虛擬仿真和模擬礦井雙線融合實踐實訓教學機制研究

肖福坤 張國華 秦濤

摘? ? 要：實踐實訓教學是應用型人才培養(yǎng)的重要組成部分?；趹眯捅究圃盒５霓k學定位和應用型人才培養(yǎng)目標的要求，在虛擬仿真和模擬礦井兩個實踐實訓平臺的基礎(chǔ)上，文章提出從全景性、交互性、應用性、職業(yè)性和創(chuàng)新性五個維度把握兩個實踐實訓教學平臺建設(shè)的價值選擇，闡述了保持虛擬仿真和模擬礦井兩個教學平臺一致性、互補性、整體性、協(xié)同性、生動性和專業(yè)性的雙線融合實踐實訓教學機制的實踐進路。

關(guān)鍵詞：應用型;虛擬仿真;模擬礦井;雙線融合;實踐實訓

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1002-4107（2023）10-0066-04

一、引言

2015年，教育部發(fā)布《關(guān)于引導部分地方普通本科高校向應用型轉(zhuǎn)變的指導意見》，一批院校確立了向應用型轉(zhuǎn)變的發(fā)展思路。應用型成為我國高等教育改革新定位?！稗D(zhuǎn)型是確定目標方向的一個動態(tài)發(fā)展的優(yōu)化過程”[1]。一些地方普通本科高校，全面開啟了學科專業(yè)建設(shè)、人才培養(yǎng)方案、教學方式方法等方面的研究和探索，從多個視角對“應用型”做出了理論解讀和實踐嘗試。文章在“黑龍江省應用型本科示范?！焙汀皣壹壱涣鞅究茖I(yè)建設(shè)點”基礎(chǔ)上，對黑龍江科技大學采礦工程專業(yè)實踐實訓教學機制開展研究。任何一種教學方式的改革都離不開學生對知識體系學習效果的達成。作為教育教學改革的一種嘗試，黑龍江科技大學在建設(shè)虛擬仿真和模擬礦井兩大教學資源平臺基礎(chǔ)上，構(gòu)建了兩個教學平臺雙線融合教學的校內(nèi)學生實踐實訓教學機制，取得了很好的教學效果，對同類或相關(guān)專業(yè)的實踐實訓具有一定的借鑒意義。

二、問題的提出

教育部發(fā)布的《關(guān)于引導部分地方普通本科高校向應用型轉(zhuǎn)變的指導意見》強調(diào)，要加強實驗實訓、實習實踐基地建設(shè)，建立以提高實踐技能和職業(yè)能力為目標的人才培養(yǎng)體系，有機融合基礎(chǔ)知識教育體系、技術(shù)技能培養(yǎng)體系與實驗實訓實習教學，系統(tǒng)培養(yǎng)學生的就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力。采礦工程專業(yè)對于安全的極致追求，不允許有“試一試”的實習理念存在，固有的就是嚴格的、規(guī)范的操作?，F(xiàn)實中，人的知識和技能的習得從來都不是一蹴而就的，它是一個過程體系。隨著VR技術(shù)的發(fā)展、推廣和普及，虛擬現(xiàn)實在教育教學中的優(yōu)勢逐漸凸顯[2]。為有效彌補虛擬仿真教學的不足，黑龍江科技大學從應用型人才培養(yǎng)目標出發(fā)，為采礦工程專業(yè)學生“量身定制”了一個虛擬仿真和模擬礦井雙線融合的實踐實訓平臺。文章也正是基于此平臺，積極探索和研究雙線融合的研究實訓教學機制。

三、建設(shè)雙線融合實踐實訓教學平臺的價值選擇

“能力是一種個體化經(jīng)驗，具有內(nèi)隱性、非傳遞性，它需要根植在實踐情境中，通過個體的實踐和主動建構(gòu)而習得，而非他人所能‘傳遞和‘告知”[3]。在強化應用型專業(yè)教育的背景下，學習資源的提供，即“實踐情景”的創(chuàng)設(shè)就成為學生通過實踐主動建構(gòu)實踐知識能力體系的關(guān)鍵。創(chuàng)設(shè)有效的“教學實踐情景”，要遵循學生實踐實訓認知規(guī)律，突破時間和空間的限制，“彌合認知理性與實踐理性的斷裂”[4]，著重從全景性、交互性、應用性、職業(yè)性和創(chuàng)新性五個維度強化虛擬仿真和模擬礦井兩個實踐實訓平臺的應用性價值取向。

（一）全景性維度

全景性維度是對工程“現(xiàn)實圖景”完美展現(xiàn)的深度追求。實踐實訓所提供的“現(xiàn)實圖景”必須具有立體、動態(tài)和全方位特性，要兼顧現(xiàn)實工程場景“點、線、面”的結(jié)合，通過視頻、音頻等模擬現(xiàn)實工程場景，對工程機械、工作環(huán)境、工作制度等形成的工程系統(tǒng)進行整體性構(gòu)建，打破實踐實訓平臺同工程現(xiàn)場的“時空壁壘”。同時，對工程機械工作原理的動態(tài)演示、工程機械主要部件的結(jié)構(gòu)組成、重要部件的特殊工藝及材料等知識內(nèi)容進行宏觀和微觀層面的展示，將模擬操作和實際操作有機結(jié)合起來，使學生“沉浸”在實踐實訓工程場景中，由一個工程實踐的“旁觀者”轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€“親歷者”，構(gòu)建起真正的全景性實踐實訓教學平臺。

（二）交互性維度

“學習資源的交互性反映學習資源支持教學交互的能力，直接影響著學習者與學習資源交互的效果，是評價學習資源質(zhì)量的關(guān)鍵指標”[5]。交互性維度下的交互行為是指學習者和學習資源（平臺）之間的主客體交互行為表現(xiàn)，強化的是實踐實訓平臺的可操作性和真實的雙向反饋感受。學生執(zhí)行每項具體操作后能夠感受到平臺賦予的真實的視覺感受和體感的立體反饋，平臺和學生之間形成一種邏輯性互動，建構(gòu)起理論知識和實踐知識相互支撐、相互印證的知識學習和轉(zhuǎn)化體系，進而使工程理念、操作規(guī)范等知識和技能在學生端以體系方式更好地呈現(xiàn)。需要強調(diào)的是，交互性還應關(guān)注對學生學習的指導和可控性的創(chuàng)設(shè)。學習指導是指對學生實踐實訓過程的指導，包括理論知識、操作要求、注意事項等;可控性是學生對學習進度、學習內(nèi)容等進行自主選擇和切換的功能。

（三）應用性維度

應用性是應用型本科院校人才培養(yǎng)目標的本質(zhì)屬性。知識的傳授，通常源于學生對抽象理論和符號的學習，而終于理論在具體實踐中的應用。這是一個循環(huán)的知識建構(gòu)機制。作為一種對應用型人才培養(yǎng)目標的回應，應用性維度應觀照的是學生通過實踐實訓后與企業(yè)現(xiàn)場實際操作的契合度，即實踐實訓提供的“模擬場景”和“現(xiàn)實場景”的契合度。從這一理念出發(fā)，實踐實訓在應用性維度上應從兩個層面予以考量，第一個層面，是在提供與現(xiàn)場高度相似的操作環(huán)境的基礎(chǔ)上，確保只有學習資源高度契合、足夠真實和豐富，才能為學生高質(zhì)量達成實踐實訓目標提供有力保證。第二個層面，是在學生應用性能力培養(yǎng)上，在創(chuàng)設(shè)實踐實訓場景時，要保證學生實際操作的應用性價值，學生在操作過程中體現(xiàn)出精準性、熟練性和應變性，能夠及時準確辨別工程現(xiàn)場的工況變化，采取正確的應對操作和措施，保持工程機械在安全、穩(wěn)定、合理的參數(shù)下運轉(zhuǎn)，保持工程系統(tǒng)的整體性推進。

（四）職業(yè)性維度

職業(yè)性強調(diào)的是知識的專業(yè)性、特殊性和經(jīng)驗性，注重的是對學生專業(yè)知識、實踐技能、職業(yè)素養(yǎng)、安全理念、合作能力和契約精神等的培養(yǎng)，彰顯的是學生的綜合素質(zhì)和能力。這是實踐實訓教學對學生職業(yè)生涯和社會需求向度的深刻回應，也是對大學期間學生的綜合能力素質(zhì)培養(yǎng)的一次凝聚和超越，更是對學生向職業(yè)人過渡的一次重要塑造。因此，實踐實訓教學資源的構(gòu)建應保證學習過程的連貫性、系統(tǒng)性，創(chuàng)設(shè)真實具體的職業(yè)情境，促進學生知識、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展[6]。職業(yè)情境的創(chuàng)設(shè)需要原汁原味，應取法企業(yè)工程實景，保留工程要素的本真。最終，將實踐實訓教學資源的創(chuàng)設(shè)體現(xiàn)在學生職業(yè)人要素的集聚上。

（五）創(chuàng)新性維度

“應用型人才并非只‘應用知識和理論，不進行研究。恰恰相反，應用型人才不僅在知識的應用方面發(fā)揮作用，而且在理論的創(chuàng)新方面常常給人們以啟發(fā)，特別是應用型人才所開展的應用性研究，更具廣泛的作用和意義”[7]。創(chuàng)新性是應用型人才培養(yǎng)的基本特征，創(chuàng)新性的價值指向、目標追求與應用型人才培養(yǎng)目標的本質(zhì)屬性（應用性）有著高度的一致性。實踐實訓教學應秉持創(chuàng)新性維度的旨趣，立足于學生獨立探究精神的培養(yǎng)，給學生提供充足的想象和思索空間，“可想即可嘗試”[8]，把學生的主體意識和主觀能動性調(diào)動起來，培養(yǎng)學生獨立思考、獨立判斷、獨立操作、獨立探究的特質(zhì)，使學生的綜合能力素質(zhì)更加符合應用型人才培養(yǎng)的社會需求。

四、實踐實訓教學平臺的建設(shè)情況和支撐條件

教師通過視頻、文字、語音等方式講解煤礦井下采煤、掘進等工藝，讓學生系統(tǒng)了解煤礦井下工程系統(tǒng)。比如，井下掘進，通過虛擬仿真場景、動畫演示，使學生掌握巷道掘進過程工藝流程，能夠按照掘進規(guī)程進行模擬操作，出現(xiàn)錯誤操作時，能按照語音或文字提示進行矯正;同時，學生可以了解煤礦井下掘進過程中水、火、瓦斯、頂板事故的發(fā)生機理與誘發(fā)因素及違規(guī)操作可能發(fā)生的煤礦安全事故等，可根據(jù)系統(tǒng)提示進行險情預警及事故發(fā)生后的自救。

（一）虛擬仿真實踐實訓平臺

1.“人—機”協(xié)同交互式平臺

虛擬仿真系統(tǒng)通過軟、硬件平臺運行，實現(xiàn)邏輯關(guān)系數(shù)據(jù)化，通過讀取各模塊的邏輯關(guān)系數(shù)據(jù)，并根據(jù)人與人、人與設(shè)備、人與場景、設(shè)備與場景的行為與動作做出響應，展示給計算機終端，達到協(xié)同交互的教學目的。圖1為煤礦掘進安全虛擬仿真系統(tǒng)模塊構(gòu)架。

2.煤礦井下工藝流程模擬操作

通過虛擬仿真場景、動畫演示等方式還原煤礦井下巷道掘進工藝流程;遵循《煤礦安全規(guī)程》，按照煤礦實際生產(chǎn)過程中《掘進作業(yè)規(guī)程》，完成煤礦井下掘進工藝的模擬操作;出現(xiàn)錯誤操作時，通過語音或文字提示進行操作矯正;不當操作、安全檢查不到位等因素觸發(fā)煤礦掘進安全險情后，根據(jù)系統(tǒng)提示可進行險情規(guī)避。

（二）模擬礦井實踐實訓平臺

模擬礦井采用設(shè)計制作一體化模式。主要包括模擬巷道、主要設(shè)備、其他設(shè)施及控制系統(tǒng)。模擬巷道主要包括運輸大巷、總回風巷、礦山五大災害模擬演示巷道、副井提升系統(tǒng)、聯(lián)絡(luò)巷、采煤工作面、掘進工作面、連續(xù)掘進工作面、普采工作面、炮采工作面;主要設(shè)備包括采掘設(shè)備、通風設(shè)備;其他設(shè)施及控制系統(tǒng)包括：巷道壁管線布置、軌道布置、照明等。模擬礦井將教學需要的采煤工作面、掘進工作面、炮采工作面、普采工作面、通風設(shè)施、水倉、主要管線、軌道，以及巷道各種支護形式等以逼真的形式模擬真實的井下生產(chǎn)系統(tǒng)。圖2為模擬礦井實踐實訓平臺系統(tǒng)構(gòu)架。

（三）實踐實訓教學支撐條件

實踐實訓教學的支撐條件主要包括以下三個方面。一是服務“龍煤學院”（黑龍江省現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學院）的“雙師雙能”型教師和在煤炭生產(chǎn)企業(yè)聘任的兼職實踐實訓教師。二是科學完備的“國家一流本科專業(yè)建設(shè)點”下的應用型本科人才培養(yǎng)方案。三是“黑龍江省應用型本科示范?！碧峁┑木C合試點和資金保障。

五、實踐實訓平臺雙線融合教學機制的進路

實踐實訓應保持虛擬仿真和模擬礦井兩個實踐實訓平臺在教學中的一致性、互補性、整體性、協(xié)同性、生動性和專業(yè)性，實現(xiàn)雙線融合的教學設(shè)計和機制，進而切實增強實踐實訓教學效果。

（一）保持雙線融合的一致性

在實踐實訓教學過程中，要保持兩個平臺在教學內(nèi)容安排上的一致性，搭建“虛實孿生”的教學構(gòu)架，促進虛擬仿真與模擬礦井在重點實踐實訓技能和教學效果上的支撐融合，注重學生認知形成過程中雙線教學場景交叉作用下的動態(tài)交互和知識一致性的生成，增強學生理論知識與實踐技能的對接和轉(zhuǎn)化能力。如多人協(xié)同在采煤工作面割煤的實踐訓練，尤其是采煤機進刀和移架等工序，學生可以在虛擬仿真平臺反復觀看視頻和進行虛擬操作，也可以在模擬礦井中進行真實操作，實現(xiàn)理論知識與實踐技能的對接與轉(zhuǎn)化。

（二）保持雙線融合的互補性

雙線融合教學要注重兩個平臺教學內(nèi)容的互補性，通過實踐實訓平臺的功能差異實現(xiàn)實踐實訓教學內(nèi)容和效果上的互補。如現(xiàn)實環(huán)境不易展現(xiàn)的教學環(huán)節(jié)可以通過虛擬仿真平臺進行全過程模擬，學生可以體驗采煤掘進現(xiàn)場的模擬實況或是因觸發(fā)不安全因素導致的瓦斯爆炸、頂板垮塌、煤礦透水等煤礦安全事故;在模擬礦井平臺，學生可以沉浸在煤礦開采的工程實景中，可以實地體驗巷道、工作面的實景或是采煤機、液壓支架等真實、全門類的采煤機械及設(shè)備。

（三）保持雙線融合的整體性

雙線融合教學要保證兩個平臺所創(chuàng)設(shè)的工程系統(tǒng)教學場景所展示的教學內(nèi)容的整體性，而對于學生學習知識和掌握技能也能發(fā)揮整體性生成作用。虛擬仿真平臺可按照煤炭開采、運輸流程等教學內(nèi)容將煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)全景地展現(xiàn)給學生，讓學生對整個煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)進行瀏覽，增強學生對煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的整體性認知和把握。模擬礦井平臺可將礦井、采掘工作面、電力系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、井下采掘系統(tǒng)、安全通風系統(tǒng)、支護系統(tǒng)等教學內(nèi)容進行真實性展現(xiàn)，可以使學生產(chǎn)生真切的沉浸感，使學生對于煤炭井下開采有一個整體性認知和掌握。同時，學生又可以把握煤礦開采的局部細節(jié)，如各類巷道的不同支護形式、礦山壓力的顯現(xiàn)與觀測、瓦斯抽查的具體布置、各類安全設(shè)施的安排等，使學生既能了解礦山開采的宏觀設(shè)計，也能學習礦井的局部設(shè)置，實現(xiàn)雙線融合的整體性。

（四）保持雙線融合的協(xié)同性

“實踐教學目標是教授目標與學習目標的共同體，不僅要體現(xiàn)學生的主體性，還要強調(diào)教師的引導性，是辯證統(tǒng)一的”[9]。實踐實訓教學作為一項教學活動，離不開教師的指導。教師和學生處于煤礦生產(chǎn)的共生場域下，一方面，教師根據(jù)教學內(nèi)容安排，引導學生自覺去發(fā)現(xiàn)、探索未知領(lǐng)域，注重學生主體性生成，全面激發(fā)學生的想象力和創(chuàng)造力;另一方面，教師引導學生通過感知、交互體驗去學習，注重學生的經(jīng)驗和技能生成，激發(fā)學生對知識和技能的相互驗證、對實際操作的全方位體察等深層次的學習自覺。由此看來，正是由于教師的指導、介入、協(xié)同，使得虛擬仿真和模擬礦井兩個平臺融合的協(xié)同效應增強，也實現(xiàn)了虛擬仿真和模擬礦井“1+1>2”的教學效果。

（五）保持雙線融合的生動性

無論是理論教學還是實踐教學，教學內(nèi)容的生動性很大程度上決定了教學效果。雙線融合也應追求工程場景展現(xiàn)的生動性，充分利用聲、光、色對于工程實踐的渲染和模擬，全面展現(xiàn)模擬礦井下采煤機采煤、移架和推送刮板輸送機協(xié)作運行的情況。從模擬和實景展現(xiàn)的效果看，將煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)的實況生動形象地展現(xiàn)給學生，不僅可以使學生很好地完成對采煤機械工作原理、操作要求、操作技能等工程技能綜合訓練，也可以很好地調(diào)動學生學習的積極性和主動性。

（六）保持雙線融合的專業(yè)性

教師要秉持大工程觀，把工程理念、工程意識、工程思維、工程能力等融入到實踐實訓教學當中，貫穿整個實踐實訓過程。這是實踐實訓的教學目標和根本任務，也是學生實踐實訓能力生成的綜合表現(xiàn)。因此，雙線融合教學過程中要注重實踐實訓教學內(nèi)容的專業(yè)性，將采礦工程專業(yè)理論知識和實踐實訓內(nèi)容相結(jié)合，引導學生體會“安全綠色開采”理念下的礦井設(shè)計理念和布局，無污染、不破壞環(huán)境的開采工藝，開采過程中的安全操作規(guī)范，安全警示設(shè)備的生產(chǎn)聯(lián)動等，提升學生的實踐能力，為其今后在相關(guān)工作崗位能更好地運用專業(yè)知識奠定基礎(chǔ)。

六、結(jié)束語

通過對虛擬仿真和模擬礦井雙線融合教學實踐實訓機制的研究和實踐，黑龍江科技大學采礦工程專業(yè)完全克服了實踐實訓場所受限、時間受限、課程安排設(shè)置受限、安全受限等一系列問題，在校內(nèi)很好地完成了實踐實訓教學任務，并收到了很好的教學效果和反饋。當然，也有需要進一步研究和探索的空間：一是實踐實訓過程中學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)問題，二是應用型人才培養(yǎng)目標實現(xiàn)的評價機制問題，三是實踐實訓指導教師的培養(yǎng)問題。

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收稿日期：2022-12-24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 修回日期：2023-02-13

作者簡介：肖福坤（1971—），男，遼寧西豐人，黑龍江科技大學礦業(yè)工程學院教授，博士，研究方向為煤礦深部開采教學和科研。

基金項目：黑龍江省高等教育教學改革項目“基于模擬礦井和虛擬仿真的采礦專業(yè)實踐實訓教學模式研究”（SJGY

20200630）;黑龍江省高等教育教學改革重點委托項目“應用型高校對接產(chǎn)業(yè)需求的工程人才培養(yǎng)體系研究與實踐”（SJGZ20200150）