实验教学方法

2-6-1  使用目的

应用《矿井联系测量虚拟仿真》教学系统，构建覆盖实验“预习、实施、复习、考核”全过程的“虚实结合、课堂翻转”实施流程，既可解决矿井特殊环境导致高危、影响生产、精密仪器等由于实验“瓶颈”限制而致“矿井联系测量方案设计单一、操作复习难、实施细节不能反复、实验环节容易混淆或者遗漏、实验不利因素再现难，示教效果差”等问题，还可增强学生在进入实体实验室前对矿井联系测量实施流程、实施方案模拟和优化，实现课堂教学翻转。达到矿井联系测量实验项目“完整、高效、安全、互补”开出和考核对实验过程的全覆盖。

2-6-2  教学方法

1、虚实结合实验教学

构建统一平台、分项虚拟、分阶段培养、多层次提升、全覆盖培训、虚实互补优化的矿井联系测量实验教学体系，解决井下高危环境下实习安全和影响生产、精密测量仪器使用成本高等真实实验教学难题，探索破解矿业特色测绘实验教学瓶颈的途径。

针对矿井联系测量技术要求高、作业环节多、内容抽象，在生产矿井中真实实验影响生产，危险性大，成本高，可实施性弱等问题，构建了统一平台、分项虚拟、分阶段培养、多层次提升、全覆盖培训、虚实结合、全方位共享矿井联系测量虚拟仿真实验教学系统。同时，利用中国矿业大学环境与测绘学院大楼及地下停车场，建设了包括一对模拟井筒（5层楼高）在内的矿井联系测量实训场(见图2-6-1、图2-6-2)，结合“中国矿业大学数字化测图实验场”、“巷道测绘模拟实训场”、“井下钢尺比长台”、“井下钢丝模拟观测平台”、“室内定位试验场（井巷、峒室模拟定位试验场）”等实训场，学生可在不同学习阶段，利用三维软件和键盘鼠标等输入设备，开展一井定向、陀螺定向、导入高程以及井下坐标与高程传递等矿井联系测量虚拟仿真实验，再结合实训场真实实验、矿山现场观摩和观看录相等过程，虚实互补优化，实现实验教学的虚实分段、虚实交替和虚实融合，多层次提升复杂工程问题的分析能力和解决能力。

图2-6-1  矿井联系测量虚实结合框架

图2-6-2  矿井联系测量模拟实训场

2、任务驱动型实验教学

以实验任务为驱动，采取过程节点化管理，让抽象的实验过程，转变成形象逼真的“游戏”过程，增强教学效果;围绕任务展开学习，以任务的完成结果检验和总结学习过程等，改变学生的学习状态，使学生主动建构探究、实践、思考、运用、解决高智慧的学习体系。

矿井联系测量虚拟仿真实验教学项目的五个模块，均以实验任务为驱动，例如一井定向，通过准备工作、时间安排、人员配备及分工、仪器、设备和工具的配备、投点、连接测量、内业计算等实验环节，采取步骤导向图（见图2-6-3，黄线框表示），实现复杂实验环节的分解和标识，到达实验思路和过程的层次化、条理化，引导和交互，完成实验，提升实验效果。

学生可以明确知道当前实验在哪个步骤，并且可以随时暂停、重复或者跳到某一个实验环节，以便复习、加强薄弱实验环节的训练或者快速了解实验总体流程。

同时，以教材中的实验示意图，通过红色标记，标注实验环节所处的位置，让学生以游戏鸟瞰图的方式，把复杂实验过程简单化、流程化，易于接收。

针对实习任务，按节点进行区块化管理，让学生通过不同的方式，了解掌握需要开展的实验流程，需要进行的实验操作，记录实验结果，分析实验现象的成因、需要解决的问题、需要实现的功能。最终根据实验成果的精度要求，拓展要求和改善方向。

                     菜单栏：绿色代表已完成、黄色代表正在进行、白色代表未完成

                     进度栏：绿色代表已完成、黄色代表正在进行、红色代表未完成

                      索引图：示意实验环节位置  

图2-6-3   节点索引式虚拟教学组织

3、开放式实验教学

矿井联系测量虚拟仿真实验项目坚持了实验教学的目标、主体、方式、内容、资源的多元化、开放性，着力构建开放式实验教学管理平台，实现翻转式实验教学,建立"多元化"的实验评价体系，以培养学生的自主学习、自主实验、自主创新能力。

本项目采用图像数据压缩、网络技术和B/S架构，构建实验教学网站，实现了网上资源共享，实施开放式实验教学。通过网上预约，学生可自由选择实验时间、实验内容，同时允许自拟相关实验题目，自主设计实验项目，发挥学生的主观能动性。学生可借助于台式计算机、笔记本、PAD、智能手机等多种形式的终端设备，充分利用扫描二维码、语音识别、体感识别等先进的信息技术手段，可不受人数、时间、空间限制地在线开展“教-学-练-考”，可满足多手段、多终端、大共享、不同层次的实验教学要求。将过去单纯由实验指导教师详细讲解原理和步骤、再由学生机械地“照章实验”的方式，改为由教师提问、学生回答，学生提问、教师讲解，由浅入深、共同讨论的方式，把实验的主动权交给了学生，实现了翻转式实验教学。

“虚拟仿真实验教学管理系统”可向学生、教师和系统管理员提供基于网络环境的开放式实验管理功能，学生可以进入系统选择要开展的实验项目，保留实验结果或成果；教师可对学生相关实验过程、结果或成果给出成绩和评价；教师和学生可以通过系统进行虚拟仿真实验互动交流和探讨，分析虚拟仿真实验教学及现有系统优点与不足，提出改进、完善途径；教师也可以从中得到实验反馈信息，调整相关实验的进度、深度及方式，改进、完善虚拟仿真实验教学系统，提高实验教学效果。

教学管理平台建设采用开放式教学理念，可实现在线学习、辅助教学，不受用户数量、时间限制。主要辅助教学功能包括虚拟仿真实验教学、自主学习、实践、考核等，主要管理功能包括资源库管理、账户管理、试卷管理、成绩管理等。实验教学系统提供相应虚拟仪器仿真操作以及通过虚拟仿真仪器、设施、系统，帮助学生自主发现问题、自主设计实验、自主配置实验、自主分析实验、自主评判实验。

2-6-2  实施过程

结合当前虚拟仿真实验所具有的功能和课程教学要求，矿井联系测量虚拟仿真实验实施过程如图2-6-4所示。

实验教学采用线下与线上结合的方式进行。线下主要由学生根据教师要求进行仿真练习，熟悉整套仿真系统的使用方法及步骤。而线上主要由专业教师进行集中教学管理、资源管理、考核管理等。

学生可以通过电脑、手机等网络设备，访问相应的矿井联系测量虚拟仿真资源，通过账号认证等方式，完成虚拟资源的访问和调用。

图2-6-4  矿井联系测量虚拟仿真实验实施过程

实验教学当中，教师通过提问、答疑等方式进行互动，从而锻炼学生解决实际问题的综合能力。教师可根据具体的课程安排，开展仿真考试，掌握学生的学习动态和学习效果，督促学生学习，提高学生学习的积极性。

2-6-3  实施效果

1、矿井联系测量虚拟仿真实验实现了真实实验不具备或难以完成的实验教学功能，全面提升了实验教学效果。

2、使由于矿山生产和安全方面的限制难以开展的实验得以进行。

3、解决了新、贵、精、尖仪器不足的问题。比如井下陀螺仪是矿山防爆仪器，成本高、寿命短，加之近几年招生规模扩大，使得或难以开展陀螺定向真实实验，或真实实验时间难以保证。通过虚拟仿真实验教学系统，学生能有效实现仪器的拆装，进行定向操作，学习原理及计算方法。

4、突破了矿山现场实验受时间、空间等限制，弥补了现场实验在可行性、重复性、控制性、展示性方面的不足。

5、可着眼生产实际，每个学生都能灵活、自主完成所有实验，避免了现场实验需要多方配合、时间难以控制、缺乏跟踪指导等问题，提升了实验教学整体水平，满足了人才培养需求。

在不同学习阶段学生，利用矿井联系测量虚拟仿真实验教学资源，可获得不同层级知识，达到不同目标。如在矿山测量课程学习中，通过矿井联系测量虚拟仿真实验教学系统，可熟悉矿井联系测量工作的原理及基本方法，助推自主学习，实施翻转课堂教学;在集中实习中，可通过矿井联系测量虚拟仿真实验、实训场真实实验、矿山现场观摩和观看录相等环节，虚实互补优化，多层次提升复杂工程问题的分析能力和解决能力;在矿山测量课程学习后，利用虚拟仿真资源，完成多项矿井联系测量大学生科研、创新研究及毕业设计，获省奖以上12项。