虚拟仿真和模拟矿井双线融合实践实训教学机制研究

摘    要：实践实训教学是应用型人才培养的重要组成部分。基于应用型本科院校的办学定位和应用型人才培养目标的要求，在虚拟仿真和模拟矿井两个实践实训平台的基础上，文章提出从全景性、交互性、应用性、职业性和创新性五个维度把握两个实践实训教学平台建设的价值选择，阐述了保持虚拟仿真和模拟矿井两个教学平台一致性、互补性、整体性、协同性、生动性和专业性的双线融合实践实训教学机制的实践进路。

关键词：应用型;虚拟仿真;模拟矿井;双线融合;实践实训

中图分类号：G642      文献标识码：A     文章编号：1002-4107（2023）10-0066-04

一、引言

2015年，教育部发布《关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见》，一批院校确立了向应用型转变的发展思路。应用型成为我国高等教育改革新定位。“转型是确定目标方向的一个动态发展的优化过程”[1]。一些地方普通本科高校，全面开启了学科专业建设、人才培养方案、教学方式方法等方面的研究和探索，从多个视角对“应用型”做出了理论解读和实践尝试。文章在“黑龙江省应用型本科示范校”和“国家级一流本科专业建设点”基础上，对黑龙江科技大学采矿工程专业实践实训教学机制开展研究。任何一种教学方式的改革都离不开学生对知识体系学习效果的达成。作为教育教学改革的一种尝试，黑龙江科技大学在建设虚拟仿真和模拟矿井两大教学资源平台基础上，构建了两个教学平台双线融合教学的校内学生实践实训教学机制，取得了很好的教学效果，对同类或相关专业的实践实训具有一定的借鉴意义。

二、问题的提出

教育部发布的《关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见》强调，要加强实验实训、实习实践基地建设，建立以提高实践技能和职业能力为目标的人才培养体系，有机融合基础知识教育体系、技术技能培养体系与实验实训实习教学，系统培养学生的就业创业能力。采矿工程专业对于安全的极致追求，不允许有“试一试”的实习理念存在，固有的就是严格的、规范的操作。现实中，人的知识和技能的习得从来都不是一蹴而就的，它是一个过程体系。随着VR技术的发展、推广和普及，虚拟现实在教育教学中的优势逐渐凸显[2]。为有效弥补虚拟仿真教学的不足，黑龙江科技大学从应用型人才培养目标出发，为采矿工程专业学生“量身定制”了一个虚拟仿真和模拟矿井双线融合的实践实训平台。文章也正是基于此平台，积极探索和研究双线融合的研究实训教学机制。

三、建设双线融合实践实训教学平台的价值选择

“能力是一种个体化经验，具有内隐性、非传递性，它需要根植在实践情境中，通过个体的实践和主动建构而习得，而非他人所能‘传递’和‘告知’”[3]。在强化应用型专业教育的背景下，学习资源的提供，即“实践情景”的创设就成为学生通过实践主动建构实践知识能力体系的关键。创设有效的“教学实践情景”，要遵循学生实践实训认知规律，突破时间和空间的限制，“弥合认知理性与实践理性的断裂”[4]，着重从全景性、交互性、应用性、职业性和创新性五个维度强化虚拟仿真和模拟矿井两个实践实训平台的应用性价值取向。

（一）全景性维度

全景性维度是对工程“现实图景”完美展现的深度追求。实践实训所提供的“现实图景”必须具有立体、动态和全方位特性，要兼顾现实工程场景“点、线、面”的结合，通过视频、音频等模拟现实工程场景，对工程机械、工作环境、工作制度等形成的工程系统进行整体性构建，打破实践实训平台同工程现场的“时空壁垒”。同时，对工程机械工作原理的动态演示、工程机械主要部件的结构组成、重要部件的特殊工艺及材料等知识内容进行宏观和微观层面的展示，将模拟操作和实际操作有机结合起来，使学生“沉浸”在实践实训工程场景中，由一个工程实践的“旁观者”转变为一个“亲历者”，构建起真正的全景性实践实训教学平台。

（二）交互性维度

“学习资源的交互性反映学习资源支持教学交互的能力，直接影响着学习者与学习资源交互的效果，是评价学习资源质量的关键指标”[5]。交互性维度下的交互行为是指学习者和学习资源（平台）之间的主客体交互行为表现，强化的是实践实训平台的可操作性和真实的双向反馈感受。学生执行每项具体操作后能够感受到平台赋予的真实的视觉感受和体感的立体反馈，平台和学生之间形成一种逻辑性互动，建构起理论知识和实践知识相互支撑、相互印证的知识学习和转化体系，进而使工程理念、操作规范等知识和技能在学生端以体系方式更好地呈现。需要强调的是，交互性还应关注对学生学习的指导和可控性的创设。学习指导是指对学生实践实训过程的指导，包括理论知识、操作要求、注意事项等;可控性是学生对学习进度、学习内容等进行自主选择和切换的功能。

（三）应用性维度

应用性是应用型本科院校人才培养目标的本质属性。知识的传授，通常源于学生对抽象理论和符号的学习，而终于理论在具体实践中的应用。这是一个循环的知识建构机制。作为一种对应用型人才培养目标的回应，应用性维度应观照的是学生通过实践实训后与企业现场实际操作的契合度，即实践实训提供的“模拟场景”和“现实场景”的契合度。从这一理念出发，实践实训在应用性维度上应从两个层面予以考量，第一个层面，是在提供与现场高度相似的操作环境的基础上，确保只有学习资源高度契合、足够真实和丰富，才能为学生高质量达成实践实训目标提供有力保证。第二个层面，是在学生应用性能力培养上，在创设实践实训场景时，要保证学生实际操作的应用性价值，学生在操作过程中体现出精准性、熟练性和应变性，能够及时准确辨别工程现场的工况变化，采取正确的应对操作和措施，保持工程机械在安全、稳定、合理的参数下运转，保持工程系统的整体性推进。

（四）职业性维度

职业性强调的是知识的专业性、特殊性和经验性，注重的是对学生专业知识、实践技能、职业素养、安全理念、合作能力和契约精神等的培养，彰显的是学生的综合素质和能力。这是实践实训教学对学生职业生涯和社会需求向度的深刻回应，也是对大学期间学生的综合能力素质培养的一次凝聚和超越，更是对学生向职业人过渡的一次重要塑造。因此，实践实训教学资源的构建应保证学习过程的连贯性、系统性，创设真实具体的职业情境，促进学生知识、能力、素质的协调发展[6]。职业情境的创设需要原汁原味，应取法企业工程实景，保留工程要素的本真。最终，将实践实训教学资源的创设体现在学生职业人要素的集聚上。

（五）创新性维度

“应用型人才并非只‘应用’知识和理论，不进行研究。恰恰相反，应用型人才不仅在知识的应用方面发挥作用，而且在理论的创新方面常常给人们以启发，特别是应用型人才所开展的应用性研究，更具广泛的作用和意义”[7]。创新性是应用型人才培养的基本特征，创新性的价值指向、目标追求与应用型人才培养目标的本质属性（应用性）有着高度的一致性。实践实训教学应秉持创新性维度的旨趣，立足于学生独立探究精神的培养，给学生提供充足的想象和思索空间，“可想即可尝试”[8]，把学生的主体意识和主观能动性调动起来，培养学生独立思考、独立判断、独立操作、独立探究的特质，使学生的综合能力素质更加符合应用型人才培养的社会需求。

四、实践实训教学平台的建设情况和支撑条件

教师通过视频、文字、语音等方式讲解煤矿井下采煤、掘进等工艺，让学生系统了解煤矿井下工程系统。比如，井下掘进，通过虚拟仿真场景、动画演示，使学生掌握巷道掘进过程工艺流程，能够按照掘进规程进行模拟操作，出现错误操作时，能按照语音或文字提示进行矫正;同时，学生可以了解煤矿井下掘进过程中水、火、瓦斯、顶板事故的发生机理与诱发因素及违规操作可能发生的煤矿安全事故等，可根据系统提示进行险情预警及事故发生后的自救。

（一）虚拟仿真实践实训平台

1.“人—机”协同交互式平台

虚拟仿真系统通过软、硬件平台运行，实现逻辑关系数据化，通过读取各模块的逻辑关系数据，并根据人与人、人与设备、人与场景、设备与场景的行为与动作做出响应，展示给计算机终端，达到协同交互的教学目的。图1为煤矿掘进安全虚拟仿真系统模块构架。

2.煤矿井下工艺流程模拟操作

通过虚拟仿真场景、动画演示等方式还原煤矿井下巷道掘进工艺流程;遵循《煤矿安全规程》，按照煤矿实际生产过程中《掘进作业规程》，完成煤矿井下掘进工艺的模拟操作;出现错误操作时，通过语音或文字提示进行操作矫正;不当操作、安全检查不到位等因素触发煤矿掘进安全险情后，根据系统提示可进行险情规避。

（二）模拟矿井实践实训平台

模拟矿井采用设计制作一体化模式。主要包括模拟巷道、主要设备、其他设施及控制系统。模拟巷道主要包括运输大巷、总回风巷、矿山五大灾害模拟演示巷道、副井提升系统、联络巷、采煤工作面、掘进工作面、连续掘进工作面、普采工作面、炮采工作面;主要设备包括采掘设备、通风设备;其他设施及控制系统包括：巷道壁管线布置、轨道布置、照明等。模拟矿井将教学需要的采煤工作面、掘进工作面、炮采工作面、普采工作面、通风设施、水仓、主要管线、轨道，以及巷道各种支护形式等以逼真的形式模拟真实的井下生产系统。图2为模拟矿井实践实训平台系统构架。

（三）实践实训教学支撑条件

实践实训教学的支撑条件主要包括以下三个方面。一是服务“龙煤学院”（黑龙江省现代产业学院）的“双师双能”型教师和在煤炭生产企业聘任的兼职实践实训教师。二是科学完备的“国家一流本科专业建设点”下的应用型本科人才培养方案。三是“黑龙江省应用型本科示范校”提供的综合试点和资金保障。

五、实践实训平台双线融合教学机制的进路

实践实训应保持虚拟仿真和模拟矿井两个实践实训平台在教学中的一致性、互补性、整体性、协同性、生动性和专业性，实现双线融合的教学设计和机制，进而切实增强实践实训教学效果。

（一）保持双线融合的一致性

在实践实训教学过程中，要保持两个平台在教学内容安排上的一致性，搭建“虚实孪生”的教学构架，促进虚拟仿真与模拟矿井在重点实践实训技能和教学效果上的支撑融合，注重学生认知形成过程中双线教学场景交叉作用下的动态交互和知识一致性的生成，增强学生理论知识与实践技能的对接和转化能力。如多人协同在采煤工作面割煤的实践训练，尤其是采煤机进刀和移架等工序，学生可以在虚拟仿真平台反复观看视频和进行虚拟操作，也可以在模拟矿井中进行真实操作，实现理论知识与实践技能的对接与转化。

（二）保持双线融合的互补性

双线融合教学要注重两个平台教学内容的互补性，通过实践实训平台的功能差异实现实践实训教学内容和效果上的互补。如现实环境不易展现的教学环节可以通过虚拟仿真平台进行全过程模拟，学生可以体验采煤掘进现场的模拟实况或是因触发不安全因素导致的瓦斯爆炸、顶板垮塌、煤矿透水等煤矿安全事故;在模拟矿井平台，学生可以沉浸在煤矿开采的工程实景中，可以实地体验巷道、工作面的实景或是采煤机、液压支架等真实、全门类的采煤机械及设备。

（三）保持双线融合的整体性

双线融合教学要保证两个平台所创设的工程系统教学场景所展示的教学内容的整体性，而对于学生学习知识和掌握技能也能发挥整体性生成作用。虚拟仿真平台可按照煤炭开采、运输流程等教学内容将煤矿生产系统全景地展现给学生，让学生对整个煤炭生产系统进行浏览，增强学生对煤矿生产系统的整体性认知和把握。模拟矿井平台可将矿井、采掘工作面、电力系统、运输系统、井下采掘系统、安全通风系统、支护系统等教学内容进行真实性展现，可以使学生产生真切的沉浸感，使学生对于煤炭井下开采有一个整体性认知和掌握。同时，学生又可以把握煤矿开采的局部细节，如各类巷道的不同支护形式、矿山压力的显现与观测、瓦斯抽查的具体布置、各类安全设施的安排等，使学生既能了解矿山开采的宏观设计，也能学习矿井的局部设置，实现双线融合的整体性。