基于云空間技術(shù)的煤礦機(jī)電設(shè)備操作的虛擬實(shí)景教學(xué)研究

劉月琴 張玉梅 胡春芳

【摘要】本文為了解決煤礦機(jī)電設(shè)備操作實(shí)踐教學(xué)的困境，利用虛擬仿真現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行教學(xué)，基于云空間、互聯(lián)網(wǎng)、3D虛擬交互技術(shù)等，將礦井中的煤礦設(shè)備的工作過程虛擬再現(xiàn)，這樣大大提高了教與學(xué)的質(zhì)量，由此弘揚(yáng)了高職特色、培養(yǎng)了學(xué)生職業(yè)能力，同時(shí)對(duì)推動(dòng)高職教學(xué)改革也具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】云空間技術(shù) 煤礦機(jī)電 設(shè)備操作 虛擬實(shí)景

【基金項(xiàng)目】內(nèi)蒙古自治區(qū)高等教育科學(xué)研究“十三五”規(guī)劃項(xiàng)目（NGJGH2016208）；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育科學(xué)研究項(xiàng)目：煤礦機(jī)電設(shè)備操作虛擬實(shí)景教學(xué)的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用研究；內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院高等教育研究課題（NJDZJRW1807）。

【中圖分類號(hào)】G710 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）46-0197-02

從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提上日程，發(fā)展迅速，2018年1月工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會(huì)正式印發(fā)的《信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》中將支持虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化作為發(fā)展重點(diǎn)，未來將建立虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展公共服務(wù)平臺(tái)，探索開展在設(shè)計(jì)制造、健康醫(yī)療、文體娛樂等領(lǐng)域的應(yīng)用示范。

一系列的政策密集出臺(tái)，將虛擬現(xiàn)實(shí)放在了超前發(fā)展的戰(zhàn)略位置，從中也可以窺探虛擬現(xiàn)實(shí)在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的戰(zhàn)略定位及產(chǎn)業(yè)路徑。職業(yè)教育是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前提，所以應(yīng)該抓住關(guān)鍵時(shí)機(jī)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改革教學(xué)方法和模式，促進(jìn)我國虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)生態(tài)，正當(dāng)其時(shí)。

一、煤礦機(jī)電設(shè)備操作實(shí)踐教學(xué)的困境及其解決辦法

高職教育在結(jié)合社會(huì)和行業(yè)實(shí)際，為實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)造了有利條件[1]，某些行業(yè)或?qū)I(yè)的特殊性，例如煤礦機(jī)電設(shè)備的操作和采掘，圖1所示煤礦機(jī)電設(shè)備采掘過程中，讓大量學(xué)生直接進(jìn)入工作現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)會(huì)給安全生產(chǎn)帶來很大隱患，而大量昂貴設(shè)備買進(jìn)學(xué)校也不可能；當(dāng)然這類高危行業(yè)企業(yè)進(jìn)行培訓(xùn)也存在同樣的問題。因此使進(jìn)不去、看不見、難再現(xiàn)、多污染、高消耗、不安全、設(shè)施設(shè)備不足等高危實(shí)踐的教學(xué)和培訓(xùn)成為一個(gè)難題。

著眼于上述難題，通過虛擬仿真現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行教學(xué)和培訓(xùn)，這樣既可實(shí)現(xiàn)立體化教學(xué)視角，又可實(shí)現(xiàn)虛擬化的實(shí)際環(huán)境[2，3]。特別是有礦山、煤炭類專業(yè)的職業(yè)院校，能夠深入現(xiàn)場的巖層和煤層內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)開采、設(shè)備操作、現(xiàn)場事故處理等。仿真實(shí)訓(xùn)避免了設(shè)備損壞、人身安全和環(huán)境污染。對(duì)不可直觀展示的井下巷道空間位置及其關(guān)系進(jìn)行三維直觀展示。它解決了實(shí)操實(shí)訓(xùn)進(jìn)不去、看不見、難再現(xiàn)、多污染、高消耗、不安全、設(shè)施設(shè)備不足等諸多難題；同時(shí)將趣味性、現(xiàn)場氛圍等融入教學(xué)和培訓(xùn)中，創(chuàng)新出智能化、信息化、現(xiàn)代化的實(shí)訓(xùn)環(huán)境[4-6]。

二、煤礦機(jī)電設(shè)備操作的虛擬實(shí)景的關(guān)鍵技術(shù)

1.環(huán)境建模技術(shù)，虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容，環(huán)境建模的目的是獲取實(shí)際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

以煤礦機(jī)電設(shè)備的工作過程為例，如圖1所示是礦井中的煤礦設(shè)備拆解演示，煤礦設(shè)備展現(xiàn)愈加形象、有直觀精巧的3D動(dòng)畫，比本來單純的文字說明愈加形象、直觀。打破時(shí)刻、地域、空間的約束性。

2.系統(tǒng)集成技術(shù)，由于虛擬現(xiàn)系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、識(shí)別和合成技術(shù)等。

3.感知技術(shù)，以計(jì)算機(jī)為工具，將現(xiàn)實(shí)世界在虛擬環(huán)境下再現(xiàn)的技術(shù)，為了解決虛實(shí)融合的問題，感知是需要攻克的核心技術(shù)。如何實(shí)現(xiàn)交互的準(zhǔn)確和自然，除了傳統(tǒng)的觸摸屏、多點(diǎn)觸控之外，還包括語言識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、情感識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)都需要突破。

三、云空間平臺(tái)搭建

為了讓學(xué)生享受現(xiàn)有的教學(xué)資源，探索開展了煤礦井下操作領(lǐng)域的應(yīng)用示范。利用云空間技術(shù)建立了虛擬現(xiàn)實(shí)公共服務(wù)云平臺(tái)，云空間平臺(tái)搭建如圖2所示。

步驟一：部署服務(wù)運(yùn)行環(huán)境平臺(tái)。

步驟二：搭建運(yùn)行服務(wù)器。部署源碼包，建立數(shù)據(jù)庫、表，調(diào)整配置文件。

步驟三：完成初始化安裝。根據(jù)網(wǎng)頁安裝向?qū)нM(jìn)行安裝，將源碼包部署至網(wǎng)站目錄，部分源代碼見圖3所示。建立數(shù)據(jù)庫、表結(jié)構(gòu)部分源代碼見圖4所示，然后編輯配置文件。

步驟四：完成初始化安裝。調(diào)整配置，訪問網(wǎng)站， 初始化用戶名通過注冊(cè)進(jìn)入。

云平臺(tái)的搭建使虛擬教學(xué)資源全天開放，方便維護(hù)，完全不用擔(dān)心氣候、時(shí)間、人員的維護(hù)，僅需登錄網(wǎng)站即可查看。煤礦機(jī)電設(shè)備操作的虛擬實(shí)景教學(xué)將現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)世界在虛擬環(huán)境下再現(xiàn)，以智能化、信息化、數(shù)字化的虛擬環(huán)境進(jìn)行教學(xué)，學(xué)者似乎是身臨其境，對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容越來越興奮，越來越新奇。提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)教與學(xué)的互動(dòng)性。

四、總結(jié)

煤礦機(jī)電設(shè)備操作這門課由于其所在專業(yè)的特殊性，必須通過虛擬實(shí)景的教學(xué)方法實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，由此利用3D制圖軟件結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，虛擬再現(xiàn)了礦井中的煤礦設(shè)備的工作過程，基于云空間+互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，學(xué)生只要一個(gè)鏈接就能克服時(shí)空限制進(jìn)行現(xiàn)場學(xué)習(xí)。這樣的教學(xué)大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教師的教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)對(duì)弘揚(yáng)高職特色、培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)能力、開展教學(xué)改革等具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]周振軍，張慶秀，馬彥華.虛擬教學(xué)技術(shù)教學(xué)應(yīng)用分析[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)（教育科學(xué)版），2005（05）：102-104+130.

[2]張進(jìn).網(wǎng)上虛擬教學(xué)學(xué)習(xí)資源中心的建設(shè)[J].電化教育研究，2005（04）：77-80.

[3]王士勇. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].第二軍醫(yī)大學(xué)，2007.

[4]羅虹，王士勇.基于Virtools技術(shù)的虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2007（10）：57-60.

[5]韓軍堂，邊萌萌，王麗，劉劍，劉媛.一種基于仿真資源包的虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2015（08）：2813-2816.

[6]梁德福.三維虛擬仿真技術(shù)在汽車維修教學(xué)中的應(yīng)用[D].深圳大學(xué)，2017.

作者簡介：

劉月琴（1977-），女，內(nèi)蒙古察右前期人，內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，博士研究生。研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化教學(xué)的智能化與信息化。

張玉梅（1971-），女，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)電設(shè)備管理。

胡春芳（1966-），女，內(nèi)蒙古巴彥淖爾市人，內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造與自動(dòng)化。