[出处] 教育教学论坛_2022年第35期

龚 爽

（河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003）

一、教改背景和意义

2018年6月，在新时代全国高等学校本科教育工作会议上，时任教育部部长的陈宝生第一次提出了“金课”的概念，提出“金课”的内涵主要在于课程的高阶性、创新性和挑战度。2018年11月，在中国大学教学论坛上，教育部高等教育司司长吴岩作了题为“建设中国‘金课’”的报告，他指出，课程是体现以学生发展为中心的“最后一公里”，课程虽是教育里的微观问题，解决的却是教育最根本的问题。教育部于2018、2019年先后出台《教育信息化2.0行动计划》《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》《教育部高等教育司关于开展2019年度国家虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知》等政策文件，明确提出国家虚拟仿真实验教学项目是示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作的深化和拓展，是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。特别是2020年春季，新型冠状病毒肺炎疫情对我国高校的正常教学活动造成了极大的影响。对于采矿工程专业本科生专业核心课程“矿井通风与安全”的教学而言，更加限制了学生深入矿井一线进行现场实习和动手参与实验的可能性。鉴于此，河南理工大学开展了大范围的线上虚拟仿真实验项目建设，并积极将其融入“矿井通风与安全”课程的教学内容中。

随着我国清洁能源的发展和煤炭行业智能化进展的加快，对采矿工程学科的发展提出了更高的要求。我校立足于中西部，积极响应国家煤炭智能化改革的政策，同时采矿工程专业为我校的传统优势专业，许多采矿专业的学生投身于国家能源开发的一线。2020年，3名采矿工程校友执掌的3家企业荣登全球企业500强榜单。

“矿井通风与安全”是研究矿井通风基础理论和矿山灾害（瓦斯、火灾、矿尘、水害）防治技术的采矿工程专业的核心课程，是连接流体力学、安全科学与采矿工程专业的桥梁，具有实践性和应用性较强的特点。在智能化和无人化采矿技术不断发展的今天，如何让课程教学与国际教育接轨；如何将最新的智能采矿及智能矿井通风的研究成果融入课题教学中；如何在地下矿井这一特殊环境中，弥补以往传统教学仅靠模型参观让学生掌握矿井基本的生产工艺及安全管理方法的不足，通过虚拟仿真技术让学生身临其境地学习理解一系列（爆破工程施工及安全管理方法、冲击地压和煤与瓦斯突出等动力灾害的预警及防治方法、井下突水危险探测方法等）极端教学环境下的教学内容，最终提升教学效果。这些课题正是当今课程教学所面临的现实挑战。

二、线上线下双轨制混合式教学模式

针对以上所提出的问题，基于线上线下双轨制教学模式的启发，提出了基于线上虚拟仿真实验、教学内容智能化改革及线下课程思政元素挖掘的“三位一体”线上线下双轨制混合式教学优化模式，为本科学生深入理解掌握“矿井通风与安全”的基础理论及安全管理提供了更为多样化的学习路径。

（一）融入虚拟仿真实验

“矿井通风与安全”课程中涉及瓦斯、火灾、矿尘、水害等多种极端环境和灾害场景，一些案例中的真实通风技术、采掘工艺、矿井灾害、设备操作等实验项目很难在实验室中开展。需要重点解决“矿井通风与安全”课程中有关不具备真实实验项目条件或实际运行的困难，涉及的高危或极端环境、高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题。例如，典型的高瓦斯煤矿瓦斯抽采工艺实验，包含钻进介绍、操作步骤、钻进方法、瓦斯抽采钻孔布置等，供电电压660V，设备功耗高达75kW，属于典型高能耗、高风险行业，无法开展现场或者实验室试验。煤矿高瓦斯、突出矿井较多，煤矿安全形势严峻，实习安排困难，很多矿区不愿意接收实习，制订的实习计划一般都难以完成。

河南理工大学历来重视实验教学改革，从早期的沙盘模型到信息化物理模型，再到交互式虚拟仿真实验系统，一直走在矿业类高校的前列，2015年获评国家级虚拟仿真实验教学中心。自2013年起，课程组结合河南理工大学虚拟仿真实验教学中心，在信息化物理模型的基础上，将现代信息技术融入实验教学项目，坚持“虚实结合”的原则，开发线下交互式虚拟仿真实验教学系统。首先营造逼真的虚拟实验环境，按照真实的设备操控台制作仿真实验操作台，然后按照实验项目的步骤、内容和要求，开发交互式仿真程序，使学生能够在沉浸式的环境内开展相关实验，并在后台如实记录学生的实验过程和操作步骤，考核学生实验的完成情况。为了进一步加强中心虚拟教学系统的共享和开放程度，自2015年开始，在线下虚拟仿真教学系统的基础上，开发线上虚拟实验系统，使学生能够通过网络终端自主学习实验教学资源，并开展虚拟实验练习，然后在规定的时间内完成相关的实验操作，系统根据其学习和实验操作的情况，按照综合评价体系进行综合考核。

《煤矿瓦斯抽采》属于“矿井通风与安全”课程中第九章第六节的学习内容，是矿山开采的重要工作。在所有的高瓦斯矿井、突出矿井均有大量抽采钻孔操作，其中，坑道式履带钻式钻机是目前较先进的钻井设备，设备性能还在逐步提高，新形势下需要素质更高且能掌握先进掘进设备和工艺方面的人才。钻机钻进作业及瓦斯抽采手指口述内容作为该课程的主要教学内容，开设有相应的实验课程，需要学生了解钻机设备的工作环境，掌握钻机组成和工作原理，训练学生的钻机操作能力和钻机钻进工艺操作技能，培养和锻炼学生的手指口述综合分析及设计能力。前期，主要通过模型讲解、Flash动画演示等手段展示和讲解，学生以参观和听讲为主，无法参与其中，学生自主学习和实验教学效果较差。为此，将现代信息技术融入实验教学项目，开发了线上瓦斯抽采钻机操作虚拟仿真实验系统，拓展了实验教学内容的广度和深度。

本实验项目可以采用线上和线下交互式虚拟实验系统共同完成。线上实验教学系统拥有学生自主学习、模拟训练、实验操作及综合考核等功能。学生在实验开始之前先通过视频教学资源讲解，使其完全清楚实验内容、步骤及要求，同时可以进行模拟训练。通过自主学习后，再开展虚拟实验，后台会详细记录学生的自主学习、模拟练习及实验操作的痕迹，最后给出综合评价结果。线下实验系统采用完全的虚实结合方式，钻机的操作台基本按照与真实设备1∶1的比例制作，虚拟场景是真实场景的虚拟再现，在通过VR头盔、多通道环幕等沉浸式显示环境，使学生获得较强的临场感，也可以通过虚拟设备自主设计实验内容。通过线上和线下两种虚拟实验相结合，彻底改变了原来的模型参观实验教学方式，较好地拓展了实验教学内容的广度和深度，同时借助学校国家级虚拟仿真中心、国家一级安全培训机构等平台，实现向国内同类高校、煤炭企业培训机构开放。开发线上虚拟实验系统，使学生可以在任何计算机终端访问实验教学资源，并开展虚拟教学仿真实验，完全打破了时间和空间的限制。通过开发线上和线下虚拟仿真教学系统，极大地提高了学生的参与度，实验教学信息量也更加丰富了，打破了实验教学时间和空间上的限制，完全改变了前期主要通过模型参观的实验教学方式，学生参与程度提高，临场感增强，获得了良好的实验教学效果，提升了实验教学的质量和水平。

（二）课程的智能化改革

将当前的智能通风理论与案例，如通风环境多元信息智能感知、通风状态智能调控、智能网络传输与智能通风设备等内容作为补充案例融入《矿井通风》章节的讲授内容中，并且在通风网络解算部分中融入Python/C++编程操作，以及机器学习和深度网络等理论，鼓励学生利用所学编程基础知识开发矿山各类灾害（瓦斯突出、火灾、煤尘爆炸或突水事故）的智能预警系统，让学生能够将以往所学的编程知识真正应用于矿井通风与安全管理中，实现知识的交叉应用，并加深对“矿井通风与安全”基础理论的理解。

此外，可以在《通风系统与网络》章节的讲授中融入当前智能通风的案例矿井，例如，陕西煤业化工集团有限责任公司中的黄陵矿业有限公司装备了高精准感知通风设备，其传感器在采集了矿井通风的压力、温度、湿度参数后，同步将其传输至控制中心进行数据融合和分析，随后将分析后应该调整的参数反馈至通风构筑物和矿用通风机，实现设备各参数的调整。同时，该系统具有风阻类比数据库，以及有毒有害气体全空间实时分析功能。

在讲授通风网络的过程中，补充了前沿的风网监测与隐患辨识预警系统，能够实现与采掘活动、运输系统和地测资料同步互联的数据监测体系，并对相应的通风网络系统图和通风系统立体图进行了实时更新，达到了在控制中心实时掌握井下通风状况参数的目的。此外，该预警系统还能够根据巷道的变形情况、巷道支护参数，以及由季节变换引起的自然通风、摩擦风阻和局部阻力等参数的实时更新运算得出风量的最优分配方案、风网及风机的优化管理，并且连接至瓦斯和二氧化碳监测系统，基于大数据的分析算法，得出具有不同危险系数的矿井风速超限、风流短路或有害气体超标等事故可能出现的概率，并进行自动报警和及时反馈。

（三）课程思政元素挖掘

在课程导论中，通过讲解矿井通风的发展史，以及通风方法最早记录于我国《天工开物》一书中的“燔石”章，使学生对我国的科学技术发展历程有了更加深刻的认识，同时激发了民族自豪感，提升了文化自信。

在讲解矿井安全部分时，首先和学生一起深入剖析近期的矿井安全事故案例及其原因和处理方法，如2020年6月10日，某省某煤业有限责任公司发生了较大的煤与瓦斯突出事故，造成7人死亡、2人受伤，直接经济损失1666万元。事故直接原因为该矿综合防突措施执行不到位，掘进工作面瓦斯抽放钻孔数量、抽采时间不够，突出危险性预测流于形式，违规掘进施工导致了事故的发生。主要教训有防突管理混乱、防突资料虚假、职工安全教育培训不到位和地方煤矿安全监管部门履职不到位等。又如山西平遥峰岩煤焦集团二亩沟煤业有限公司发生的“11·18”瓦斯爆炸事故、重庆市永川区吊水洞煤业有限公司“12·4”重大火灾事故、重庆松藻煤矿“9·27”重大火灾事故和湖南省衡阳市耒阳市导子煤业有限公司源江山煤矿“11·29”重大透水事故等案例，通过剖析事故的发生过程、原因及从中汲取的教训等，给学生以警示，让其从惨痛的事故案例中明白矿井安全管理的严肃性和重要性，同时激发学生刻苦学习矿井瓦斯、矿井火灾、矿尘和水灾等的防治方法。

在讲解矿井空气流动理论中有关空气流动的知识点时，结合我国流体力学专家和“两弹一星”元勋钱学森的光荣事迹，激发学生的爱国主义情怀和为国奉献的精神。同时，引导学生在课程开始时发起为我国杂交水稻之父袁隆平默哀三分钟的悼念活动，通过袁老为我国的杂交水稻贡献毕生的感人事迹，以及为我国的粮食安全做出的巨大贡献，引导学生积极思考如何结合自己所学，树立为我国能源安全贡献力量的观念。

结语

本文结合“矿井通风与安全”课程的定位，以及实践性和应用性较强的特点，结合当前采矿工程专业的发展方向及趋势，有针对性地提出了基于线上虚拟仿真实验、教学内容智能化改革及线下课程思政元素挖掘的“三位一体”线上线下双轨制混合式教学优化模式，为本科生深入理解掌握“矿井通风与安全”的基础理论提供了更为多样化的学习路径。教学实践表明，该教学模式不受传统教学时间和空间的限制，通过将先进的虚拟仿真实验课程资源、前沿的智能化通风教学内容及穿插在课堂中的思政元素等教学内容进行有机结合，激发学生的学习兴趣，有助于学生对课程内容的深入理解和掌握，同时教学效果显著。