劉音，孫彪，陳靜，劉震，徐鶴翔

（1.山東科技大學 安全與環(huán)境工程學院，山東 青島；2.山東科技大學 礦業(yè)工程國家級實驗教學示范中心，山東 青島）

一 引言

我國礦山生產(chǎn)存在著嚴重的粉塵職業(yè)危害，威脅工人的生命健康[1-2]。中共中央、國務(wù)院發(fā)布的“健康中國2030”規(guī)劃綱要明確提出：加強高危粉塵等職業(yè)病危害源頭治理[3]。因此對安全工程、采礦工程等專業(yè)開展礦山環(huán)境粉塵職業(yè)危害防控綜合訓練非常有必要，但礦山粉塵防治實驗設(shè)備具有大型化、高成本、高維護、操作危險等特殊性，難以在有限空間內(nèi)進行物理實驗，在這種背景下，開展礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實驗教學課程建設(shè)就顯得尤為緊迫和重要。

虛擬仿真技術(shù)在實驗教學中的應用是對傳統(tǒng)教學理念、教學模式、教學方法和手段的深刻變革，在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面具有較強的優(yōu)勢[4-5]，近年來陸續(xù)有高校圍繞礦山生產(chǎn)及災害防治領(lǐng)域開展了虛擬仿真實驗教學建設(shè)，效果顯著[6-9]，但目前還沒有一所高校開展礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實驗。山東科技大學礦山粉塵防治教學團隊，依托安全工程國家一流本科專業(yè)、《礦井通風與安全》國家一流課程、國家教學名師及其科研團隊在礦山粉塵防治領(lǐng)域近二十余年的研究成果，寓研于教，結(jié)合最先進的虛擬仿真技術(shù)，開展礦山粉塵防治虛擬仿真實驗項目的設(shè)計、應用與推廣。

本文旨在從實驗平臺搭建、實驗教學內(nèi)容設(shè)計、實驗方法與實驗過程創(chuàng)新等方面，探索礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實驗教學新思路、新路徑，為高校虛擬仿真實驗教學提供參考。

二 礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實驗系統(tǒng)平臺搭建

礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實驗教學項目以真實礦山為工程背景，涵蓋粉塵基礎(chǔ)知識、個體防護、粉塵防治技術(shù)工藝、粉塵檢測與監(jiān)測4 個模塊，53 個交互性步驟。該實驗項目采取校企合作模式，利用VR、3D 仿真技術(shù)及Unity3D、Maya、ZBrush工具搭建礦山粉塵職業(yè)危害虛擬仿真實驗系統(tǒng)平臺（見圖1），支撐虛擬仿真實驗平臺運行的架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、支撐層、通用數(shù)據(jù)層、仿真層以及應用層等五層，每一層均為其上層提供服務(wù)，直到完成具體虛擬實驗教學環(huán)境的構(gòu)建。依托于開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺，學生可以隨時隨地通過瀏覽器訪問實驗平臺，并通過平臺提供的面向用戶的智能指導、自動批改服務(wù)功能，提升學習效果。

圖1 礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實驗系統(tǒng)平臺

三 礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實驗內(nèi)容設(shè)計

（一） 教學內(nèi)容設(shè)計

本項目圍繞實驗所屬的《礦井通風與安全》課程教學大綱，針對礦山環(huán)境粉塵防治涉及的知識點，構(gòu)建了高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，并與行業(yè)企業(yè)對接，將礦山粉塵防治案例和本團隊的最新科研成果融入到本實驗中，重點圍繞“粉塵介紹與危害”“個體防護”“粉塵防治技術(shù)工藝”“粉塵檢測與監(jiān)測”四大模塊，系統(tǒng)構(gòu)建了礦山粉塵職業(yè)危害防治虛擬仿真實驗內(nèi)容體系（見圖2）。

圖2 礦山粉塵職業(yè)危害防治虛擬仿真實驗內(nèi)容體系

（二） 實驗步驟仿真設(shè)計

針對礦山粉塵職業(yè)危害多維度、多因素特征，采用虛擬現(xiàn)實、人機交互、三維建模等計算機仿真技術(shù)，建設(shè)完成了礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實驗步驟仿真設(shè)計。

首先，通過虛擬仿真實驗還原礦山粉塵爆炸的致災場景、塵肺病的病發(fā)機理，讓學生在虛擬場景中切身體驗礦山粉塵職業(yè)危害的震撼場景（見圖3）。其次，通過設(shè)計礦山生產(chǎn)場景中掘進機、采煤機、運輸機、通風機、注水管網(wǎng)、高壓水泵以及粉塵監(jiān)測系統(tǒng)等核心要素，以現(xiàn)實實體客觀結(jié)構(gòu)、功能為原型進行虛擬仿真，使學生能夠在絕對安全的仿真場景中開展大型綜合訓練，反復設(shè)計并演練通風除塵、注水減塵、噴霧降塵等技術(shù)工藝，深刻理解粉塵監(jiān)測技術(shù)與原理（見圖4）。此外，通過設(shè)計個體防護、化學抑塵以及粉塵檢測等實驗，使學生能夠多次、重復實驗，從而扎實、全面掌握個體防護用品類型與使用方法、抑塵劑制備實驗步驟以及粉塵采樣與檢測方法等知識點（見圖5）。最后，通過題庫完成實驗隨機測試，結(jié)合實驗報告及答疑情況完成實驗綜合考核（見圖6）。

圖3 粉塵爆炸虛擬仿真實驗場景

圖4 通風除塵實驗工程設(shè)計場景

圖5 個體防護實驗教學場景

圖6 隨機測試實驗考核環(huán)節(jié)

四 礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實驗特色與創(chuàng)新

近年來，隨著虛擬現(xiàn)實快速發(fā)展，教學方法也在相應變化，虛擬仿真教學已經(jīng)成為新時代發(fā)展產(chǎn)物，對于新型人才的培養(yǎng)具有積極意義[10-16]。

本實驗充分挖掘“礦山粉塵職業(yè)危害基礎(chǔ)理論”“個體防護”“粉塵防控技術(shù)工藝”“粉塵檢測與監(jiān)測”各部分知識內(nèi)容的內(nèi)在特點，針對性設(shè)計與之相適應的“沉浸式學習”“互動式學習”“自主實踐”“創(chuàng)新探究”等教學方法，并沿著“基礎(chǔ)認知—工程設(shè)計—綜合實踐—研究探索”這一學習實踐過程，實現(xiàn)了知識點全流程進階設(shè)計（見圖7）。

圖7 礦山粉塵防治虛擬仿真教學方法與實踐過程設(shè)計

（一） 實驗方法多樣化

（1）通過沉浸式學習，借助VR 技術(shù)使學生在三維動畫虛擬仿真中切身體驗礦山粉塵職業(yè)危害產(chǎn)生的塵肺演變、粉塵爆炸等震撼場景，強化學生對礦山粉塵職業(yè)危害防控知識體系的系統(tǒng)認知。

（2）通過互動式學習，基于問題導向，讓學生結(jié)合礦山粉塵職業(yè)危害防控技術(shù)開展探究式學習，自主設(shè)計防控技術(shù)與工藝，提高學生應對實際解決復雜安全工程問題的能力。

（3）通過設(shè)計交互性實驗步驟，使學生能夠切身沉浸于“個體防護、通風除塵、注水減塵、噴霧降塵、化學抑塵以及粉塵檢測與監(jiān)測”等實驗模塊的虛擬實驗環(huán)境，實現(xiàn)“自主實踐”與“創(chuàng)新探究”兩種學習方式的有機結(jié)合，激發(fā)學生創(chuàng)新意識。

（二） 實驗過程自主化

（1）學生可以通過Web 網(wǎng)頁隨時進入礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實驗，注冊后，即可登錄實驗。通過鼠標點擊實驗教學內(nèi)容菜單，自主選擇實驗模塊，也可逐一進行教學與考核模式的學習，其中教學模式是以教師講授與系統(tǒng)提示為主的實驗模式，而考核模式則需要學生根據(jù)掌握的知識點自主完成。

（2）學生在實操過程中，可以針對個體防護、礦山粉塵防治技術(shù)工藝、粉塵檢測與監(jiān)測等實驗步驟自主開展參數(shù)測算、工藝設(shè)計、數(shù)據(jù)模擬，并可反復演練，有助于提高學生解決復雜安全工程問題的能力。

（3）學生可通過預設(shè)的實驗步驟考核與答題測試考核，實時了解操作過程及得分情況，并能夠通過自身上傳的實驗報告，自主查看實驗成績，方便對知識點掌握的薄弱項進行查缺補漏，從而再實踐。

（三） 實驗創(chuàng)新多維化

（1）實驗設(shè)計思路新。充分考慮學生的學習能力和基礎(chǔ)知識儲備，采用進階式實驗設(shè)計，由最初對礦山粉塵介紹與危害的基礎(chǔ)理論的設(shè)計，向掌握個體防護、礦山粉塵防控技術(shù)工藝以及粉塵檢測與監(jiān)測等實驗模塊的全流程設(shè)計進階，從而形成完備的理論與技術(shù)體系，系統(tǒng)地培養(yǎng)了學生的工程實踐與創(chuàng)新能力。

（2）實驗教學方法新。沉浸式學習有利于學生對礦山粉塵職業(yè)危害實現(xiàn)自主認知；互動式學習有助于激發(fā)學生針對不同生產(chǎn)區(qū)域，解決粉塵防控技術(shù)與工藝能力；實踐與探究則對提高學生創(chuàng)新意識與批判思維能力有較好的效果。

（3）實驗評價體系新。通過實驗教學與過程考核相結(jié)合，步驟測試與隨機測試相結(jié)合，構(gòu)建了學生質(zhì)疑與教師仲裁，面向結(jié)果與面向過程的全方位考核評價體系，較為客觀地評價了實驗教學效果。

五 推廣應用

礦山粉塵職業(yè)危害防控虛擬仿真實驗教學項目突破了傳統(tǒng)實驗的時空限制，實現(xiàn)了虛實結(jié)合、線上線下混合式學習，能夠充分調(diào)動學生參與實驗的積極性和主動性，有效培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新、實踐能力和思辨能力。目前該實驗項目已上線實驗空間，瀏覽量達15000 人次，已服務(wù)學生2900 余人，并已成功推廣至內(nèi)蒙古科技大學、安徽理工大學等多所高校和山東能源集團有限公司等企業(yè)，得到普遍認可。項目在使用過程中也同時收集學生、教師和企業(yè)等的反饋意見，不斷加以持續(xù)改進，有望在更多學校、企業(yè)以及全國范圍內(nèi)推廣應用。