14-0051-04

煤炭资源在我国经济发展中的战略地位不可动摇，直接关乎国民经济运行的稳定，在今后一个较长的时期内仍是主要能源。［1-2］新疆已探明煤炭资源储量占全国40.5%，而新疆煤炭高等教育资源与水平较中东部地区还有一定差距，尤其在矿山压力与岩层控制、井巷工程等核心课程实验教学体系建设方面仍有待加强。根据国家“虚拟仿真实验中心”建设要求，不断改善办学条件，改革培养模式，实验教学与理论教学并重，打破实验教学依附于理论教学的传统模式，优化实验教学的各种资源，开发一批综合性、设计性和创新性实验项目，以便达到学校授专业知识、训实践能力、育人才素质、促创新思维的应用型人才培养目的。［3］采矿学、井巷工程等采矿工程专业核心课程的研究对象是一个随时间空间变化的动态系统，实体实验开设难度大、成本高、效果不理想。随着“互联网+”“5G+”等信息化的快速发展，虚拟仿真技术日趋成熟，逐渐进入高校实验课堂，丰富了高校课程实验教学资源，增强了学生学习兴趣，加快了高校实验教学的改革与创新。［4-7］论文以虚实结合的井巷工程实验教学为主题，以“掘进工作面实验”为例，依托新疆工程学院实景模拟矿井和“国家虚拟仿真实验教学课程共享平台——智能掘进工作面虚拟仿真实验系统”，从实验教学计划编制、教学方法改革、教学效果评价、教学特色凝练等方面，探讨与构建基于实景模拟矿井实体实验与智能掘进工作面虚拟仿真实验相结合的井巷工程实验教学体系。

一、虚实结合实验教学计划

井巷工程掘进工作面实验是采矿工程专业学生理解井巷施工技术和工艺的重要环节，是巩固和深化课程理论学习的重要渠道，更是引导学生理论联系实际、激发学习兴趣、增强实践应用能力、增强综合创新意识等的重要組成部分。掘进工作面作为煤矿生产的核心场所之一，其施工过程包含破岩、装岩、运输、支护、通风、测量等工序，是一个极其复杂的系统工程，具有成本高、不可逆、安全风险大等特点，造成学生实验存在高成本、危险性、地区性、不全面性、自主学习的主动性弱等诸多问题。在传统的依托实景模拟矿井的掘进工作面实体实验教学须结合“国家虚拟仿真实验教学课程共享平台—智能掘进工作面虚拟仿真实验系统”，以构建虚实结合的掘进工作面实验教学体系，如图1所示。

井巷工程虚实结合实验教学计划由四个部分构成，依次为课前预习、实体实验、智能掘进工作面虚拟仿真实验和掘进工作面专题设计研究。课前预习主要包括：在理论学习的基础之上，通过查阅文献及教材深入了解掘进工艺的主要类型及特征，掌握破岩、装岩、运输、支护等掘进主要工序之间的衔接关系及各工序的主要方式和机理；读懂实景模拟矿井生产系统示意图、岩层柱状图、掘进工作面作业规程，了解掘进工作面空间位置、掘进破岩方式、断面支护方式及参数等。实体实验主要依托实景模拟矿井掘进工作面，其内容主要包括转载机转载、皮带输送机运输、工作面临时支护、锚网的铺设等主要设备及工艺流程的参观。智能掘进工作面虚拟仿真实验包括掘进准备、掘进过程、巷道支护和质量监测等四个模块，主要以真实的智能化矿井为依托，构建高仿真度的虚拟实验环境和实验对象，在计算机上运用动画等一系列手段，模拟掘进工作面的真实环境，通过虚拟仿真实验系统学习井巷掘进新设备“掘锚一体机”，掌握智能掘进工作面工作环境、掘进设备及配套方式、安全操作流程、关键结构组成及功能。

二、虚实结合的实验教学方式

（一）虚实结合的教学方式

如图2所示，在井巷工程实验教学中，首先，要结合实景模拟矿井掘进工作面实体实验，让学生从对巷道断面形式、断面大小、巷道成形质量评价标准、锚固方式及机理、超前支护方式及标准、掘进通风等表面认知的层面过渡到理性感知，即通过现场观察、动手实测等方式实现理论和实践的融合。其次，要借助智能掘进工作面虚拟仿真实验系统，通过掘进工作面一个完整循环工序，即“掘进准备—开工割煤—巷道支护—支护质量检测”的三维虚拟化人机交互过程，使学生真实地沉浸虚拟环境，体验现场操作以及设备认知等内容，从而实现实体实验和虚拟实验的融合，极大地提高了学生学习的积极性。最后，将掘进准备、开工割煤、巷道支护、支护质量检测等四部分内容，结合某一工程案例，设计三类六个专题：1. 设计类专题：探放水方案设计、支护参数设计；2. 施工类专题：施工工艺流程、施工安全技术措施；3. 效果检测类：支护质量检测、围岩变形监测，由学生根据个人兴趣自由结合分组完成，从而实现科教融合，提高学生实践应用及综合创新能力。

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图2  虚实结合教学方式下的认知逻辑

（二）自主体验的教学方法

如何在井巷工程实验教学中激发学生的自主性，首先，在井巷工程的理论教学中介绍实验课的内容组成，重点展示虚拟仿真实验，课堂上进行简单的实操，以此激发学生的兴趣和独立探索未知领域的欲望，使其在后续的实验过程中能够发现问题、分析问题和解决问题。其次，培养学生学习知识的自主性，将学习行为视作生活中的重要组成，应用到实验过程中，针对井巷工程实验能自发地查阅资料、深入思考，选择合适的实验方法，甚至提出新的实验改进方法。最后，实验课上充分调动学生学习的主动性和积极性，迎合学生的兴趣爱好，将虚拟仿真实验以游戏形式呈现，不断激发学生的学习潜能和聪明才智。

体验式教学法需要为学生营造一个轻松、活泼、耳目一新的环境。以井巷工程的实验为例，改变以往实验课堂上教师讲授，学生听讲的模式，在实景模拟中操作掘进机，按照设计的截割轨迹移动截割头，结合预习的巷道支护理论，操作锚杆支护过程，让学生在实体实验操作中发现问题，解决问题。

（三）开放互动的实验环境

在实验教学中，充分发挥虚拟仿真实验的优势，虚拟仿真实验能够实现网络共享，可同时满足成百上千人的线上学习，具有更加真实的井下掘进环境，可以真实地反映智能化掘进工作面的工作场景，以及掘锚一体机的操作步骤，使学生沉浸式体验井下现场操作过程，以及学习设备功能等内容。人机交互的学习方法既增加了实验的趣味性，也激发了学生求知探索的兴趣，使学生在这种类似游戏的实验中加深对掘进设备操作的认识与理解。在开放式的教学平台上，可以集合多种不同类型的实验，根据课程的侧重点让学生在线上随时进行相关实验，极大地提高学生的自主选择和学习的积极性。

三、教学效果评价与反馈

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图3  考核内容占比

实验教学考核以线上线下相结合的方式。具体考核内容如图3所示。理论预习主要考核井巷工程的基础知识，尤其涉及本次实验的理论知识，选取具有代表性的知识点插入虚拟仿真实验中，以弹窗的形式让学生回答，题型以选择和判断为主，可随时更改题目。虚拟仿真实验考核实验步骤的完成度、规范程度以及用时长短等多维度综合评定。实体实验以小组的形式开展，实验操作需多人配合进行，考核小组的前期准备、实验操作的默契程度以及实验的完成质量等进行综合考核。实验报告是对虚拟仿真实验和实体实验过程的总结，反馈实验过程中遇到的难题，提出改进建议。具体评分规则见表1。

以采矿工程2020级学生为例，相较往届学生对井巷工程实验课的兴趣有明显的提升，尤其是对虚拟仿真实验内容更感兴趣，其形式贴合了当下大学生的心态。學生开始主动询问下次实验课的时间，由被动学习向主动学习转变。

表1  评分规则

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本研究选取的样本数量为2019级69人，2020级68人，对比两者井巷工程实验成绩，采矿2020级学生成绩有明显提升（如图4所示），2020级学生得分在60—70、70—80区间的人数在减少，而在80—90、90以上的人数明显增加，兴趣也更加浓厚，课堂互动增多，问题回答积极，实验课整体氛围活跃。

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图4  成绩分布

四、虚实结合实验教学体系特色

（一）根据行业发展趋势更新教学内容

以实景模拟矿井为载体，在采煤工作面、掘进工作面、运输大巷、测风站、中央变电所等关键位置辅以对应智能采煤、智能掘进、智能运输等虚拟仿真实验，配备相应的现场演示设备以及可供线上操作的集控平台，便于学生在机房完成相应的操作。采用“项目驱动式”的教学方法，借助虚拟仿真实验培养学生实操技能，提高其理论联系实际的能力。

（二）根据认知规律调整教学方式

考虑学生认知的过程既有渐进性、抽象性，又有明显的差异性，据此调整井巷工程实验教学方式。比如井下巷道的空间位置关系，部分学生空间想象能力比较强，容易理解，但还是有一部分学生难以理解其位置关系，需要辅助手段帮助其理解，这就需要进行相关的科学研究，开发相应的虚拟仿真实验，以及配套的软件等。借助科学研究产生的成果，用于实验平台建设，反哺学生实验教学，做到科教融合，完善实验平台建设。

（三）根据兴趣爱好补传统教学短板

一方面，改变了传统实验教学体验感差，参与感低的状况；另一方面，解决了特殊情况下无法正常开展实验的困境，如线下实验无法开展的情况，学生在外实习无法返校等状况，学生可开展线上的井巷工程实验。

五、结语

基于虚实结合的井巷工程实验教学体系的重构，一方面弥补了采矿工程专业部分专业核心课程实验教学条件不足的现状，拓展了该专业实验教学形式与改革的方向；另一方面，该实验教学体系在井巷工程实验教学运用效果较好，有效提升了学生的实验效率和对抽象知识点的理解。

参考文献：

［1］ 尚海涛. 煤炭作为我国基础能源的重要地位不可动摇［J］. 中国煤炭，2001（04）：5-8+13+4.

［2］ 万志军，屠世浩，徐营，等. 智能采矿人才培养定位及课程体系的构建［J］. 煤炭高等教育，2019，37（05）：77-82.

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［4］ 耿志挺，陈学军. 材料力学虚拟仿真实验系统的设计与开发［J］. 实验室研究与探索，2019，38（05）：98-101.

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［7］ 何磊，陈欣，唐建军，等. 虚实结合的生态学实验教学体系构建［J］. 实验室研究与探索，2021，40（06）：187-190+196.

（责任编辑：邵秋露）