矿山粉尘职业危害防控虚拟仿真实验教学设计与实践

刘音，孙彪，陈静，刘震，徐鹤翔

（1.山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛；2.山东科技大学 矿业工程国家级实验教学示范中心，山东 青岛）

一 引言

我国矿山生产存在着严重的粉尘职业危害，威胁工人的生命健康[1-2]。中共中央、国务院发布的“健康中国2030”规划纲要明确提出：加强高危粉尘等职业病危害源头治理[3]。因此对安全工程、采矿工程等专业开展矿山环境粉尘职业危害防控综合训练非常有必要，但矿山粉尘防治实验设备具有大型化、高成本、高维护、操作危险等特殊性，难以在有限空间内进行物理实验，在这种背景下，开展矿山粉尘职业危害防控虚拟仿真实验教学课程建设就显得尤为紧迫和重要。

虚拟仿真技术在实验教学中的应用是对传统教学理念、教学模式、教学方法和手段的深刻变革，在培养创新型人才培养方面具有较强的优势[4-5]，近年来陆续有高校围绕矿山生产及灾害防治领域开展了虚拟仿真实验教学建设，效果显著[6-9]，但目前还没有一所高校开展矿山粉尘职业危害防控虚拟仿真实验。山东科技大学矿山粉尘防治教学团队，依托安全工程国家一流本科专业、《矿井通风与安全》国家一流课程、国家教学名师及其科研团队在矿山粉尘防治领域近二十余年的研究成果，寓研于教，结合最先进的虚拟仿真技术，开展矿山粉尘防治虚拟仿真实验项目的设计、应用与推广。

本文旨在从实验平台搭建、实验教学内容设计、实验方法与实验过程创新等方面，探索矿山粉尘职业危害防控虚拟仿真实验教学新思路、新路径，为高校虚拟仿真实验教学提供参考。

二 矿山粉尘职业危害防控虚拟仿真实验系统平台搭建

矿山粉尘职业危害防控虚拟仿真实验教学项目以真实矿山为工程背景，涵盖粉尘基础知识、个体防护、粉尘防治技术工艺、粉尘检测与监测4 个模块，53 个交互性步骤。该实验项目采取校企合作模式，利用VR、3D 仿真技术及Unity3D、Maya、ZBrush工具搭建矿山粉尘职业危害虚拟仿真实验系统平台（见图1），支撑虚拟仿真实验平台运行的架构分为数据层、支撑层、通用数据层、仿真层以及应用层等五层，每一层均为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验教学环境的构建。依托于开放式虚拟仿真实验教学管理平台，学生可以随时随地通过浏览器访问实验平台，并通过平台提供的面向用户的智能指导、自动批改服务功能，提升学习效果。

图1 矿山粉尘职业危害防控虚拟仿真实验系统平台

三 矿山粉尘职业危害防控虚拟仿真实验内容设计

（一） 教学内容设计

本项目围绕实验所属的《矿井通风与安全》课程教学大纲，针对矿山环境粉尘防治涉及的知识点，构建了高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，并与行业企业对接，将矿山粉尘防治案例和本团队的最新科研成果融入到本实验中，重点围绕“粉尘介绍与危害”“个体防护”“粉尘防治技术工艺”“粉尘检测与监测”四大模块，系统构建了矿山粉尘职业危害防治虚拟仿真实验内容体系（见图2）。

图2 矿山粉尘职业危害防治虚拟仿真实验内容体系

（二） 实验步骤仿真设计

针对矿山粉尘职业危害多维度、多因素特征，采用虚拟现实、人机交互、三维建模等计算机仿真技术，建设完成了矿山粉尘职业危害防控虚拟仿真实验步骤仿真设计。

首先，通过虚拟仿真实验还原矿山粉尘爆炸的致灾场景、尘肺病的病发机理，让学生在虚拟场景中切身体验矿山粉尘职业危害的震撼场景（见图3）。其次，通过设计矿山生产场景中掘进机、采煤机、运输机、通风机、注水管网、高压水泵以及粉尘监测系统等核心要素，以现实实体客观结构、功能为原型进行虚拟仿真，使学生能够在绝对安全的仿真场景中开展大型综合训练，反复设计并演练通风除尘、注水减尘、喷雾降尘等技术工艺，深刻理解粉尘监测技术与原理（见图4）。此外，通过设计个体防护、化学抑尘以及粉尘检测等实验，使学生能够多次、重复实验，从而扎实、全面掌握个体防护用品类型与使用方法、抑尘剂制备实验步骤以及粉尘采样与检测方法等知识点（见图5）。最后，通过题库完成实验随机测试，结合实验报告及答疑情况完成实验综合考核（见图6）。

图3 粉尘爆炸虚拟仿真实验场景

图4 通风除尘实验工程设计场景

图5 个体防护实验教学场景

图6 随机测试实验考核环节

四 矿山粉尘职业危害防控虚拟仿真实验特色与创新

近年来，随着虚拟现实快速发展，教学方法也在相应变化，虚拟仿真教学已经成为新时代发展产物，对于新型人才的培养具有积极意义[10-16]。

本实验充分挖掘“矿山粉尘职业危害基础理论”“个体防护”“粉尘防控技术工艺”“粉尘检测与监测”各部分知识内容的内在特点，针对性设计与之相适应的“沉浸式学习”“互动式学习”“自主实践”“创新探究”等教学方法，并沿着“基础认知—工程设计—综合实践—研究探索”这一学习实践过程，实现了知识点全流程进阶设计（见图7）。

图7 矿山粉尘防治虚拟仿真教学方法与实践过程设计

（一） 实验方法多样化

（1）通过沉浸式学习，借助VR 技术使学生在三维动画虚拟仿真中切身体验矿山粉尘职业危害产生的尘肺演变、粉尘爆炸等震撼场景，强化学生对矿山粉尘职业危害防控知识体系的系统认知。

（2）通过互动式学习，基于问题导向，让学生结合矿山粉尘职业危害防控技术开展探究式学习，自主设计防控技术与工艺，提高学生应对实际解决复杂安全工程问题的能力。

（3）通过设计交互性实验步骤，使学生能够切身沉浸于“个体防护、通风除尘、注水减尘、喷雾降尘、化学抑尘以及粉尘检测与监测”等实验模块的虚拟实验环境，实现“自主实践”与“创新探究”两种学习方式的有机结合，激发学生创新意识。

（二） 实验过程自主化

（1）学生可以通过Web 网页随时进入矿山粉尘职业危害防控虚拟仿真实验，注册后，即可登录实验。通过鼠标点击实验教学内容菜单，自主选择实验模块，也可逐一进行教学与考核模式的学习，其中教学模式是以教师讲授与系统提示为主的实验模式，而考核模式则需要学生根据掌握的知识点自主完成。

（2）学生在实操过程中，可以针对个体防护、矿山粉尘防治技术工艺、粉尘检测与监测等实验步骤自主开展参数测算、工艺设计、数据模拟，并可反复演练，有助于提高学生解决复杂安全工程问题的能力。

（3）学生可通过预设的实验步骤考核与答题测试考核，实时了解操作过程及得分情况，并能够通过自身上传的实验报告，自主查看实验成绩，方便对知识点掌握的薄弱项进行查缺补漏，从而再实践。

（三） 实验创新多维化

（1）实验设计思路新。充分考虑学生的学习能力和基础知识储备，采用进阶式实验设计，由最初对矿山粉尘介绍与危害的基础理论的设计，向掌握个体防护、矿山粉尘防控技术工艺以及粉尘检测与监测等实验模块的全流程设计进阶，从而形成完备的理论与技术体系，系统地培养了学生的工程实践与创新能力。

（2）实验教学方法新。沉浸式学习有利于学生对矿山粉尘职业危害实现自主认知；互动式学习有助于激发学生针对不同生产区域，解决粉尘防控技术与工艺能力；实践与探究则对提高学生创新意识与批判思维能力有较好的效果。

（3）实验评价体系新。通过实验教学与过程考核相结合，步骤测试与随机测试相结合，构建了学生质疑与教师仲裁，面向结果与面向过程的全方位考核评价体系，较为客观地评价了实验教学效果。

五 推广应用

矿山粉尘职业危害防控虚拟仿真实验教学项目突破了传统实验的时空限制，实现了虚实结合、线上线下混合式学习，能够充分调动学生参与实验的积极性和主动性，有效培养了学生的创新、实践能力和思辨能力。目前该实验项目已上线实验空间，浏览量达15000 人次，已服务学生2900 余人，并已成功推广至内蒙古科技大学、安徽理工大学等多所高校和山东能源集团有限公司等企业，得到普遍认可。项目在使用过程中也同时收集学生、教师和企业等的反馈意见，不断加以持续改进，有望在更多学校、企业以及全国范围内推广应用。