矿业类学科虚实结合实验教学模式研究

摘  要：实验教学是消化理论知识的一个重要的教学方式。传统线下实验教学因实验资源有限导致教学效果不佳，线上实验教学受到网络设备、教学组织方式和学生自律等因素的影响，教学效果难以保证。该文广泛调研当下国内煤炭高校参观讲解、线上操作和实际操作三类主流实验教学模式，并结合典型案例进行实验教学效果分析。结合疫情背景与当下虚拟仿真技术发展，提出线上线下与虚实结合的实验教学模式，助力矿业类学科实验教学质量与效果提升。

关键词：实验教学；教学模式；虚实结合；矿业工程；矿业类学科

中图分类号：G640        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）04-0001-04

Abstract： Experimental teaching is an important teaching method to digest theoretical knowledge. The traditional offline experimental teaching has poor teaching effect due to the limited experimental resources， and the online experimental teaching is affected by network equipment， teaching organization mode and students' self-discipline， as a result the teaching effect is difficult to guarantee. In this paper， three mainstream experimental teaching models in the current domestic coal colleges and universities are summarized as the visit explanation model， online operation model and practical operation model. The teaching results of these models are analyzed by using typical cases. Combined with the epidemic background and the current development of virtual simulation technology， the experimental teaching model combining online and offline with virtual reality is proposed to help improve the experimental teaching quality and effect of mining disciplines.

Keywords： experimental teaching; teaching model; virtual reality; mining engineering; mine engineering discipline

实验教学是提高学生理论理解和实践能力的必要环节，是传统工科学生教学环节不可或缺的重要部分。要求学生在扎实、牢固地掌握基础知识的前提下，通过实验课程进行具体操作实践，将抽象知识借由实验来实现具象化，从而将理论应用在实践中，促进学生对知识更好地理解与消化[1]。

2020年伊始，为防止新型冠状病毒感染疫情扩散，教育方面要求高校延迟开学，将线下课程纷纷转为线上课程。在这之前，线上教学及虚拟实验模式尚未得到大规模应用。自疫情开始，线上授课逐步常态化，虚拟教学模式也开始普及，并逐渐形成一套成熟的体系，但也衍生出了许多其他的问题。传统线下的现场实验教学模式往往受教学场地、教学器材、师资力量及学生数量等限制，无法为每位学生提供良好的实验体验[1]。而线上及虚拟教学模式正好弥补了线下的现场实验在时间上以及空间上缺陷，但并不代表线上模式不存在弊端。线下及现实实验模式对于实验教学模式的改革仍有许多可取之处，以及相当大程度的必要性。如何将线上与线下、虚拟与现实的实验教学模式有机结合起来，成为了影响新时代教学模式与教学质量至关重要的问题。

因此，本文通过调研多所矿业高校针对矿业类学科的实验教学案例，系统总结并分析不同模式实验教学环节过程及教学效果，通过对比分析来设计更符合新时代的混合实验教学模式，并应用于对学生创新性、实践性、团队性的培养。

一  矿业类学科实践教学现状

矿业工程作为一门传统的工科学科，同时也作为煤炭高校的特色优势学科，为国家经济以及社会发展贡献了十分重要的力量。矿业工程学科更是有着广泛的研究内容，与力学、地质学、物理、数学、安全、信息、机械、电气以及管理等多个学科具有广泛交叉性，是一门综合性极强的学科[2-3]。矿业工程其学科内涵以及服务的行业决定了其除了是一门综合性非常强的学科，还是一门十分注重实践性的学科。

对于学生的学科教育来说，进行实验教育是将在课堂上学习到的抽象理论知识进行具象化，更好地理解与消化；是在有限的条件下为学生们提供接触到尽可能真实的现场；是让学生们了解矿业开采的前线以及各种数据分析、方案制定，让学生们熟悉并掌握相关的流程，锻炼和提高学生工程实践能力的重要内容。大部分学校都针对采矿学、矿山压力与岩层控制、井巷工程等矿业学科开设了各种相关实验课程，并且建立了相对应的虚拟仿真实验系统，来配合理论课程进行实验学习。使学生可以通过实验学习充分吸收课堂理论知识，对提高学生的实践创新能力与综合素质，发挥了至关重要的作用。但是就目前实验教学的结果来看，仍存在以下问题。

（一）  “重理论，轻实验”的传统思想

我们一直在强调要注重学生工程实践能力的培养，但是在大学的实际教学当中部分学校以及教师并未对实验教学投入足够的精力。许多培养计划在制定的时候更偏向于理论的学习，并没有分配给实验课程足够的学时，这就严重限制了教师带学生深入了解实验内容。岩体力学、矿山压力与岩层控制、井巷工程等专业课程的知识本来就晦涩难懂，使得学生无法充分理解实验内涵，只能在有限的时间内慌乱的操作实验仪器，很多时候实验尚未完成可能就已经下课，学生的兴趣也瞬间降低了，致使实验无法充分完成[4]，教学目的无法达成。

（二）  线下实验受限制较多

我国大学生数量逐年增加，部分学校未及时进行实验室的扩建以及实验设备的添置，致使国内高校实验室资源有限，场地、设备不足乃至落后。只有岩石单轴抗拉、抗压试验等实验成本低、仪器设备充足的实验才可以向学生普及，然而针对个别实验，实验成本较高或者实验仪器较少，无法做到让大部分学生上手操作，无法很好地激发学生的学习兴趣，培养学生的实践创新能力。整个实验也是以教师授课演示为主，以学生被动听课简单模仿为辅，师生之间没有很好地沟通交流，实验过程过于僵化。

（三）  老师及学生对于线上实验的不重视

在2020年疫情爆发前，各所煤炭行业高校普遍都有各自的线上教学系统，但是重视程度并不高，对学生的要求也仅停留于要求学生提交一份参与实验的结果及证明，并不注重实验过程。这就导致部分学生养成了为了完成任务而去完成实验的不健康的思维逻辑，丧失了对于实验的兴趣，进而不再重视线上实验。同时部分学生自制能力差，无法认真完成线上实验任务，只会想方设法地应付公事，学习效果并不理想。甚至会使学生产生抵触心理，最终就导致学生线上实验学习效率低，不能实现实验本来的目标。

以上的实验现状反映出无论线上还是线下实验，都具有一定的局限性，只是单纯依靠某一种实验模式，无法适应新时代下的教学形式，学生也无法更好地掌握学习相关知识，无法培养创新实践能力，无法使学生的综合素质得到长足的提高。

二  典型案例分析

论文针对当前国内矿业类学科虚实结合实验教学方法与模式进行了调研分析，发现主要有参观讲解、线上操作和实际操作三类主流模式，如图1所示。以下分别以煤矿综采综掘模型认知实验、岩层移动物理相似模拟实验和综采放顶煤虚拟仿真实验为例，进行实验教学模式与效果分析。

（一）  煤矿综采综掘模型认知实验

矿业工程模型认知实验使学生在学习理论课程的同时，熟悉综采综掘工作面巷道和设备及其布置，掌握掘进面炸药爆破、掘进机掘进，采煤工作面采煤机、液压支架、刮板输送机等综采综掘设备的结构组成和系统总体配套。

实验前要求学生提前阅读掘进机（仿真模型）操作规程、采煤机（仿真模型）操作规程，在实验过程中进行模型实机操作。通过教师为学生在实验室现场讲解，来了解爆破掘进的相关知识，以及综采综掘工作面的注意事项和常见事故。通过听讲以及实践，让学生们身临其境，自己动手进行实践操作。掘进机、采煤机、液压支架等机械设备（仿真模型）功能相对完善，让学生有更加直观的认知，并且教师与同学之间可以随时讨论交流，使学生们能对采矿工作面专业知识有更深刻的认知与理解，加深学生们对于知识的印象，更好地扩散思维，激发学生的创造力。

实验同样存在非常明显的缺点。实验并不能真实地还原工作面的场景，只能在一定程度上进行模拟，仅仅作为参观学习，与实际生产情况有着较大的差距。实验受到场地设备以及时间的限制，很多模型以及概念还没有充分理解，部分学生还没有上机操作，实验就草草结束，不利于学生充分吸收与消化知识。

（二）  岩层移动物理相似模拟实验

物理相似模拟实验通过让学生自己动手进行材料配比、完成岩层铺设、布置应力传感器、将模型风干、最后人工开挖和记录模型变化数据等一系列实验操作，旨在让学生通过自己亲手操作，见证开采后的矿山压力导致压力拱的形成过程、“横三区，竖三带”现象等，加深对相关知识的领会，如图2所示。

通过现场实验，该教学过程对于学生的课程认知可以起到相应的指导作用，可以让学生很直观地看到压力拱形成的过程及稳定后的状态，同时让学生们自己动手进行模型制作，使学生不仅可以学习到书本上的知识，还锻炼了学生的动手能力以及团队成员之间的协作能力，更好地将书本上的知识生动形象地与实践活动相互结合起来。

但是该教学方式仍然存在着不足。对于该实验过程，教师比较注重前期模型建立的材料配比是否正确，忽视了实验后续的结果处理。实验过程较为复杂，配比过程以及模型制作过程较为繁琐，时间较长，如果采取线上虚拟仿真模拟实验，可以直接实现材料的精准配比，减少误差影响。同时通过计算机调节参数，使模型快速成型，可以节约大量时间。

（三）  综采放顶煤虚拟仿真实验

近年来，受疫情影响，大规模的学生工程现场学习受到限制，很多矿业类高校先后开发了不同形式的虚拟仿真实验系统，以线上形式开展实验教学，减少因特殊情况导致的教学停滞。如综采放顶煤虚拟仿真实验。该虚拟仿真实验克服了实验室和现代化真实矿井无法将相应的采煤方法及工艺作为实验条件的困难，采用先进的虚拟仿真技术和教学理念，构建综采放顶煤虚拟仿真教学实验平台，图3为部分虚拟仿真场景。

实验项目通过沉浸式显示和交互式操作实验平台引导学生完成综采放顶煤工艺实验。通过构建综采放顶煤工作面生产系统，来模拟工作面采煤机的割煤、推刮板输送机、移架、液压支架放煤的整个作业过程，引导学生在对综放理论知识掌握的基础上和对采煤设备结构、工作原理及操作方法了解的基础上，按照作业规程和工艺参数，操作采煤设备进行割煤、放煤作业，模拟综放工艺流程和工艺循环过程，系统掌握综采放顶煤工艺技术知识，提高实践能力。不过虚拟仿真实验仍有一定进步的空间，目前作为线上进行的虚拟仿真实验，部分学生容易出现网络卡顿及页面加载不成功的情况，网络不稳定经常会导致实验数据丢失等问题，实验无法正常完成，严重影响学生的学习热情以及实验效率。后期将进一步对服务器和网络进行优化。