“爆破安全”课程融合实验教学体系构建与实践*

张飞燕，刘柯含，韩 颖

(1.河南理工大学 a.安全科学与工程学院；b.能源科学与工程学院，焦作 454003；2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地，焦作 454003；3.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，焦作 454003)

“爆破安全”为安全工程、采矿工程以及土木工程等专业的核心课程，主要讲述爆炸理论基础、工业炸药、起爆技术、岩石爆破理论、矿山与地下工程爆破技术及安全、爆破危害与安全防控、爆破安全管理等内容[1,2]。课程教学内容包括理论与实验两部分，两者相辅相成。理论教学为实验教学奠定坚实的理论基础，而实验教学则可通过学生对爆破实验设备及仪器的实际操作，深化学生对理论知识的理解，并切实提高其实践能力；同时，实验教学是学生创新思维、创业意识、团队合作精神乃至综合素质培养的关键环节，更是实现立德树人、三全育人的重要方式与途径。

但是，因涉及高危险性爆破器材和极端复杂的环境，国内爆破类课程实验开设均面临如下难题[3]：①按照国家管控要求[4]，爆破实验器材无法购置；②爆破施工现场真实环境，实验室难以复制；③爆破实验过程不可逆，危险性极高；④高温、高压、瞬时且不可逆的爆炸过程难以演示，爆破危害监测与控制等后续环节无从谈起。在此背景下，如何有效破解上述难题，探求新型、安全的课程实验教学手段势在必行。为此，结合长期的教学实践，基于虚拟仿真技术及其相关专利技术，展开融合实验教学体系构建与实践研究。

1 融合实验教学体系构建

1.1 融合实验教学体系构建背景

推进信息技术与教育教学深度融合，对于提高教育质量、促进教育公平、构建学习型社会和人力资源强国具有重大意义[5]。教育部于2013年明确指出：作为学科专业与信息技术深度融合的产物，虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，可实现真实实验不具备或难以完成的教学功能[6]；全国高校探索虚拟仿真实验教学资源建设的热潮由此掀起[7-10]。2017年，教育部决定在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设的基础上，在普通本科高等学校开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作[11]。

2022年5月6日，国务院联防联控机制召开新闻发布会，教育部高等教育司一级巡视员宋毅指出：“2017年以来已经遴选出728门虚拟仿真实验一流课程。2018年，上线了‘实验空间’虚拟仿真实验教学平台，为全国高校提供了虚拟仿真课程开放共享服务，这个平台上线的虚拟仿真实验课程已经达到3250多门，涵盖了61个专业类；教育部计划在2022年6月，‘智慧高教’平台二期建设将增设虚拟仿真实验板块”[12]。可以看出，虚拟仿真实验教学在高等教育中的作用日益凸显，尤其自2019年12月新冠疫情暴发以来，为高校实验教学提供了强有力的支撑。

但是，虚拟仿真实验教学建设的基本原则为：虚实结合、相互补充、能实不虚[6]。教育部要求：“根据实验教学计划和实际情况，在坚持‘能实不虚’的基础上加大虚拟仿真实验教学项目建设力度，探索线上线下教学相结合的新型实验教学模式”[11]。基于此，展开了线上与线下相结合的融合实验教学体系探索，总体框架如图1所示。

图 1 融合实验教学体系框架

1.2 融合实验教学内容设计

结合“爆破安全”课程理论教学内容安排，对实验教学内容进行了整体优化，选择爆破安全工程中最具代表性的“巷道掘进爆破安全设计与实现”这一关键环节，进行融合实验教学内容设计，如图2所示。

图 2 融合实验教学内容设计

由图2可以看出，“巷道掘进爆破安全融合实验”由线下、线上两部分组成：①线下实验属综合设计型，具有互动式、团队式与设计性的特点。学生需于课前在任课教师指导下进行爆破方案设计；实验课上需动手完成四项操作：炮孔布置、雷管检测、起爆网路连接、网路导通性检测。②线上实验属研究探索型，具有启发式、探究式、多途径与多方案的特点，学生需基于线上平台依次完成以下环节的实操：实验目的学习→爆破方案设计→爆破参数设计→炮孔施工与起爆网路连接→起爆→基于国家标准完成数据采集与分析→实验结束，其中任意一环出现错误操作，实验将无法继续进行。

2 融合实验教学平台构建与实践

2.1 线上虚拟仿真实验教学平台构建与实践

借助虚拟现实、多媒体与人机交互等技术，开发了“巷道掘进爆破安全虚拟仿真实验软件”[13]，基于此承担的“巷道掘进爆破安全虚拟仿真实验”项目于2021年被认定为河南省一流本科课程(虚拟仿真实验教学课程)，之后该实验在“实验空间”虚拟仿真实验教学平台上线。同时，为满足线上实验教学需要，课程团队拓展开发了“巷道掘进爆破炮烟中毒应急救援虚拟仿真实验系统”[3]。

2.1.1 巷道掘进爆破安全虚拟仿真实验教学平台构建与实践

巷道掘进爆破安全虚拟仿真实验可以实现从爆破方案与参数设计，到现场施工，直至最后进行爆破危害监测的全工艺流程[14]。实验平台构成要素如图3所示。

图 3 虚拟仿真实验平台构成要素

(1)实验环境

虚拟实验环境主要设置为两类：煤矿井下岩巷、非煤矿山井下岩巷。

(2)起爆方法选择

可进行2种起爆方法的虚拟实验操作：电力起爆法、导爆管雷管起爆法。主要学习电雷管与导爆管雷管的结构，测定电雷管电阻与导爆管爆速。

(3)爆破方案设计与施工

虚拟实验操作过程分为两个环节：爆破设计与爆破施工。

在爆破设计环节，需要基于线上平台进行以下参数设计：巷道掘进爆破方案、钻孔直径、炸药品种和型号、起爆方法和起爆器材、循环进尺、炸药单耗、装药系数、总装药量估算、炮孔总数目估算以及各种炮孔的孔深、孔间距、装药系数等。

在爆破施工环节，需进行以下虚拟操作：在巷道断面上布孔、钻孔与清孔，检测瓦斯浓度，装药，各炮孔间连线，布置监测点，连接起爆器，起爆。

(4)爆破危害监测

爆破危害监测项目主要包括：有毒气体、粉尘、震动及冲击波。

(5)实验数据分析

学生需基于平台提取爆破危害安全监测实验数据，完成爆破参数设计表、爆破危害监测数据表，然后在线提交实验报告，以供任课教师在线批改。

虚拟仿真实验平台界面如图4所示。通过网站登录实验平台后，学生需首先完成实验指导书学习、实验相关知识点测试与复习等准备工作后，方可进入实验环节，部分虚拟实验过程如图5所示。

2.1.2 巷道掘进爆破炮烟中毒应急救援虚拟仿真平台构建与实践

巷道掘进爆破炮烟中毒应急救援虚拟仿真实验平台的主场景界面如图6所示，主要设置两个模块：工人自救互救模块、救援人员救援模块，可实现巷道掘进爆破炮烟中毒事故动画演示，并可在虚拟环境中交互式完成工人自救互救、救援人员救援两项实际操作，提高学生自救互救与应急救援能力。

图 4 虚拟仿真实验平台界面

图 5 部分实验过程展示

图 6 主场景界面

2.2 线下实体仿真实验教学平台构建与实施

2.2.1 平台构建

线下实体仿真实验教学平台主要由岩巷掘进爆破仿真模型、教学用模拟电雷管、专用欧姆表组成，现分述如下：

(1)岩巷掘进爆破仿真模型

该模型基于煤矿井下岩巷掘进爆破工艺设计，如图7所示。

图 7 岩巷掘进爆破实体仿真模型

由图7可以看出，岩巷掘进爆破仿真模型的正面可清晰展示掏槽孔、辅助孔及周边孔(即光面孔)在岩巷掘进工作面的整体布局及相应位置，有助于加深学生对炮孔设计原则与要求的准确理解与掌握；模型背面可清晰展示钻孔内部结构，有助于加深学生对炮孔施工工艺的整体把握以及对周边孔作用的理解，进而理解循环进尺的概念。

(2)教学用仿真电雷管

基于线下实验需求，课程教学团队设计了教学用模拟雷管[15,16]，其结构如图8所示。

图 8 模拟雷管结构示意图

教学用模拟雷管主要包括模拟瞬发电雷管、固定延期电雷管、可变延时电雷管以及延期导爆管雷管，有助于学生直观了解不同雷管的结构，准确辨别瞬发雷管与延期雷管结构上的异同，最终理解并掌握不同雷管的作用。

(3)专用欧姆表

线下实验采用真实的欧姆表，对教学用模拟电雷管进行检测。

2.2.2 线下实体仿真实验教学环节

线下实体仿真实验分为课前、课中两个阶段。

课前，任课教师将班级学生分为若干小组，并提供岩巷掘进爆破仿真模型的断面尺寸。基于此，各个小组首先进行炮孔布置方案设计，确定工作面所需炮孔的布置方式及数量；然后进行起爆方法与起爆网路设计，确定起爆网路连接方式以及实验所需不同段别的电雷管数量；最后，提前准备各种实验仪器与耗材。

为检验学生的设计方案正确与否，并锻炼其动手操作能力，任课教师提前在岩巷掘进爆破仿真模型的正面粘贴一层白纸，将模型预设的炮孔遮挡住，该项工作也可由学生在实验室开始时完成。实验课开始后，各个小组首先领取专用欧姆表、教学用模拟电雷管等仪器与耗材，然后依据课前设计的方案，在白纸上完成炮孔布置；接下来，依次完成电雷管检测、将检测合格的电雷管装入炮孔、连线、起爆网路导通性检测等工作，最后进行模拟起爆。部分线下实验环节如图9所示。

图 9 线下实验环节展示

上述实验环节完成后，让各个小组将白纸撕掉，并认真观察岩巷掘进爆破仿真模型的正面与背面，对比讨论各自设计方案的缺陷与不足。经此最后一环，学生对于理论知识的理解得到加深与提升。

3 融合实验教学效果分析

“爆破安全”课程融合实验不仅优化了实验教学项目，而且丰富了实验教学内容，实验教学效果综合对比分析见表1。

表 1 融合实验教学效果综合对比分析表

巷道掘进爆破安全虚拟仿真实验平台，为学生完成巷道掘进爆破设计、施工与监测的全过程提供了空间与载体；学生可对爆破方案进行自主设计，并通过交互式操作进行爆破施工与监测，从而体验真实实验环境、高温高压瞬时的爆破过程以及爆破后产生爆破危害的情况；通过监测数据分析，学生可对设计方案的合理性进行评判，并对方案进行实时、动态调整。线上虚拟仿真实验极大丰富了实验教学的形式，它不仅形象、立体地展示出巷道掘进爆破真实的施工环境以及爆破的瞬时过程，增强了实验课程的趣味性，同时突破了时间、地域对于实验课程的限制，学生随时随地皆可通过网络完成实验任务。线上虚拟仿真实验平台在“实验空间”网站上线以来的应用数据，充分体现了线上实验教学的良好效果，如图10所示。

图 10 线上实验平台应用效果

而线下实体仿真实验，以实体仿真模型为对象，学生分小组完成方案设计及实验操作；在此过程中，不仅培养了学生团队合作精神，而且加深了学生对课堂所学理论知识的理解与应用，其动手操作能力得以同步提高。

4 结语

通过采用线上、线下相结合的教学方法，“爆破安全”课程线下实验无法实现的教学内容，由线上实验进行有效补充；融合实验教学体系构建了虚实结合、相互补充的混合式教学模式，为破解爆破类实验课程难以开设的难题提供了思路与参考。但是，融合实验教学体系的应用效果，仍需通过教学实践进一步检验，课程团队也将继续对线上与线下两个仿真平台的功能进行完善与拓展。