矿业类专业虚拟仿真实验一流课程创新与实践
赵国贞李建忠弓培林
［摘要］2020年，“矿山岩层移动及控制”虚拟仿真实验获批国家虚拟仿真实验一流课程，课程响应国家“能实不虚，虚实结合”实验建设的指导方针，将信息技术与采矿实验教学有机融合。课程开创了线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，将基于网络的虚拟教学与基于实践的课堂教学深度融合，激发了学生的实验兴趣，提升了学生的实践能力和创新能力，实践教学效果良好，为矿业类专业一流课程建设提供了新思路，同时可推广到其他矿业类高校，实现资源共享。
［关键词］矿山岩层移动及控制；一流课程；虚拟仿真；虚实融合；课程建设
［基金项目］2021年度山西省高等学校教学改革创新项目“学生中心虚实融合的矿业类专业一流课程创新与实践”（J2021197）；2021年度山西省高等学校教学改革创新项目“新工科背景下基于金课理念的采矿专业核心课程教学改革与实践”（J2021116）；2021年度教育部第二批产学合作协同育人项目“‘岩层控制模拟技术（全英）一流课程建设”（202102490016）
［中图分类号］G642.4［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2023）22-0108-04［收稿日期］2022-07-25
随着人们对课堂教育质量的不断追求，“金课”已然成为新时代中国高等教育改革与发展中最重要的因素之一［1］。采矿工程专业课程的研究对象是条件艰苦、环境复杂的煤矿，课程实验因耗时长、成本高、难控制、安全性等因素无法真实有效地开展，虚拟仿真一流课程为采矿工程专业实践教学提供了新的思路和方向。太原理工大学采矿工程系与北京润尼尔网络科技有限公司开展技术合作，共同建设了“矿山岩层移动及控制”虚拟仿真教学实验，2020年该实验获批国家虚拟仿真实验一流课程。对“矿山岩层移动及控制”虚拟仿真实验进行创新与实践，在课程内涵延伸、必要性及先进性、教学方式方法、教学成效等方面体现了明显的特色，为矿业类专业虚拟仿真实验一流课程的建设提供了指导和借鉴。
一、虚拟仿真“金课”的建设内涵
为什么要建设虚拟仿真“金课”？以矿业类专业课程为例，煤炭行业具有高危险、高能耗、灾害不可逆转等特点；煤矿安全形势严峻，实习安排困难、实习效果差；实验教学手段单一、实验内容更新慢，教学效果有待提升；传统验证型实验教学项目的教学方法和手段已不能满足学生需要，这些问题严重影响了矿业类专业学生的课程学习［2］。虚拟仿真实验一流课程将信息技术、智能技术与实验教学深度融合，着重解决了课程不具備真实实验条件及实验进行困难等问题［3］。与此同时，虚拟仿真实验一流课程极大地拓展了实验教学内容的广度和深度，使实验教学在时间和空间上得到了提升，其建设成效也成为衡量高校创新人才培养质量的重要指标［4］。
二、虚拟仿真实验应用于矿业类专业课程的必要性
“矿山岩层移动及控制”实验是采矿工程专业的学生必须掌握的实践教学环节。实验涉及的课程主要有“采矿学”“矿山压力与岩层控制”“岩层控制模拟技术”“矿压测试技术”等。实验主要采用了物理相似模拟方法，包含模型设计、材料配比计算、材料准备、模板架设、模型铺装、干燥、开挖、观测和数据分析等流程，但是该方法存在材料消耗大、劳动强度大、实验成本高、实验周期长、实验过程不可逆、实验环境差、实验风险高等特点［5］。鉴于以上情况，采矿工程专业本科生的“岩层控制相似模拟实验”教学目前只以参观为主，难以保证教学效果。因此，运用虚拟仿真技术研究物理模拟实验的虚拟仿真实现方法，制作虚拟仿真实验系统，对矿业类专业的实验教学至关重要。通过虚拟仿真实验系统，共享学习资源，开放学习空间，以学生自学为主、教师指导为辅，鼓励学生在特定的矿山环境下创新矿山岩层移动及控制模式，引导师生共同完成实验项目，不断提升学生的学习能力、创新能力和解决采矿复杂工程问题的能力［6］。
三、“矿山岩层移动及控制”虚拟仿真实验系统设计
实验设计以培养大学生的创新精神和综合实践能力为导向，遵循系统化、情景化、过程化、以实为本、虚实结合、能实不虚、能力提高与交互性等原则，按照“紧跟学科发展，立足社会需求，夯实实践能力，强化技能，培育团队精神，提高创新能力”的实验设计理念，科学规划了“矿山岩层移动及控制”实验教学项目，形成了“统一平台、分项虚拟、虚实结合、全方位共享”的虚拟仿真教学体系，以解决不具备真实实验条件及实验进行困难等在实验教学中遇到的问题［7］。
（一）虚拟仿真实验总体设计
如图1所示，虚拟仿真实验总体设计采用B/S架构，从技术层面看共分为五层，从底层向上分别为数据层、支撑层、通用服务层、仿真层和应用层，每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验教学环境的构建。项目采用Unity3D引擎完成开发，采用C#开发语言，通过3ds