矿业工程开放式仿真实验教学模式研究

雷 芸，包申旭，王咏琴，杜贝贝

（武汉理工大学资源与环境工程学院 湖北 武汉 430070）

随着对虚拟仿真研究的不断深入，虚拟仿真以其独特的魅力在教学上得到了广泛应用[1]。将开放式仿真引入实验教学，借助互联网在计算机或其他设备上模拟仿真实验设备、器材以及实验过程，给学生一种真实的体验感[2]。与传统教学模式相比，开放式虚拟仿真很好地拓展了教学空间，极大地放开教学主体，突破时间的约束以及教学资源的限制。我国现有矿业实验教学部分采用工学结合、校企合作的教学模式，在最新倡导的开放式教学方针和办学理念下，传统模式教学不能很好地满足这个要求[3]。在开放式仿真实验平台中，学生通过线上学习可以真实感受实验操作流程，避免操作过程中可能出现的危险问题。相较于传统的面对面教学，这种新型教学方式更好地提升了学生学习的积极性、主动性和创新性，而且促进了理论分析以及实践能力的同时提升。因此，在矿业工程教学过程中引进开放式仿真技术进行教学改革，具有重要的现实意义。

1 开放式仿真实验教学模式研究的目的和意义

由于矿业实验教学尚未形成完备的工学结合，校企合作的教学主体也还未很好地实施，尤其是新冠肺炎疫情暴发以来，一直强调居家隔离、学生上网课等疫情防控举措，校企合作的教学模式就更加难以进行，同时教学空间有限，而且教学时段与生产实际不匹配，这些直接影响了矿物材料实验教学新模式的推进[4]。且根据国家关于教育信息化的相关政策要求，教育部于2014、2015年相继开展了国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作，逐步推进高校实验教学信息化建设与实验教学改革与发展，建立了国家虚拟仿真实验教学项目共享平台，推进实践资源的 “共建共享” 。因此，结合教育资源实际情况，建设与利用网络平台、实施网络环境下的实验教学模式将成为高校教学改革的重点。

以矿物材料系统实验课程为载体，充分运用优质教学软件和教学资源，通过建设矿物材料虚拟仿真实验素材库，区域性资源整合的数字化平台，实现全国性教学资源的共享，建立高校网络环境下的虚拟仿真实验教学新模式。将开放式仿真实验室引入实验教学中，突破传统的面对面教学方式以及时间和空间的限制，不仅能有效解决传统教学面临的教育难题，还能更好地提高学生的学习兴趣和效率。在开放式仿真实验教学模式的引导下，将构建3个层次的教学过程，包括课堂示范教学、课程实践教学和开放式仿真实验教学（如图1），使其能够在有限的资源背景下充分实现教学的个性化，满足多任务、重开放、探索式的教学活动[5]。

图1 多层次开放式仿真实验教学模式

2 开放式仿真实验教学模式的内容

2.1 改革实验课程教学，优化教学形式

结合学生的认知能力和生活经历，在课程中融入新的教学模式，创设新的教学情景导入新课，激发学生主动探索的欲望。采用丰富的互动教学形式，包括师生互动、生生互动及人机互动方式，鼓励学生提出质疑，发表自己的观点，改变学生的被动角色，让学生自主学习[6]。

2.2 改革教学模式，探索开放式仿真实验教学体系

充分利用我院矿物加工资源与环境湖北省重点实验室的仪器设备和师资力量，探索开放式仿真实验教学的方法，并完善新型教学模式体系。通过将其融入矿业工程的课程教学中来改善传统教育存在问题，进而广泛地应用到实验技能竞赛、创新实验设计竞赛、实验模型制作竞赛、数学建模竞赛等各类竞赛中。

2.3 研究产学结合的教育教学模式

将学校中的教学和科研与企业中的生产联合起来培养优秀人才，可以进一步提高学生的学习兴趣和积极主动性，同时培养学生的创新意识和创新能力，提升学生对专业知识的掌握、应用和创新能力，全面提升学生的综合素质。

2.4 虚拟仿真实验平台的构建

以模块化教学系统为设计理念，通过分析实验教学系统的组成、工作原理、操作逻辑等内容，架构开放式仿真实验教学素材库，可分为：计算机模块、电源模块和输入/输出模块（如图2）。

图2 开放式仿真实验教学素材库模块化架构

其中，计算机模块主要是用模型模拟线下实验教学内容及过程，包括正常信号处理、故障处理及自检等内容，通过3D建模软件构建三维模型，从而在计算机上进行教学的过程。电源模块虚拟模拟通电逻辑电路来控制电路的开关，以及对故障等情况的处理，利用软件建模的形式，在系统内部采用程序语言实现电源模块的正常与非正常操作。输入模块包括信号源识别、控制面板和操作机构等内容，采用几何建模的方式，利用3D建模软件构建教学中需要操作学习的设备或仪器等的三维模型，通过控制面板和操作机构模拟实验过程。输出模块以音频、仪表和反馈机构等内容展示，最后利用图像渲染前面步骤的结果来达到对实验过程的图形化仿真[7]。

构建矿业工程专业开放式仿真实验平台的重点是满足于多层次、模块化、探索式的研究性教学，构建的重心及目的是形成全面性和研究性实验（如图3，p62）。以解决实际问题为出发点，在开放式仿真实验平台进行环境设置和内容设置，一方面提供交互、开放、自助的实验场景，增强实验过程的体验，另一方面模拟实验设备、实验工艺和实验过程等多层次、模块化的实验内容，以进一步锻炼学生综合运用知识与解决实际问题的能力[8]。

图3 开放式仿真实验平台的构建路线

3 开放式仿真实验教学模式的优势

3.1 丰富教学主体及教学形式

传统的教学模式是老师一人讲解，学生跟随老师和课本按部就班做任务，很少进行思考、创新，而新型的开放式仿真实验教学模式的教学主体将不单单是校内老师，还可以邀请校外相关专业的专家进行网上授课，或联合企业将实际生产现场与理论知识一同传输给学生。学生通过对企业生产实况进行观察，线上模拟实习，更好地理解理论与生产之间的联系，更有利于学生职业技能的提升。仿真实验教学不仅能真实模拟实际操作，针对某些实验课程，还可以通过线上仿真实验的反应过程，利用分子模型构建反应中分子或原子的变化。相较于传统模式，采用这种方式，学生能够更真实、直观地了解反应过程中的变化，将抽象具体化，微观宏观化，更有利于加深学生的记忆[9]。

3.2 拓展教学空间

传统教学模式是在特定的空间进行，如某些实验课程，学生必须在特定的时间到指定的实验室做实验，如遇到请假等情况就不能参与此次课程。新教学模式不仅仅局限于实验室，在仿真平台中，学生只要在有网络的地方就可以随时随地进行学习，不需要统一安排实验室，安排时间。学生可以在任何空闲的时间进行学习和操作，尤其是现在疫情反复，难免会遇到居家隔离的情况，开放式仿真实验教学不仅能保证教学任务的顺利进行，还符合疫情防控的需求；针对一些比较难的实验课程，学生难以在传统教学课时掌握学习内容，同时学生缺乏实验操作的熟练度，仅能在传统教学时间操练一遍实验流程。但是仿真平台建立后，只要登录学生客户端，学生就可以反复观看课程内容，重复操练实验流程，有利于学生更加深入地学习理论知识，熟练实验操作流程[10]。

3.3 打破教学时段限制

为了培养具有实用性、实效性的人才，现有矿业实验教学部分采用校企合作的教学模式。但是由于企业实际生产的时间段与教学时段之间不能很好地统一，在传统的教学模式下不能做到理论知识和生产实践的同时学习，而利用开放式仿真平台就可以很好地避免这一难题，学生在理论学习的同时，还可以实时观察企业生产线上的工作，借助仿真模型，学生还能实际感受生产操作，也更容易加深记忆[11]。

3.4 提高资源共享性

利用网络建立开放式仿真实验教学平台，能更好地增加交流，更好地进行资源共享[12]。矿业工程专业实验室的一些大型设备比较有限，而且很多仪器精密度比较强，如红外仪器，学生不能亲自动手操作，仅仅通过老师短时间的讲解、演练去了解设备，因此很多时候学生对这些仪器会很陌生，也不利于学生技能的培养[13]。目前学生人数随着高校的扩招不断上升，即使普通的仪器设备亦不能满足所有学生的同时使用。由于学时的限制，分组实验不能满足每个学生的动手操作，而利用仿真引入仪器分析，构建仪器模型，可以让学生更真实地感受某些仪器的构造，还能模拟这些仪器的使用操作，更加方便学生的学习以及实践[14]。

3.5 提高安全性

矿业工程教学过程中涉及企业实习和实验室课程，因此可能存在一些安全隐患。首先企业有很多大型的仪器设备，复杂生产过程及电路，这些对于没有生产实践的学生来说都是一些潜在的危险[15]。即使是校内实验也会存在一定的危险，如实验室里很多药品属于危险品，特别是一些涉及易制毒、易制爆药品，如硫酸、盐酸、硝酸和高锰酸钾。这些药品、药剂如果使用不当对人体会产生很大的伤害[16]。但在仿真平台里，这些危险可以避免。对于一些由于危险系数太大而取消的实验，仿真平台里也能实现，保障安全的同时，也扩宽了学生的知识面。

3.6 提升学习的积极主动性和创新性

在矿业工程教学中，学生创新能力的培养也必须融入实验教学过程中。但是由于传统教学形式单一，并不利于学生创新能力的培养。开放式仿真实验教学可以很好地做到产学结合；将课程中分散的理论与实践知识系统化、整体化，更有利于不同学科的知识交流，对学生创新意识和创新能力的进一步提高有很大的帮助。传统的教学模式一般让学生进行分组实验，小组活动就经常有个别同学会有偷懒现象，总想着依靠组员，这样的方式很难调动学生的学习积极性，而新型教学方式采用丰富的互动形式，并且可以满足一人一组，更有利于调动学生的积极性，让学生自愿主动地学习。

3.7 贴合学生的培养目标

新型教学模式更加符合矿物工程类专业人才的培养目标，将生产、教学、科研结合起来培养人才，同时增强学生的理论知识和技术能力，减少学生与企业所需人才之间的差距，更有利于高科技人才的培养[17]。

4 结论

以矿业工程实验课程为载体，建设仿真实验平台，采取开放式教学模式，打破了传统教学中时间、空间以及教学主体的限制，增加了更多的学科知识，实验课程内容，也更好地激发学生的思维创新，满足多任务、重开放、探索式的教学活动。开放式仿真实验教学模式更紧密地联合了理论知识与生产实际，更贴合矿业工程专业的人才培养目标。