矿业工程多专业融合数字场景体验式教学方法

徐剑坤，王恩元，习丹阳，周 蕊

（1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 现代分析与计算中心，江苏 徐州 221116）

数字场景是一种学习情境，是综合运用虚拟现实、系统仿真、“互联网+”等实现技术，依据现实世界物理实体，创建的存在于数字空间的虚拟模型，可借助数据模拟与推演物理实体在现实环境中的行为，也可借助虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，实现现实世界与数字空间的双向映射，达到数字孪生效果[1]。建构主义学习理论认为知识是学习者主动建构的结果[2]，具身认知观强调人体在认知活动中的作用[3]，这两者共同构成了数字场景体验式教学的理论基础。数字场景与教育教学结合应用极具潜力，主要体现在激发学习动机、增强学习体验、创设心理沉浸感、实现情境学习和知识迁移等方面[4]。国家《教育信息化2.0行动计划》（教技〔2018〕6号）的落地实施，加快了新一代信息技术与教育的深度融合，众多教育工作者开展了相关研究与探索，促进了教育教学改革与创新[5]。但需要指出的是虚拟现实、系统仿真、“互联网+”等信息技术在教育领域的应用远远落后于其自身的发展，需要扩展应用范围，创新教育教学应用方法与模式[6]。

1 矿业工程传统教学方法不适应新时代需求

以网络物理系统出现为标志的第四次工业革命正在发生，人类社会正在由后工业时代向信息时代迈进，新一代信息技术的突破与应用，正在深刻地影响着人类社会的各行各业。一方面，计算机、互联网、人工智能等技术已经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、获取方式及应用方式，教育的目的正在由知识记忆与操作训练转向知识应用与创新创造；另一方面，物联网、大数据、人工智能、机器人、5G通信等新技术的突破与应用，正在推动资源开发由机械化向智能化迈进，行业对人才知识结构与能力素养的需求发生了重大改变，具备多专业知识结构、实践与创新能力兼备的复合型人才成为时代宠儿。

矿业工程旨在培养适应及引领资源开发技术发展趋势的工程师，强调工程实践与创新，但传统的教学方法与模式滞后于时代发展。传统教学中教授者将资源开发依据流水线环节划分为细致的专业方向，在各专业方向下将真实情境中非良构的、复杂的工程问题，通过去情境化的抽象与概括，加工为概念与知识，再通过直接、单向的方式灌输给学习者。在这一过程中，学习者始终处于被动接收的地位，把更多的精力投入到对抽象知识的记忆。应用考核也多是基于去情境化的、人为设计的问题，这些问题多缺乏深度和复杂性，与工程实际差异较大。教学组织多采用固定时间、固定地点、固定内容和集中式组织方式，在教学过程中学习者角色单一，兴趣引领与主观能动性调动不足。这种教学方法及其模式直接导致学习者知识结构单一、能力欠缺、工程实践不足、创新精神不强、与企业需求脱节，因此，急需探索适应于新时代特征的教学方法与模式。

2 数字场景体验式教学方法研究与设计

数字场景是一种存在于数字空间的可视、可交互的体验式学习情境，其教育理论基础是建构主义学习理论[7]。建构主义认为知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的情境下，借助他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得的，强调学习者的主体作用[8]。建构主义学习理论改变了师生角色，由传统的教师主动、学生被动的“教—学”单向线性灌输模式，转变为以学生为主体、教师为引导的往复建构模式；学生知识的建构与迁移需要借助学习环境——任务情境，任务情境是由教师根据真实世界任务设计的，蕴含知识和智力操作，强调真实性[9]。建构主义学习理论较好地说明了人类学习过程的认知规律。基于此，本文以真实世界与真实任务为蓝本，设计并开发数字场景，作为学生学习的任务情境。在学习情境中学生将通过体验互动，完成知识的建构与迁移，如图1所示。

图1 矿业工程多专业融合数字场景体验式方法及模式

（1）采用知识图谱[10]梳理矿业工程学科下资源、采矿、安全、机械、信息等专业知识体系，将知识节点化，以节点为单元建立多向联通关系，形成知识网络。根据任务目标，规划任务解决途径，建立知识网络中从始点到终点的知识线索与脉络，对同一问题可以有多条解决途径即形成多条知识线索与脉络。

（2）根据真实工程与真实任务，运用虚拟现实、系统仿真等技术，设计并构建数字场景，将知识网络通过多种形式融入数字场景中。

（3）针对不同真实场景与真实任务，在统一架构下开发数字场景，形成矿业工程数字场景教学资源库，运用“互联网+”技术开发数字教学云平台，构筑数字场景学习空间。

（4）教师是数字场景的设计者，也是学习过程的引导与监督者。教师通过发布具体任务引导学生以问题解决者的身份在数字场景中寻找解决策略与路径，并付诸实施。

（5）学生是知识的发现与应用者。在不断地与数字场景互动过程中，学习与应用知识，通过体验、研究、反思、推理，生成新的知识理解与发现，并在多种视角与场景中检验验证，从而实现知识与技能的建构与训练。

3 数字场景设计与教学资源开发

任务情境是建构主义学习的根基，包括任务和情境两个核心要素。这里的任务是指由教师发布的、镶嵌有学习目标与学习内容的活动要求，通常是找寻、发现、揭示、解决特定的事物、方法、规律、困难等，多是依据工程实践的具有多种解决方法、解决途径和少量确定性条件的劣构问题。情境是蕴含知识和智力操作的真实性环境，钟志贤[11]指出真实的情境设计应具备以下要点：最大限度反映知识/技能在实际中的运用方式；要镶嵌相关领域知识与认知策略；要保持现实情境的复杂度，保证学习结果的跨情境迁移力；要考虑学习内容的多样性和迁移性。

基于这些原则，本文设计与开发了数字场景。以现实世界的实验研究场景与矿山生产场景为蓝本，设计制作对象的外观数字模型、行为数学模型与操控界面，依据场景中多对象运行耦合规律建立场景运行机制，采用3d Max软件数字建模、采用Unity3D引擎开发数字场景、采用 MySQL数据库管理数据、采用Visual Studio环境开发程序，将知识以语音文字提示、设备构造拆解、行为过程再现、系统设计与实现、系统操控模拟与实施效果推演等具现形式融入数字场景[12]。开发了包括理论学习、实验室实验、生产系统认知、生产实践与安全培训5个部分的系列数字场景教学资源，形成矿业工程数字场景教学资源库，如图 2所示。

图2 矿业工程数字场景教学资源库

在数字场景中，学生可以打破时间与空间的限制，拓展认知空间，从不同视角直观体验事物特征、结构及过程，完成观察性学习；可以通过反复操作与组合实验训练技能、修正原有理解与认知，可以开展现实条件不具备的实验，学习新的知识技能，完成操作性学习；可以灵活地改变研究条件与环境，以较低的成本与风险，在高度仿真的数字空间中进行科学探索与工程实践，完成研究性学习；可以打破空间限制，通过网络实现多人协作探索与交流，完成合作性学习。

4 数字教学云平台与教学模式

互联网促进了教育变革及发展趋势，当前正在由工业时代教育向信息时代教育过渡，信息时代教育的典型特征是以数字公民的培养为核心、以个性化学习方式为导向、以信息化互联环境为支撑[13]。为适应这一时代特征，有必要将数字场景架构于互联网，云计算与云服务提供了有效的解决途径[14]。云计算、云服务与教育行业融合派生出了教育云，它将虚拟化硬件资源、海量教育资源、教育应用系统整合起来，通过互联网向学习者提供应用服务，可分为基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）、软件即服务（SaaS）三个层次[15]。本文在学校数据中心私有云平台上部署矿业工程数字场景教学资源库及其学习系统。数字场景可通过互联网在多种终端（如3D环幕、VR穿戴装备、全息投影、移动设备等）上呈现，供学习者交互体验。如此整合软硬件和教育云服务，构建了矿业工程多专业融合数字场景教学空间——数字教学云平台。该平台提供了泛在化的数字学习环境，打破了时空限制；教学内容可个性化选择，实现差异化与定制化学习；其教学组织不再是封闭式的集中学习，而是开放式的以学生为中心的自主学习，因此其教学模式较之传统发生了根本性变化[16]。

5 实践应用

以“采矿学”为例讲述本文研究成果在教学中的应用。“采矿学”是专业主干课程，其教学目标是：了解以煤炭为代表的固体矿产资源开采的基本方法和基本原理，掌握现代矿山开采的基本概念、基本方法和主要技术，较全面和系统地理解煤矿井下生产系统、生产环节和开采技术和装备，具备应用所学知识解决矿山开采复杂问题的能力，具备从事矿山采掘设计、工程施工、生产组织的能力[17-18]。作为工程类课程，培养学生学习能力和灵活运用知识解决实际工程问题的能力是重中之重。传统教学多采用绘制工程设计图纸、现场实习等方式，但存在设计实施验证困难、工程实践困难、评价困难等问题。为此，在教学过程中引入矿井三维可视化设计与仿真运行模块，该模块是矿业工程数字场景教学资源库中生产实践部分的一组数字场景，其场景内容框架如图3所示，部分场景显示效果如图4所示。

图3 矿井三维可视化设计与仿真运行模块场景框架

图4 矿井三维可视化设计及运行仿真模块

矿井三维可视化设计与仿真运行模块数字场景融合了资源地质（地质矿藏模型）、采矿（井巷与生产系统设计）、安全（灾害事故应急处置）、机械（生产装备结构分析及选型设计）等专业知识。教师提供真实矿井的地质矿藏模型，发布设计任务；学生在任务引导下，经历矿井规划与水平划分、矿井一水平开拓方式、井底车场形式选择、准备方式选择与区域划分、首采（盘、带）区上山形式、首采（盘、带）区车场形式、采面规划与接替设计、水平延伸方式等8个步骤完成井巷设计，经历生产装备选型及配套设计与生产系统布置设计2个步骤完成生产系统集成设计。完成后可通过模拟运行验证设计的合理性，对设计缺陷进行补足后再模拟运行验证，如此反复直到设计合理。完成井巷设计与生产系统集成设计场景后，可进入生产系统模拟运行场景，布设各种监测监控系统，系统按1∶1模拟操控回采与掘进生产，并根据监测监控系统反馈数据，调整生产调度决策与生产系统控制，通过运行模拟对调度决策与生产系统运行效果进行评价。在灾害事故应急处置演练场景中，对生产常见事故、灾害进行模拟，学生通过数据分析辨识风险隐患、识别前兆特征并进行应急处置，对处置效果进行评价。

在“采矿学”教学实践中，采用数字场景体验式教学方法，依托数字教学云平台，使用矿业工程数字场景教学资源库，构筑数字学习空间，使学生在由真实情境营造的环境中，以任务为导向，自主学习，思考问题，寻求解决途径，并付诸实施，在不断的体验与试错过程中建构知识、理解知识并创造知识，训练工程实践能力，最终达到课程目标。教学实践表明，在数字化环境中，学生专注度与主动性大幅提高，能够根据自身知识背景与薄弱环节进行定制化与差异化学习，能够熟练使用云平台进行协作学习与问题探讨，学习效率与效果大幅提升。在课程设计答辩环节，可看出学生对多专业知识的认知程度与综合实践应用能力较以往大幅提高。

6 结论

针对矿业工程传统教学方法不适应新时代需求这一问题，本文基于建构主义学习理论，设计应用于矿业工程学科的数字场景体验式教学方法，梳理并融合矿业工程学科下多专业知识体系，形成知识网络，运用虚拟现实与系统仿真技术，以真实世界与真实任务为依据，构建数字场景，融入知识网络，开发数字场景教学资源库，根据“互联网+”技术最新进展，建设数字教学云平台，形成以学习者为主体、以核心素养发展为中心、采用信息化教育手段、在数字空间完成学习的教学模式，构筑矿业工程多专业融合数字场景体验式教学体系。该教学方法及模式在教学实践中表现出以下特点：

（1）由矿业工程数字场景教学资源库与数字教学云平台共同构筑的数字学习空间，能够有效剥离外界干扰，提高学习者专注度，学习者可根据自身知识结构进行差异化学习，通过自主学习、合作学习、探究学习等方式学习，充分发挥主观能动性，利于培养学生自主学习能力，并提高学习效率与效果。

（2）将矿业工程学科下多专业知识纳入统一数字场景框架，实现了知识的可视化表达与融合，学习者通过与数字场景的直观体验互动，实现知识迁移与技能训练，提高认知效率与效果，利于适应当前时代特征的多专业复合型人才的培养。

（3）以解决工程问题为导向，在由多种实际工程场景营造的任务情境中，学习、体验、试错并建构知识，实现理论学习与工程实践的有机融合，活化知识与思维，实现知识的深化与扩展，利于工程实践能力、批判性思维能力和创造性思维能力的发展。