張偉光 王撈撈 鄭曉東 陳俊智 唐杰兵 王瑞 李圣軍
基金項(xiàng)目:本文系教育部第二批新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“智能采礦實(shí)踐教學(xué)模式改革與探索”(項(xiàng)目編號(hào):E-KYDZCH20201826);新疆工程學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目“以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為導(dǎo)向的地礦類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式改革與探索”(項(xiàng)目編號(hào):2021g cxyjg29)研究成果之一。
作者簡(jiǎn)介:張偉光(1986—),男,碩士,新疆工程學(xué)院礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院副教授,研究方向?yàn)榈V山巖體力學(xué)與巖層控制;王撈撈(1994—),男,碩士,新疆工程學(xué)院礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院講師,研究方向?yàn)榈V山壓力與巖層控制;鄭曉東(1993—),男,碩士,新疆工程學(xué)院礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院講師,研究方向?yàn)榈V山巖體力學(xué)與巖層控制;陳俊智(1993—),男,碩士,新疆工程學(xué)院礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院講師,研究方向?yàn)榈V山巖體力學(xué)與巖層控制;唐杰兵(1983—),男,回族,博士,新疆工程學(xué)院礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院講師,研究方向?yàn)闆_擊地壓預(yù)警及其防治;王瑞(1992—),男,博士,新疆工程學(xué)院礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院副教授,研究方向?yàn)榈刭|(zhì)動(dòng)力區(qū)劃下動(dòng)壓巷道圍巖穩(wěn)定控制;李圣軍(1988—),男,碩士,新疆工程學(xué)院礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院講師,工程師,研究方向?yàn)榈V山壓力與巖層控制、采動(dòng)損害與保護(hù)。
摘? 要:井巷工程實(shí)驗(yàn)是井巷施工理論學(xué)習(xí)與實(shí)習(xí)實(shí)踐教育相結(jié)合的紐帶,研究對(duì)象是一個(gè)隨時(shí)間空間變化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng),受礦井生產(chǎn)、安全、設(shè)備等因素的制約,實(shí)體實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)難度大、學(xué)生體驗(yàn)感差。為了提高學(xué)生的綜合應(yīng)用和科研創(chuàng)新能力,以掘進(jìn)工作面實(shí)驗(yàn)為例,采用虛擬仿真技術(shù),將掘進(jìn)工作面虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與基于實(shí)景模擬礦井的掘進(jìn)工作面實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的井巷工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。該教學(xué)體系基于理實(shí)融合、科教融合、以虛補(bǔ)實(shí)、虛實(shí)互補(bǔ)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念和思路,從實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃編制、教學(xué)方法改革、教學(xué)效果評(píng)價(jià)、教學(xué)特色凝練等方面探討。實(shí)踐效果表明,該實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系使學(xué)生獲得了較大參與感和體驗(yàn)感,豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,解決了學(xué)生實(shí)驗(yàn)受礦井生產(chǎn)、安全、設(shè)備等條件限制問(wèn)題,顯著提高了井巷工程教學(xué)質(zhì)量和效果。
關(guān)鍵詞:井巷工程;虛實(shí)結(jié)合;實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系;掘進(jìn)工作面
中圖分類號(hào):G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? 文章編號(hào):1673-7164(2024)14-0051-04
煤炭資源在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的戰(zhàn)略地位不可動(dòng)搖,直接關(guān)乎國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的穩(wěn)定,在今后一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)仍是主要能源。[1-2]新疆已探明煤炭資源儲(chǔ)量占全國(guó)40.5%,而新疆煤炭高等教育資源與水平較中東部地區(qū)還有一定差距,尤其在礦山壓力與巖層控制、井巷工程等核心課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)方面仍有待加強(qiáng)。根據(jù)國(guó)家“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心”建設(shè)要求,不斷改善辦學(xué)條件,改革培養(yǎng)模式,實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)并重,打破實(shí)驗(yàn)教學(xué)依附于理論教學(xué)的傳統(tǒng)模式,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各種資源,開(kāi)發(fā)一批綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,以便達(dá)到學(xué)校授專業(yè)知識(shí)、訓(xùn)實(shí)踐能力、育人才素質(zhì)、促創(chuàng)新思維的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目的。[3]采礦學(xué)、井巷工程等采礦工程專業(yè)核心課程的研究對(duì)象是一個(gè)隨時(shí)間空間變化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng),實(shí)體實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)難度大、成本高、效果不理想。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”“5G+”等信息化的快速發(fā)展,虛擬仿真技術(shù)日趨成熟,逐漸進(jìn)入高校實(shí)驗(yàn)課堂,豐富了高校課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,加快了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新。[4-7]論文以虛實(shí)結(jié)合的井巷工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主題,以“掘進(jìn)工作面實(shí)驗(yàn)”為例,依托新疆工程學(xué)院實(shí)景模擬礦井和“國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)——智能掘進(jìn)工作面虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”,從實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃編制、教學(xué)方法改革、教學(xué)效果評(píng)價(jià)、教學(xué)特色凝練等方面,探討與構(gòu)建基于實(shí)景模擬礦井實(shí)體實(shí)驗(yàn)與智能掘進(jìn)工作面虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的井巷工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。
一、虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃
井巷工程掘進(jìn)工作面實(shí)驗(yàn)是采礦工程專業(yè)學(xué)生理解井巷施工技術(shù)和工藝的重要環(huán)節(jié),是鞏固和深化課程理論學(xué)習(xí)的重要渠道,更是引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)實(shí)踐應(yīng)用能力、增強(qiáng)綜合創(chuàng)新意識(shí)等的重要組成部分。掘進(jìn)工作面作為煤礦生產(chǎn)的核心場(chǎng)所之一,其施工過(guò)程包含破巖、裝巖、運(yùn)輸、支護(hù)、通風(fēng)、測(cè)量等工序,是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程,具有成本高、不可逆、安全風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn),造成學(xué)生實(shí)驗(yàn)存在高成本、危險(xiǎn)性、地區(qū)性、不全面性、自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性弱等諸多問(wèn)題。在傳統(tǒng)的依托實(shí)景模擬礦井的掘進(jìn)工作面實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)須結(jié)合“國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)—智能掘進(jìn)工作面虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”,以構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的掘進(jìn)工作面實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,如圖1所示。
井巷工程虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃由四個(gè)部分構(gòu)成,依次為課前預(yù)習(xí)、實(shí)體實(shí)驗(yàn)、智能掘進(jìn)工作面虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和掘進(jìn)工作面專題設(shè)計(jì)研究。課前預(yù)習(xí)主要包括:在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)之上,通過(guò)查閱文獻(xiàn)及教材深入了解掘進(jìn)工藝的主要類型及特征,掌握破巖、裝巖、運(yùn)輸、支護(hù)等掘進(jìn)主要工序之間的銜接關(guān)系及各工序的主要方式和機(jī)理;讀懂實(shí)景模擬礦井生產(chǎn)系統(tǒng)示意圖、巖層柱狀圖、掘進(jìn)工作面作業(yè)規(guī)程,了解掘進(jìn)工作面空間位置、掘進(jìn)破巖方式、斷面支護(hù)方式及參數(shù)等。實(shí)體實(shí)驗(yàn)主要依托實(shí)景模擬礦井掘進(jìn)工作面,其內(nèi)容主要包括轉(zhuǎn)載機(jī)轉(zhuǎn)載、皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸、工作面臨時(shí)支護(hù)、錨網(wǎng)的鋪設(shè)等主要設(shè)備及工藝流程的參觀。智能掘進(jìn)工作面虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包括掘進(jìn)準(zhǔn)備、掘進(jìn)過(guò)程、巷道支護(hù)和質(zhì)量監(jiān)測(cè)等四個(gè)模塊,主要以真實(shí)的智能化礦井為依托,構(gòu)建高仿真度的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象,在計(jì)算機(jī)上運(yùn)用動(dòng)畫等一系列手段,模擬掘進(jìn)工作面的真實(shí)環(huán)境,通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)學(xué)習(xí)井巷掘進(jìn)新設(shè)備“掘錨一體機(jī)”,掌握智能掘進(jìn)工作面工作環(huán)境、掘進(jìn)設(shè)備及配套方式、安全操作流程、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組成及功能。
二、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式
(一)虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式
如圖2所示,在井巷工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,首先,要結(jié)合實(shí)景模擬礦井掘進(jìn)工作面實(shí)體實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生從對(duì)巷道斷面形式、斷面大小、巷道成形質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、錨固方式及機(jī)理、超前支護(hù)方式及標(biāo)準(zhǔn)、掘進(jìn)通風(fēng)等表面認(rèn)知的層面過(guò)渡到理性感知,即通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察、動(dòng)手實(shí)測(cè)等方式實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的融合。其次,要借助智能掘進(jìn)工作面虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過(guò)掘進(jìn)工作面一個(gè)完整循環(huán)工序,即“掘進(jìn)準(zhǔn)備—開(kāi)工割煤—巷道支護(hù)—支護(hù)質(zhì)量檢測(cè)”的三維虛擬化人機(jī)交互過(guò)程,使學(xué)生真實(shí)地沉浸虛擬環(huán)境,體驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)操作以及設(shè)備認(rèn)知等內(nèi)容,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)的融合,極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。最后,將掘進(jìn)準(zhǔn)備、開(kāi)工割煤、巷道支護(hù)、支護(hù)質(zhì)量檢測(cè)等四部分內(nèi)容,結(jié)合某一工程案例,設(shè)計(jì)三類六個(gè)專題:1. 設(shè)計(jì)類專題:探放水方案設(shè)計(jì)、支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì);2. 施工類專題:施工工藝流程、施工安全技術(shù)措施;3. 效果檢測(cè)類:支護(hù)質(zhì)量檢測(cè)、圍巖變形監(jiān)測(cè),由學(xué)生根據(jù)個(gè)人興趣自由結(jié)合分組完成,從而實(shí)現(xiàn)科教融合,提高學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用及綜合創(chuàng)新能力。
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圖2? 虛實(shí)結(jié)合教學(xué)方式下的認(rèn)知邏輯
(二)自主體驗(yàn)的教學(xué)方法
如何在井巷工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中激發(fā)學(xué)生的自主性,首先,在井巷工程的理論教學(xué)中介紹實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容組成,重點(diǎn)展示虛擬仿真實(shí)驗(yàn),課堂上進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)操,以此激發(fā)學(xué)生的興趣和獨(dú)立探索未知領(lǐng)域的欲望,使其在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。其次,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的自主性,將學(xué)習(xí)行為視作生活中的重要組成,應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,針對(duì)井巷工程實(shí)驗(yàn)?zāi)茏园l(fā)地查閱資料、深入思考,選擇合適的實(shí)驗(yàn)方法,甚至提出新的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法。最后,實(shí)驗(yàn)課上充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性,迎合學(xué)生的興趣愛(ài)好,將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以游戲形式呈現(xiàn),不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能和聰明才智。
體驗(yàn)式教學(xué)法需要為學(xué)生營(yíng)造一個(gè)輕松、活潑、耳目一新的環(huán)境。以井巷工程的實(shí)驗(yàn)為例,改變以往實(shí)驗(yàn)課堂上教師講授,學(xué)生聽(tīng)講的模式,在實(shí)景模擬中操作掘進(jìn)機(jī),按照設(shè)計(jì)的截割軌跡移動(dòng)截割頭,結(jié)合預(yù)習(xí)的巷道支護(hù)理論,操作錨桿支護(hù)過(guò)程,讓學(xué)生在實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,解決問(wèn)題。
(三)開(kāi)放互動(dòng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境
在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì),虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享,可同時(shí)滿足成百上千人的線上學(xué)習(xí),具有更加真實(shí)的井下掘進(jìn)環(huán)境,可以真實(shí)地反映智能化掘進(jìn)工作面的工作場(chǎng)景,以及掘錨一體機(jī)的操作步驟,使學(xué)生沉浸式體驗(yàn)井下現(xiàn)場(chǎng)操作過(guò)程,以及學(xué)習(xí)設(shè)備功能等內(nèi)容。人機(jī)交互的學(xué)習(xí)方法既增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性,也激發(fā)了學(xué)生求知探索的興趣,使學(xué)生在這種類似游戲的實(shí)驗(yàn)中加深對(duì)掘進(jìn)設(shè)備操作的認(rèn)識(shí)與理解。在開(kāi)放式的教學(xué)平臺(tái)上,可以集合多種不同類型的實(shí)驗(yàn),根據(jù)課程的側(cè)重點(diǎn)讓學(xué)生在線上隨時(shí)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn),極大地提高學(xué)生的自主選擇和學(xué)習(xí)的積極性。
三、教學(xué)效果評(píng)價(jià)與反饋
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圖3? 考核內(nèi)容占比
實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核以線上線下相結(jié)合的方式。具體考核內(nèi)容如圖3所示。理論預(yù)習(xí)主要考核井巷工程的基礎(chǔ)知識(shí),尤其涉及本次實(shí)驗(yàn)的理論知識(shí),選取具有代表性的知識(shí)點(diǎn)插入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中,以彈窗的形式讓學(xué)生回答,題型以選擇和判斷為主,可隨時(shí)更改題目。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核實(shí)驗(yàn)步驟的完成度、規(guī)范程度以及用時(shí)長(zhǎng)短等多維度綜合評(píng)定。實(shí)體實(shí)驗(yàn)以小組的形式開(kāi)展,實(shí)驗(yàn)操作需多人配合進(jìn)行,考核小組的前期準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)操作的默契程度以及實(shí)驗(yàn)的完成質(zhì)量等進(jìn)行綜合考核。實(shí)驗(yàn)報(bào)告是對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)過(guò)程的總結(jié),反饋實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的難題,提出改進(jìn)建議。具體評(píng)分規(guī)則見(jiàn)表1。
以采礦工程2020級(jí)學(xué)生為例,相較往屆學(xué)生對(duì)井巷工程實(shí)驗(yàn)課的興趣有明顯的提升,尤其是對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更感興趣,其形式貼合了當(dāng)下大學(xué)生的心態(tài)。學(xué)生開(kāi)始主動(dòng)詢問(wèn)下次實(shí)驗(yàn)課的時(shí)間,由被動(dòng)學(xué)習(xí)向主動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。
表1? 評(píng)分規(guī)則
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本研究選取的樣本數(shù)量為2019級(jí)69人,2020級(jí)68人,對(duì)比兩者井巷工程實(shí)驗(yàn)成績(jī),采礦2020級(jí)學(xué)生成績(jī)有明顯提升(如圖4所示),2020級(jí)學(xué)生得分在60—70、70—80區(qū)間的人數(shù)在減少,而在80—90、90以上的人數(shù)明顯增加,興趣也更加濃厚,課堂互動(dòng)增多,問(wèn)題回答積極,實(shí)驗(yàn)課整體氛圍活躍。
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圖4? 成績(jī)分布
四、虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系特色
(一)根據(jù)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)更新教學(xué)內(nèi)容
以實(shí)景模擬礦井為載體,在采煤工作面、掘進(jìn)工作面、運(yùn)輸大巷、測(cè)風(fēng)站、中央變電所等關(guān)鍵位置輔以對(duì)應(yīng)智能采煤、智能掘進(jìn)、智能運(yùn)輸?shù)忍摂M仿真實(shí)驗(yàn),配備相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)演示設(shè)備以及可供線上操作的集控平臺(tái),便于學(xué)生在機(jī)房完成相應(yīng)的操作。采用“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”的教學(xué)方法,借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)操技能,提高其理論聯(lián)系實(shí)際的能力。
(二)根據(jù)認(rèn)知規(guī)律調(diào)整教學(xué)方式
考慮學(xué)生認(rèn)知的過(guò)程既有漸進(jìn)性、抽象性,又有明顯的差異性,據(jù)此調(diào)整井巷工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。比如井下巷道的空間位置關(guān)系,部分學(xué)生空間想象能力比較強(qiáng),容易理解,但還是有一部分學(xué)生難以理解其位置關(guān)系,需要輔助手段幫助其理解,這就需要進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)研究,開(kāi)發(fā)相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn),以及配套的軟件等。借助科學(xué)研究產(chǎn)生的成果,用于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè),反哺學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué),做到科教融合,完善實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)。
(三)根據(jù)興趣愛(ài)好補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)短板
一方面,改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體驗(yàn)感差,參與感低的狀況;另一方面,解決了特殊情況下無(wú)法正常開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的困境,如線下實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展的情況,學(xué)生在外實(shí)習(xí)無(wú)法返校等狀況,學(xué)生可開(kāi)展線上的井巷工程實(shí)驗(yàn)。
五、結(jié)語(yǔ)
基于虛實(shí)結(jié)合的井巷工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的重構(gòu),一方面彌補(bǔ)了采礦工程專業(yè)部分專業(yè)核心課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件不足的現(xiàn)狀,拓展了該專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式與改革的方向;另一方面,該實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系在井巷工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)用效果較好,有效提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率和對(duì)抽象知識(shí)點(diǎn)的理解。
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