張飛燕，劉柯含，韓 穎

(1.河南理工大學(xué) a.安全科學(xué)與工程學(xué)院；b.能源科學(xué)與工程學(xué)院，焦作 454003；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地，焦作 454003；3.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，焦作 454003)

“爆破安全”為安全工程、采礦工程以及土木工程等專業(yè)的核心課程，主要講述爆炸理論基礎(chǔ)、工業(yè)炸藥、起爆技術(shù)、巖石爆破理論、礦山與地下工程爆破技術(shù)及安全、爆破危害與安全防控、爆破安全管理等內(nèi)容[1,2]。課程教學(xué)內(nèi)容包括理論與實驗兩部分，兩者相輔相成。理論教學(xué)為實驗教學(xué)奠定堅實的理論基礎(chǔ)，而實驗教學(xué)則可通過學(xué)生對爆破實驗設(shè)備及儀器的實際操作，深化學(xué)生對理論知識的理解，并切實提高其實踐能力；同時，實驗教學(xué)是學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)業(yè)意識、團隊合作精神乃至綜合素質(zhì)培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，更是實現(xiàn)立德樹人、三全育人的重要方式與途徑。

但是，因涉及高危險性爆破器材和極端復(fù)雜的環(huán)境，國內(nèi)爆破類課程實驗開設(shè)均面臨如下難題[3]：①按照國家管控要求[4]，爆破實驗器材無法購置；②爆破施工現(xiàn)場真實環(huán)境，實驗室難以復(fù)制；③爆破實驗過程不可逆，危險性極高；④高溫、高壓、瞬時且不可逆的爆炸過程難以演示，爆破危害監(jiān)測與控制等后續(xù)環(huán)節(jié)無從談起。在此背景下，如何有效破解上述難題，探求新型、安全的課程實驗教學(xué)手段勢在必行。為此，結(jié)合長期的教學(xué)實踐，基于虛擬仿真技術(shù)及其相關(guān)專利技術(shù)，展開融合實驗教學(xué)體系構(gòu)建與實踐研究。

1 融合實驗教學(xué)體系構(gòu)建

1.1 融合實驗教學(xué)體系構(gòu)建背景

推進信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，對于提高教育質(zhì)量、促進教育公平、構(gòu)建學(xué)習(xí)型社會和人力資源強國具有重大意義[5]。教育部于2013年明確指出：作為學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，虛擬仿真實驗教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，可實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能[6]；全國高校探索虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)的熱潮由此掀起[7-10]。2017年，教育部決定在高校實驗教學(xué)改革和實驗教學(xué)項目信息化建設(shè)的基礎(chǔ)上，在普通本科高等學(xué)校開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作[11]。

2022年5月6日，國務(wù)院聯(lián)防聯(lián)控機制召開新聞發(fā)布會，教育部高等教育司一級巡視員宋毅指出：“2017年以來已經(jīng)遴選出728門虛擬仿真實驗一流課程。2018年，上線了‘實驗空間’虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，為全國高校提供了虛擬仿真課程開放共享服務(wù)，這個平臺上線的虛擬仿真實驗課程已經(jīng)達到3250多門，涵蓋了61個專業(yè)類；教育部計劃在2022年6月，‘智慧高教’平臺二期建設(shè)將增設(shè)虛擬仿真實驗板塊”[12]。可以看出，虛擬仿真實驗教學(xué)在高等教育中的作用日益凸顯，尤其自2019年12月新冠疫情暴發(fā)以來，為高校實驗教學(xué)提供了強有力的支撐。

但是，虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)的基本原則為：虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛[6]。教育部要求：“根據(jù)實驗教學(xué)計劃和實際情況，在堅持‘能實不虛’的基礎(chǔ)上加大虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)力度，探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的新型實驗教學(xué)模式”[11]。基于此，展開了線上與線下相結(jié)合的融合實驗教學(xué)體系探索，總體框架如圖1所示。

圖 1 融合實驗教學(xué)體系框架

1.2 融合實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

結(jié)合“爆破安全”課程理論教學(xué)內(nèi)容安排，對實驗教學(xué)內(nèi)容進行了整體優(yōu)化，選擇爆破安全工程中最具代表性的“巷道掘進爆破安全設(shè)計與實現(xiàn)”這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進行融合實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，如圖2所示。

圖 2 融合實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

由圖2可以看出，“巷道掘進爆破安全融合實驗”由線下、線上兩部分組成：①線下實驗屬綜合設(shè)計型，具有互動式、團隊式與設(shè)計性的特點。學(xué)生需于課前在任課教師指導(dǎo)下進行爆破方案設(shè)計；實驗課上需動手完成四項操作：炮孔布置、雷管檢測、起爆網(wǎng)路連接、網(wǎng)路導(dǎo)通性檢測。②線上實驗屬研究探索型，具有啟發(fā)式、探究式、多途徑與多方案的特點，學(xué)生需基于線上平臺依次完成以下環(huán)節(jié)的實操：實驗?zāi)康膶W(xué)習(xí)→爆破方案設(shè)計→爆破參數(shù)設(shè)計→炮孔施工與起爆網(wǎng)路連接→起爆→基于國家標準完成數(shù)據(jù)采集與分析→實驗結(jié)束，其中任意一環(huán)出現(xiàn)錯誤操作，實驗將無法繼續(xù)進行。

2 融合實驗教學(xué)平臺構(gòu)建與實踐

2.1 線上虛擬仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)建與實踐

借助虛擬現(xiàn)實、多媒體與人機交互等技術(shù)，開發(fā)了“巷道掘進爆破安全虛擬仿真實驗軟件”[13]，基于此承擔(dān)的“巷道掘進爆破安全虛擬仿真實驗”項目于2021年被認定為河南省一流本科課程(虛擬仿真實驗教學(xué)課程)，之后該實驗在“實驗空間”虛擬仿真實驗教學(xué)平臺上線。同時，為滿足線上實驗教學(xué)需要，課程團隊拓展開發(fā)了“巷道掘進爆破炮煙中毒應(yīng)急救援虛擬仿真實驗系統(tǒng)”[3]。

2.1.1 巷道掘進爆破安全虛擬仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)建與實踐

巷道掘進爆破安全虛擬仿真實驗可以實現(xiàn)從爆破方案與參數(shù)設(shè)計，到現(xiàn)場施工，直至最后進行爆破危害監(jiān)測的全工藝流程[14]。實驗平臺構(gòu)成要素如圖3所示。

圖 3 虛擬仿真實驗平臺構(gòu)成要素

(1)實驗環(huán)境

虛擬實驗環(huán)境主要設(shè)置為兩類：煤礦井下巖巷、非煤礦山井下巖巷。

(2)起爆方法選擇

可進行2種起爆方法的虛擬實驗操作：電力起爆法、導(dǎo)爆管雷管起爆法。主要學(xué)習(xí)電雷管與導(dǎo)爆管雷管的結(jié)構(gòu)，測定電雷管電阻與導(dǎo)爆管爆速。

(3)爆破方案設(shè)計與施工

虛擬實驗操作過程分為兩個環(huán)節(jié)：爆破設(shè)計與爆破施工。

在爆破設(shè)計環(huán)節(jié)，需要基于線上平臺進行以下參數(shù)設(shè)計：巷道掘進爆破方案、鉆孔直徑、炸藥品種和型號、起爆方法和起爆器材、循環(huán)進尺、炸藥單耗、裝藥系數(shù)、總裝藥量估算、炮孔總數(shù)目估算以及各種炮孔的孔深、孔間距、裝藥系數(shù)等。

在爆破施工環(huán)節(jié)，需進行以下虛擬操作：在巷道斷面上布孔、鉆孔與清孔，檢測瓦斯?jié)舛?，裝藥，各炮孔間連線，布置監(jiān)測點，連接起爆器，起爆。

(4)爆破危害監(jiān)測

爆破危害監(jiān)測項目主要包括：有毒氣體、粉塵、震動及沖擊波。

(5)實驗數(shù)據(jù)分析

學(xué)生需基于平臺提取爆破危害安全監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)，完成爆破參數(shù)設(shè)計表、爆破危害監(jiān)測數(shù)據(jù)表，然后在線提交實驗報告，以供任課教師在線批改。

虛擬仿真實驗平臺界面如圖4所示。通過網(wǎng)站登錄實驗平臺后，學(xué)生需首先完成實驗指導(dǎo)書學(xué)習(xí)、實驗相關(guān)知識點測試與復(fù)習(xí)等準備工作后，方可進入實驗環(huán)節(jié)，部分虛擬實驗過程如圖5所示。

2.1.2 巷道掘進爆破炮煙中毒應(yīng)急救援虛擬仿真平臺構(gòu)建與實踐

巷道掘進爆破炮煙中毒應(yīng)急救援虛擬仿真實驗平臺的主場景界面如圖6所示，主要設(shè)置兩個模塊：工人自救互救模塊、救援人員救援模塊，可實現(xiàn)巷道掘進爆破炮煙中毒事故動畫演示，并可在虛擬環(huán)境中交互式完成工人自救互救、救援人員救援兩項實際操作，提高學(xué)生自救互救與應(yīng)急救援能力。

圖 4 虛擬仿真實驗平臺界面

圖 5 部分實驗過程展示

圖 6 主場景界面

2.2 線下實體仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)建與實施

2.2.1 平臺構(gòu)建

線下實體仿真實驗教學(xué)平臺主要由巖巷掘進爆破仿真模型、教學(xué)用模擬電雷管、專用歐姆表組成，現(xiàn)分述如下：

(1)巖巷掘進爆破仿真模型

該模型基于煤礦井下巖巷掘進爆破工藝設(shè)計，如圖7所示。

圖 7 巖巷掘進爆破實體仿真模型

由圖7可以看出，巖巷掘進爆破仿真模型的正面可清晰展示掏槽孔、輔助孔及周邊孔(即光面孔)在巖巷掘進工作面的整體布局及相應(yīng)位置，有助于加深學(xué)生對炮孔設(shè)計原則與要求的準確理解與掌握；模型背面可清晰展示鉆孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有助于加深學(xué)生對炮孔施工工藝的整體把握以及對周邊孔作用的理解，進而理解循環(huán)進尺的概念。

(2)教學(xué)用仿真電雷管

基于線下實驗需求，課程教學(xué)團隊設(shè)計了教學(xué)用模擬雷管[15,16]，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖 8 模擬雷管結(jié)構(gòu)示意圖

教學(xué)用模擬雷管主要包括模擬瞬發(fā)電雷管、固定延期電雷管、可變延時電雷管以及延期導(dǎo)爆管雷管，有助于學(xué)生直觀了解不同雷管的結(jié)構(gòu)，準確辨別瞬發(fā)雷管與延期雷管結(jié)構(gòu)上的異同，最終理解并掌握不同雷管的作用。

(3)專用歐姆表

線下實驗采用真實的歐姆表，對教學(xué)用模擬電雷管進行檢測。

2.2.2 線下實體仿真實驗教學(xué)環(huán)節(jié)

線下實體仿真實驗分為課前、課中兩個階段。

課前，任課教師將班級學(xué)生分為若干小組，并提供巖巷掘進爆破仿真模型的斷面尺寸?；诖?，各個小組首先進行炮孔布置方案設(shè)計，確定工作面所需炮孔的布置方式及數(shù)量；然后進行起爆方法與起爆網(wǎng)路設(shè)計，確定起爆網(wǎng)路連接方式以及實驗所需不同段別的電雷管數(shù)量；最后，提前準備各種實驗儀器與耗材。

為檢驗學(xué)生的設(shè)計方案正確與否，并鍛煉其動手操作能力，任課教師提前在巖巷掘進爆破仿真模型的正面粘貼一層白紙，將模型預(yù)設(shè)的炮孔遮擋住，該項工作也可由學(xué)生在實驗室開始時完成。實驗課開始后，各個小組首先領(lǐng)取專用歐姆表、教學(xué)用模擬電雷管等儀器與耗材，然后依據(jù)課前設(shè)計的方案，在白紙上完成炮孔布置；接下來，依次完成電雷管檢測、將檢測合格的電雷管裝入炮孔、連線、起爆網(wǎng)路導(dǎo)通性檢測等工作，最后進行模擬起爆。部分線下實驗環(huán)節(jié)如圖9所示。

圖 9 線下實驗環(huán)節(jié)展示

上述實驗環(huán)節(jié)完成后，讓各個小組將白紙撕掉，并認真觀察巖巷掘進爆破仿真模型的正面與背面，對比討論各自設(shè)計方案的缺陷與不足。經(jīng)此最后一環(huán)，學(xué)生對于理論知識的理解得到加深與提升。

3 融合實驗教學(xué)效果分析

“爆破安全”課程融合實驗不僅優(yōu)化了實驗教學(xué)項目，而且豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容，實驗教學(xué)效果綜合對比分析見表1。

表 1 融合實驗教學(xué)效果綜合對比分析表

巷道掘進爆破安全虛擬仿真實驗平臺，為學(xué)生完成巷道掘進爆破設(shè)計、施工與監(jiān)測的全過程提供了空間與載體；學(xué)生可對爆破方案進行自主設(shè)計，并通過交互式操作進行爆破施工與監(jiān)測，從而體驗真實實驗環(huán)境、高溫高壓瞬時的爆破過程以及爆破后產(chǎn)生爆破危害的情況；通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，學(xué)生可對設(shè)計方案的合理性進行評判，并對方案進行實時、動態(tài)調(diào)整。線上虛擬仿真實驗極大豐富了實驗教學(xué)的形式，它不僅形象、立體地展示出巷道掘進爆破真實的施工環(huán)境以及爆破的瞬時過程，增強了實驗課程的趣味性，同時突破了時間、地域?qū)τ趯嶒炚n程的限制，學(xué)生隨時隨地皆可通過網(wǎng)絡(luò)完成實驗任務(wù)。線上虛擬仿真實驗平臺在“實驗空間”網(wǎng)站上線以來的應(yīng)用數(shù)據(jù)，充分體現(xiàn)了線上實驗教學(xué)的良好效果，如圖10所示。

圖 10 線上實驗平臺應(yīng)用效果

而線下實體仿真實驗，以實體仿真模型為對象，學(xué)生分小組完成方案設(shè)計及實驗操作；在此過程中，不僅培養(yǎng)了學(xué)生團隊合作精神，而且加深了學(xué)生對課堂所學(xué)理論知識的理解與應(yīng)用，其動手操作能力得以同步提高。

4 結(jié)語

通過采用線上、線下相結(jié)合的教學(xué)方法，“爆破安全”課程線下實驗無法實現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容，由線上實驗進行有效補充；融合實驗教學(xué)體系構(gòu)建了虛實結(jié)合、相互補充的混合式教學(xué)模式，為破解爆破類實驗課程難以開設(shè)的難題提供了思路與參考。但是，融合實驗教學(xué)體系的應(yīng)用效果，仍需通過教學(xué)實踐進一步檢驗，課程團隊也將繼續(xù)對線上與線下兩個仿真平臺的功能進行完善與拓展。