矿业工程实验室数字化建设模式研究与实践

徐剑坤， 李小林， 习丹阳

（中国矿业大学a．矿业工程学院；b．矿业工程国家级实验教学示范中心；c．采矿工程国家级虚拟仿真实验教学中心；d．资源与地球科学学院，江苏徐州221116）

0 引 言

21 世纪前10 年，网络物理系统的出现标志着人类正在进入以泛在网络为基础、万物互联为目标的信息时代，计算机、互联网、大数据、人工智能、机器人等技术已能够代替人类完成大量任务，极大地改变了知识的存储方式、获取及应用方式，教育的关键特征正在由工业时代的“标准化与掌握学习”向信息时代的“差异化与联通学习”变迁［1］。为适应新时代特征，作为人才培养重要场所的高校实验室正在经历着信息化、数字化变革。

国家高度重视新一代信息技术与教育的高度融合，教育部先后出台了《教育信息化十年发展规划（2011 - 2020 年）》《教育信息化“十三五”规划》《教育信息化2． 0 行动计划》等纲领性文件，各高校开展了深度的探索与实践［2-5］。数字化实验室即是通过计算机、网络通信、物联网、多媒体、虚拟现实等信息技术，使传统的实验资源数字化、联通化，摆脱空间与时间的限制，通过各种智能决策与调度算法，提高资源使用与管理效率、提高教学与人才培养效果［6-8］。实验室数字化改变的不仅是资源的存在与连接方式，也包括了实验室的组织架构、管理与教学模式。

矿业工程学科致力于培养具有国际化视野、多样化知识结构、专业化学术背景、创新性思维方式和扎实实践能力的一流矿业人才，但传统的实验室建设与管理模式、教学方法与手段，以及封闭的实验资源已制约了目标的实现。为此，本文研究并探索面向信息时代的矿业工程实验室数字化改造与建设模式。

1 实验室数字化建设顶层设计

传统实验室按专业划分，彼此孤立，缺乏交叉融合，实验教学与管理的理念、模式与手段落后，学生培养的层次性与目标性不强，政策引导与经费投入效果不佳，这种实验室组织体系与资源分配机制已经制约了实验室的发展，难以支撑一流矿业人才的培养。因此，打破专业界限、倡导交叉互补、重塑组织架构、重构资源分配机制势在必行。

本文在矿业大类下，通过整合矿业工程国家级实验教学示范中心、采矿工程国家级虚拟仿真实验教学中心、工业工程专业实验室、交通运输专业实验室等实验教学资源，根据教学、训练、创新功能，规划并设立教学展示中心、虚拟仿真技术中心、大学生创新训练中心，实现资源统一管理统一配置。将资源优先配置于具有创新性、前沿性、先进性的实验项目及教学手段。建设线上教学资源与运行体系，信息化改造传统实验资源，基于数字化、信息化手段构建多层次实验教学系统，建立线上线下融合互补与过程跟踪评价的实验教学模式（见图1）。

2 建设线上教学资源与运行体系

图1 顶层设计

传统的采矿专业实验教学环节存在极端的高危环境、不可逆与不可重复的操作过程、高昂的实验装备建设、维护与使用成本、新成果转化实验资源的漫长周期等问题，因此需要探索一种安全、可靠、直观和经济的实验教学方法与手段［9-10］。

现以矿业工程实验教学中心（场地、仪器、设备等）与矿山生产企业（井工、露天）为原型，利用虚拟现实与仿真技术重构虚拟空间，形成虚拟化的实验及作业场景、可交互操作的仿真仪器及设备、可供浏览学习的文字及音视频资料。

（1）将知识节点化。利用虚拟场景将多个知识点串联，形成了一个个虚拟仿真教学资源，建设了“采矿学”“非煤开采技术”“露天开采”“采矿工程专业实验”“矿山安全事故及灾害案例”等5 门虚拟仿真教学资源库，通过逼真、可视化的方式，拓展了学生的想象与认知空间，满足了专业知识学习的需要。

（2）研发矿业工程虚拟仿真实验室软件。可在实验室与矿山两种虚拟场景下开展71 项虚拟仿真实验与场景认知漫游实习，实现实验与实习数字化教学。

（3）研发矿业工程虚拟仿真在线教学平台。该平台基于互联网线上运行，采用B ／ S和C ／ S两种架构并结合数据库，将前文所述的虚拟仿真教学资源库和矿业工程虚拟仿真实验室接入，实现虚拟仿真教学资源的在线学习与操作。

（4）构建虚拟仿真实验教学中心。依托采矿工程国家级虚拟仿真实验教学中心建立了虚拟仿真教学资源开发团队、线上平台运行保障团队及在线教学团队，建立了规章制度，形成了虚拟仿真教学资源的线上运行体系。

3 利用信息化改造传统实验资源

受制于实验室管理及教学手段、方式、场地、经费及人员数量等原因，传统实验资源开放度及使用效率不高、实验教学设备使用效果不好、教学手段单一、实验教学效果不佳，不利于学生实践能力培养。为此，利用物联网及信息技术改造实验室，建立实验室管理与实验教学相融合的信息化平台，实现了实验室管理与教学的智能化、少人化［11-13］。

（1）实验场地及装备物联网改造。通过建立实验室数据采集系统、门禁管理系统、电源管理系统、视频监控管理与巡查系统等将实验场地及实验设备接入网络，实现实验场地及装备物联网化管理。

（2）建立实验室管理与实验教学相融合的信息化平台。在同一平台架构下，统一数据标准，实时更新匹配数据，实现实验教学资源的统一管理与调度，具体包括实验资源、物联网、资源开放、实验教学、用户、数据、师资队伍、办公管理等模块，从而打破了信息壁垒，使管理者、教师及学生供需信息及时发布、匹配、对接，实现了对资源使用及管理的全流程跟踪。

4 构建多层次实验教学系统

借鉴国内外实践经验［14-17］，综合应用虚拟现实、增强现实、仿真仪器及计算机技术，研制“体验-实操-创造”多个层次实验教学平台，其中软件部分采用统一的技术体系，使用3DMax三维建模、使用Unity3D制作三维场景、使用MySQL 制作数据库、采用PhotoShop设计界面、使用Visual Studio设计程序，保证内容连贯与风格统一。

（1）“体验”教学层次。建设了虚拟增强现实采矿模型教学系统、3D环幕沉浸式生产教学系统、VR体验式教学系统、生产装备全息投影系统等，直观展示了矿山生产系统全貌及生产流程，使学生直观生动全面地了解了矿山（见图2）。

图2 VR体验式教学系统

（2）“实操”教学层次。建设了采煤机、掘进机等生产装备的交互式仿真操作仪、工作面生产系统设计仿真系统、采场及巷道矿压实测实训系统、矿井原位测量仿真训练系统等，使学生了解、熟悉并能熟练操作实验设备及生产装备，能独立开展实验，训练实操能力（见图3）。

图3 工作面生产系统设计仿真软件

（3）“创造”教学层次。建设了矿井生产设计及仿真系统、矿井通风系统三维设计及仿真系统、露天矿开采设计系统、矿业工程多专业协同设计云平台等，实现了多专业协同的矿山全生产系统设计及仿真，培养了学生的综合知识，训练了学生的创造力（见图4）。

图4 矿业工程多专业协同设计云平台

5 创新实验教学与评价模式

实验教学是一个过程，包括多个环节，每一环节均是下一环节的基础，需要一套全程的跟踪管理与评价方法，但现有的实验教学手段与考评机制，对学生参与度、完成度、真实性、准确性难以全面、客观地把握。

为解决这一问题，在实验室数字化建设的基础上，提出了线上线下资源融合互补与过程跟踪评价的实验教学模式，如图5 所示。利用互联网与物联网整合线上线下教学资源纳入统一信息平台管理，强化线上线下资源优势互补与融合使用，加强资源调度的智能化，建立实验教学动态评价指标体系及计算方法，建立起从线上学习—培训—实操—考核，到线上申请—线下实验—远程跟踪指导—线上提交成果及评价的实验教学全过程跟踪管理与动态评价机制。

图5 线上线下融合互补与过程跟踪评价的实验教学模式

6 实践效果

近3 年来，矿业工程学科通过实验室数字化建设实践，显著提高了实验室的运转效率与效果。在实验技术及管理人员不变的情况下，实验室承担的实验工作量逐年增加，学生依托实验室开展的创新创业项目、学科竞赛活动、科学研究项目明显增多，各实验课平均成绩及学生论文、专利数量也显著提高，见表1、表2。在打破实验室传统模式，进行数字化改造与建设后，实验室运转效率提升，实验资源利用率提高，实验室知识产出增加，学生积极性增强，知识学习与应用效果更加出色。近3 年来，实验室先后接待高校来访交流37 批次，实验室建设模式与效果受到了较高评价。

表1 近3 年实验教学工作量变化

表2 近3 年开展创新项目

7 结 语

实验室是高等专业人才培养的重要基地，实验室建设应紧跟时代发展与人才需求。以移动互联网、物联网、虚拟现实、仿真技术等为代表的新一代信息技术正在深度改变着教育形态，改变着知识迁移方式与获取途径，人才培养更加强调核心竞争力培养，但传统实验室因其封闭性、资源配置低效、改变缓慢等原因，已不再适应当今社会。为此，本文以支撑一流人才培养为目标，通过重塑实验室组织架构与资源分配机制，使资源优先跟踪学科前沿与人才创新培养；利用虚拟现实与仿真技术建设线上教学资源与运行体系，利用物联网技术改造传统实验资源，基于数字化、信息化手段构建多层次实验教学系统，建立线上线下融合互补与过程跟踪评价的实验教学模式，从而重塑了多模态融合的实验教学资源体系与使用连接方式。进而探索了专业实验室的数字化建设模式，应用实践表明实验室运转效率提升，实验资源利用率提高，实验室知识产出增加，学生积极性增强，知识学习与应用效果更加出色。本文的研究对高校专业实验室建设具有一定的借鉴意义。