Thinking and Practice on Opening and Sharing for the Virtual Simulation Experiment Project of Geology and Mining

开放共享是指个人或机构向社会或用户提供相关数据、信息或作品，使之能被他人利用的行为^[5]. 实验教学资源开放共享是各大学提供并相互使用实验教学资源，包括教育理念、教学内容、管理制度、教学成果和教学信息等软教学资源和师资队伍、教学场地、仪器设备等硬教学资源等^[6]. 虚拟仿真实验教学项目不同于传统的实验教学资源，它不受地域的限制，在网络环境下，使用者能够随时随地多次反复访问虚拟仿真实验教学资源，不仅节约实验教学成本，还极大地提高了共享范围和效率^[7].

虚拟仿真实验项目开放共享体系，包括4个主体和1个客体(图 1). 客体是实验项目；主体分别是：实验项目的设计者——专业教师团队、实验项目的开发者——项目技术开发团队、实验项目的管理者——学校管理机构、实验项目的使用者——学生用户.

优质的实验项目开放共享是开展虚拟仿真实验教学项目建设的基本目标，实验项目要达到开放共享要求，应该具备以下5个特点. ①内容优质. 口碑好，提升传播力度；②受众面广. 用户基数决定共享范围；③形式新颖. 个性化、差别化优势吸引用户；④渠道畅通. 随时随地可操作使用是基本保障；⑤反馈及时. 掌握用户需求，明晰优化方向.

虚拟仿真实验项目的建设按照实验项目内容设计→实验项目开发实现→实验项目运行管理3个环节进行. 虚拟仿真实验项目开放共享应具备的5个特点如何通过建设环节得以实现？

实验内容决定着共享的受众面范围. 先从专业基础课和核心课程入手，以急需的实验信息内容为指向，将传统教学中的“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的难点内容借助虚拟仿真手段来实现^[8]，满足广大院校相关专业的教学需求，推广共享的范围. 同时，合理地引入相关课程必要的知识点，比如“探槽工程布设及采样编录虚拟仿真实验”以“矿产勘查学”为依托，在探槽工程设计、采样、编录等实验过程中，合理地将“矿床学”“矿相学”“岩石学”和“测量学”等相关概念引入，帮助学生理解各门课程的相关性，建立专业课程知识体系.

2018年国家教育部认定的地质类国家级虚拟仿真实验教学项目，本着“能实不虚”的原则，实验内容均以地矿类专业基础课和核心课为依托，知识点覆盖面从微观到宏观，方法技能的培训从室内分析到“野外”实践，教学形式从理论认知学习到分析、设计与模拟，取得了较好的教学效果(表 1). 同时，优质的实验教学内容决定开放共享的传播力度，实验教学的目的是以满足实验者通过实验系统地掌握与实验内容相关的基本概念、原理和技术方法为前提，严谨的教学内容、完整的实验流程、清晰的实验步骤、良好的互动体验、合理的评价考核等都是评判实验教学内容优质的关键指标. 做为教育部推出的5类“金课”之一，其内容建设水平应具有“高阶性、创新性、挑战度”^[8-9].

以“露天矿山配矿过程虚拟仿真实验项目”为例，实验内容设计采用5个实验教学环节层层递进(图 2)，对学生的自主学习、信息搜集、综合分析设计、实践能力进行全面的锻炼，通过实验了解了露天矿山采场的基本要素和采装运的工作流程；理解配矿工作对于矿山企业开采管理的重要指导意义和资源合理利用的国家战略意义；掌握配矿的基本原理和方法应用；同时，通过0~1整数规划法的实操验证，拓展了实验内容的深度，激发学生对配矿优化方法的探究式学习热情，培养其创新意识.

新颖的实验展示形式是共享应用的催化剂，渠道畅通是共享应用的基本保障. 实验展示形式取决于开发技术，目前国内外高校虚拟仿真实验教学较为常用的技术主要为多媒体技术、可视化技术、VR技术、AR技术、虚拟仿真技术、3D打印技术、人机交互技术、遥现技术等^[10]. VR、AR和人机交互技术沉浸感和交互性更强，但受网络信息传输的稳定性、设备的兼容性和场地的限制性等条件的限制，在共享应用方面受到一定制约，尤其是异地共享. 因此，适合PC端、手机端应用的技术更有利于现阶段实验资源的开放共享. 随着3DS MAX、Unity 3D、WebGL、HTML5等三维建模技术的成熟和完善，其支持Windows、Mac、iPhone、Android等多种平台导出的技术特点，实现了用户端的多样化，实验者可以通过多种形式的用户端进入实验学习，为共享应用提供有力保障，目前已成为虚拟仿真实验项目开发的主要工具(表 2).

实际教学中在满足实验顺畅使用的同时，还应充分利用地矿类专业特色，及时将地质领域的新兴技术手段合理地应用到实验项目中，比如“探槽工程布设及采样编录虚拟仿真实验”项目中采用的虚拟三维空间定位仿真算法，实现虚拟手持GPS实时获取空间坐标位置及地质罗盘实时获取方位/坡度角等信息；“地下水污染物运移过程虚拟仿真实验教学”项目借助开源模拟模型MoldelMuse实现地下水污染物运移过程模拟；“大冶铁矿矿床学虚拟实习”项目采用的倾斜摄影测量、多视图像三维重建技术对野外实地进行三维实景建模. 这些技术引入到实验实验项目中，一方面提升了仿真效果、丰富了实验者的操作体验，同时也扩宽了学生对地矿类专业新兴技术的认知，激发了学生的创新意识.

我校采取校-院-实验中心三级管理模式，建设了校-院两级虚拟仿真实验项目共享平台(图 3). 学校管理平台主要由教务处、网络与信息化处等学校管理服务机构制定实验项目的近(中、远)期总体规划，保障网络安全运行，进行项目成果宣传、信息更新、制度完善等工作，定期遴选各学院教学效果良好、实验内容优质的实验项目列入共享平台，提供给校内外免费共享使用；学院管理平台主要由各学院的实验中心、专业系部及实验室负责实验项目的建设和申报、教学资源补充和完善、实验项目日常运行和维护等工作.

实验资源管理平台是实验项目的设计者(开发者)与使用者的重要纽带，完善的反馈评价机制有利于实验资源质量的提升和开发技术的更新改进，从而推动实验资源开放共享的可持续发展，因此，反馈评价机制的建设和完善是实验项目管理中非常重要的环节. 通过了解管理平台虚拟仿真实验项目热度、平台用户来源等客观数据统计，结合问卷调查反馈结果，可以及时掌握实验项目的受欢迎程度、校内外用户的数量和比例等信息，了解目前实验项目的具体不足，可对下一阶段实验项目的总体规划、教学内容的设计、开发技术的选择、实验展示的形式等提供明确的指导(图 4，表 3).

我们对已选修“探槽工程布设及采样编录虚拟仿真实验”的50名同学进行了问卷调查，调查结果显示大部分同学都认为开设该虚拟仿真实验很有必要，对实验的虚拟仿真效果和互动体验均有较高的满意度，通过本实验对相关知识点都能大部分掌握，取得了较好的教学效果. 但网络运行不畅几乎是所有同学在实验过程中遇到的问题，这为今后虚拟仿真实验教学的建设和完善提供了明确的方向.

目前，虚拟仿真实验教学资源的开放共享与有效利用依然存在许多受制因素，比如实验资源质量不高、重复建设，实验资源规模不够大、覆盖面不够广，实验资源自主创新不足，实验资源缺乏统一的技术标准和规范要求、资金投入不足等^{[2, 7, 11]}. 针对以上问题，我校出台了一系列措施制度进行有益改进.

我校2015年获批四川省“地质矿产资源三维立体勘探开发虚拟仿真实验教学中心”，开发了“找矿远景分析实验平台”“矿区尺度勘查实验平台”及“矿山开发利用实验平台”^[12-13]. 学校每年对虚拟仿真实验教学建设进行质量工程专项经费拨款，保障每年新建1~2项地矿类虚拟仿真实验项目. 目前，虚拟仿真实验中心已建成水系沉积物测量、钻探工程虚拟仿真实验项目、平硐工程虚拟仿真实验项目、采矿法虚拟仿真实验、露天矿山配矿过程虚拟仿真实训系统等十余项虚拟仿真实验，实现了实验资源的规模和覆盖面逐步扩大. 建成的实验项目以选修实验的方式列入相应课程实验教学大纲，根据反馈意见进行优化和完善，以此全面提高整体实验资源质量.

一方面鼓励教师积极参加虚拟仿真实验室建设、实验教学和管理、教学改革等培训和会议，加强高校间学习交流. 借鉴各高校优质实验资源的同时，避免了类似实验项目的重复建设；另一方面，充分利用企业的软件开发技术优势，与企业深入协作，共同开发虚拟仿真实验资源，申报知识产权，迄今在线共享实验项目均拥有软件著作权，保障了实验资源的自主创新性.

制定了本科教学类项目及成果分级认定方案(成理校教〔2018〕31号)、成都理工大学本科教学工作奖励绩效实施办法(成理校教〔2018〕35号)等一系列鼓励性文件，加强虚拟仿真实验建设工作在“高等教育人才培养质量和教学改革”立项中的扶持力度，对参与虚拟仿真实验建设的教师给予一定的工作量认定，取得的成果也进行相应级别的成果认定和奖励，这些措施充分调动了教师和实验管理人员的积极性，保障了实验室建设规范化、标准化建设和管理的顺利实施.

我校2018年获得3项国家级虚拟仿真实验项目认定，其中2项地质类，1项核工程类，2019年获得6项省级虚拟仿真实验项目认定. 随着我校虚拟仿真实验建设的开展，近几年大学生在创新创业立项中，基于三维地质建模、地质数据可视化软件开发与应用、岩矿石虚拟仿真鉴定软件开发等地质领域创新技术研究的数量和比例明显增高，在“互联网+”“挑战杯”“创青春”等全国大学生竞赛中也取得了较好的成绩. 接下来我校将继续坚持虚拟仿真实验教学资源建设，加强高校间交流学习和校企合作，深入探索实验教学新方法、新模式，优化虚拟仿真实验资源管理制度，进一步完善实验资源共享开放的运行机制，为地矿类高校虚拟仿真实验资源建设和开放共享提供参考与借鉴.