虛擬仿真技術(shù)在采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

胡浩 王磊 張貴生

摘? 要：當(dāng)前采礦工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐創(chuàng)新培養(yǎng)受到多方面因素的影響，難以開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)及綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展為采礦工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了硬件支持。將虛擬仿真技術(shù)融入到采礦工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以培養(yǎng)采礦工程專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新性、復(fù)合型人才為指導(dǎo)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)人才培養(yǎng)質(zhì)量的進(jìn)一步提高。同時(shí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建成，使礦工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件更優(yōu)越、實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)更加完善。

關(guān)鍵詞：采礦工程? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? 虛擬仿真技術(shù)? 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

Abstract： At present， mining engineering practice innovation training is affected by many factors， so it is difficult to carry out practice teaching and comprehensive innovative experiment. The rapid development of virtual simulation technology provides support for experimental teaching reform of mining engineering specialty. The virtual simulation technology is integrated into the experimental teaching of mining engineering specialty， and guided by the training of innovative and compound talents of mining engineering specialty， the quality of personnel training is further improved. At the same time， the construction of virtual simulation laboratory makes the experimental teaching conditions of mineral engineering specialty more superior and the experimental teaching system more perfect.

Key Words： Mining engineering; Experimental teaching; Virtual simulation technology; Laboratory construction

采礦工程專(zhuān)業(yè)作為典型傳統(tǒng)學(xué)科具有多學(xué)科交叉的特點(diǎn)（相關(guān)學(xué)科包括地質(zhì)、機(jī)械、力學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、安全、管理等多個(gè)專(zhuān)業(yè)），對(duì)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)及綜合能力具有更高的要求，因此采礦工程專(zhuān)業(yè)要有多的實(shí)踐及實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)[1-2]。但現(xiàn)階段采礦工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新培養(yǎng)存在以下主要問(wèn)題：煤礦企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)繁重、安全風(fēng)險(xiǎn)大，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)難以開(kāi)展;受資金、師資、教學(xué)與科研協(xié)調(diào)等條件限制，部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目不能正常進(jìn)行;如今很多創(chuàng)新型綜合實(shí)驗(yàn)所需大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備較多，一般實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需求[3]。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的和虛擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，為采礦工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了硬件支持，為上述問(wèn)題的解決提供了可行的路徑?；诓傻V工程專(zhuān)業(yè)特色，建立高仿真度的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐環(huán)境，可以較大程度的還原真實(shí)環(huán)境無(wú)法完成的實(shí)踐活動(dòng)或危險(xiǎn)系數(shù)較高實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。將虛擬仿真技術(shù)為硬件基礎(chǔ)，融入到采礦工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)中，以培養(yǎng)采礦工程專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新性、復(fù)合型人才為指導(dǎo)，最終實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)質(zhì)量的進(jìn)一步提高。

1? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

1.1 實(shí)驗(yàn)室依托條件

高等院校的實(shí)驗(yàn)室作為培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹匾獔?chǎng)所，其教學(xué)儀器設(shè)備的配置及使用狀況，直接決定了實(shí)踐教學(xué)育人的效果。建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，完善采礦工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系，能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新能力及實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力[4]。

安徽理工大學(xué)做為安徽省第一所工科高校，是安徽省重點(diǎn)建設(shè)的特色高水平大學(xué)。學(xué)校以工為主，地礦特色鮮明，是全國(guó)最早開(kāi)展礦業(yè)人才培養(yǎng)的兩所高校之一。采礦工程學(xué)科是學(xué)校最早設(shè)立的學(xué)科之一，歷史悠久。經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展，采礦工程學(xué)科體系完整，圍繞礦井安全高效回采等開(kāi)展科研工作，科研條件不斷改善，科研實(shí)力不斷增強(qiáng)。結(jié)合安徽省地方經(jīng)濟(jì)特色、依托單位的學(xué)科優(yōu)勢(shì)，2002年籌建定位于深部煤礦采動(dòng)災(zāi)害基礎(chǔ)研究的安徽省現(xiàn)代礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。2016年實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室立項(xiàng)建設(shè)序列。2018年省部共建深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲批[5]。實(shí)驗(yàn)室擁有一批高性能的先進(jìn)設(shè)備，現(xiàn)有大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備 100 余臺(tái)件，儀器和設(shè)備總價(jià)值 1 億多元。依托上述平臺(tái)、資源等優(yōu)勢(shì)，我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室于2020年建設(shè)完成并投入使用。

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室

安徽理工大學(xué)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)依托計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備，結(jié)合采礦工程專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)需求，建設(shè)一個(gè)沉浸可交互實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)尖端技術(shù)與采礦工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)的深度融合。

安徽理工大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個(gè)大場(chǎng)景寬視野的3D教學(xué)環(huán)境，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及三維建模技術(shù)，創(chuàng)造出一個(gè)1：1的虛擬場(chǎng)景。LED小間距立體顯示系統(tǒng)作為虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)關(guān)鍵性硬件系統(tǒng)，采用了國(guó)際領(lǐng)先的顯示技術(shù)，同時(shí)融合了拼接融合技術(shù)、圖像處理技術(shù)、立體顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等。系統(tǒng)具有高分辨率、超寬視野、立體顯示、無(wú)縫拼接，高集成度等特點(diǎn)。系統(tǒng)在硬件、軟件設(shè)計(jì)上已充分考慮到系統(tǒng)的安全性、可靠性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，存儲(chǔ)和處理能力滿(mǎn)足遠(yuǎn)期擴(kuò)展的要求。搭配立體擴(kuò)音系統(tǒng)，可以滿(mǎn)足不同形式的立體教學(xué)和多媒體教學(xué)，該環(huán)境同時(shí)布置了動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，教師采用交互設(shè)備模仿真實(shí)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)過(guò)程，學(xué)生佩戴立體眼鏡仿佛置身于真實(shí)的操作環(huán)境中。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開(kāi)放管理平臺(tái)還具有信息發(fā)布、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集分析、互動(dòng)交流、成績(jī)?cè)u(píng)定、成果展示等功能。同時(shí)該平臺(tái)為開(kāi)放式，根據(jù)教學(xué)的需要可添加其他實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

2? 虛擬仿真設(shè)備教學(xué)優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室因其具有可重復(fù)使用、成本低、安全性高等有點(diǎn)，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已得到普遍應(yīng)用，國(guó)內(nèi)的航空航天、材料工程等專(zhuān)業(yè)的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)也選擇采用虛擬仿真技術(shù)[6-7]。將虛擬仿真技術(shù)引入到傳統(tǒng)的采礦工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)中，能加深學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)理解，拓寬科研視野。

2.1 設(shè)備利用率高

高校實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供了實(shí)踐操作平臺(tái)，也是學(xué)生科研創(chuàng)新的重要場(chǎng)所 。如今很多高校都十分重視實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，投入大量資金購(gòu)買(mǎi)先進(jìn)大型儀器設(shè)備。但是設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高，尤其是很多單一來(lái)源設(shè)備后期維修、維護(hù)費(fèi)用高昂。因此很多學(xué)校為節(jié)約運(yùn)行、維護(hù)成本，選擇減少儀器設(shè)備的開(kāi)放使用。同時(shí)由于學(xué)校更傾向于將儀器設(shè)備用于科研工作，進(jìn)一步減少了可用于教學(xué)的儀器設(shè)備數(shù)量。如今采礦工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，多數(shù)高校選擇采用教師演示的教學(xué)方式，從而降低學(xué)生操作大型設(shè)備存在的設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入到采礦工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新培養(yǎng)中，可以有效解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的問(wèn)題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室涵蓋多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，可以開(kāi)展多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)，減少了非必要設(shè)備的采購(gòu)，提高了實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的使用率。利用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，學(xué)生可以通過(guò)交互設(shè)備模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，從而掌握大型儀器設(shè)備的操作流程。同時(shí)采礦工程專(zhuān)業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室因其具有安全、低成本、可重復(fù)、形象直觀等特點(diǎn)，在教學(xué)實(shí)踐中能達(dá)到其他實(shí)驗(yàn)室難以達(dá)到的效果。

2.2 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

相比采礦工程專(zhuān)業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的簡(jiǎn)單、枯燥，虛擬仿真技術(shù)能夠更直觀、立體地展示生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，給學(xué)生以更直接的感官刺激。在采礦工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生對(duì)于專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)的興趣。利用虛擬仿真設(shè)備構(gòu)建虛擬礦井場(chǎng)景，學(xué)生能有身臨其境的感覺(jué)，如同親身體驗(yàn)礦井現(xiàn)場(chǎng)。同時(shí)可以讓學(xué)生全面的了解礦井工業(yè)廣場(chǎng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、機(jī)械裝備以及各類(lèi)礦井災(zāi)害。

相比以往室內(nèi)礦井模擬（多為塑料材質(zhì)）無(wú)法更新、損壞修復(fù)困難等問(wèn)題，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室具有教學(xué)內(nèi)容更新難度小、周期短等優(yōu)點(diǎn)。因此虛擬仿真教學(xué)更能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)、科研興趣。

2.3 知識(shí)拓展性

利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合學(xué)科前沿問(wèn)題及成果，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：利用其三維漫游功能，能實(shí)現(xiàn)礦井的仿真漫游，完成學(xué)生的參觀實(shí)習(xí)活動(dòng);利用其動(dòng)作捕捉及交互功能，完成高危險(xiǎn)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)操作演練、實(shí)現(xiàn)采礦工程專(zhuān)業(yè)較復(fù)雜綜合實(shí)驗(yàn)及科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);利用其3D展示功能，可以完成礦井沖擊地壓、煤與瓦斯突出、突水等災(zāi)害應(yīng)急展示等，給學(xué)生以視覺(jué)沖擊。

同傳統(tǒng)采礦工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的投入使用，可以讓學(xué)生更深切的體驗(yàn)礦井生產(chǎn)環(huán)境，更深入地將理論知識(shí)與現(xiàn)場(chǎng)情況相結(jié)合，有利于學(xué)生深入思考圍巖失穩(wěn)等力學(xué)機(jī)理。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)未知問(wèn)題進(jìn)行積極探索的精神。結(jié)合虛擬仿真系統(tǒng)中嵌入模塊，授課老師可以從機(jī)械裝備、回采工藝、圍巖受力多個(gè)角度，全方位、立體式的引導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)學(xué)習(xí)采礦工程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生積極申請(qǐng)參與各類(lèi)科研項(xiàng)目，為學(xué)生提供硬件條件，支持學(xué)生開(kāi)展科研探索等相關(guān)工作[8]。

3? 虛擬仿真技術(shù)帶來(lái)的改革

3.1 完善采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建成，使安徽理工大學(xué)采礦工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)更加完善。安徽理工大學(xué)深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)大樓一棟，儀器設(shè)備總值達(dá)1億多元，并構(gòu)建了如下研究系統(tǒng)：仿工程復(fù)雜物理場(chǎng)煤巖力學(xué)演化特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);動(dòng)靜荷載下氣固耦合煤巖沖擊動(dòng)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);深部工程支護(hù)體性能檢測(cè)系統(tǒng);含瓦斯煤巖損傷、破壞微細(xì)觀全時(shí)演化監(jiān)測(cè)系統(tǒng);相似材料模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建成，形成了“礦山虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)—相似材料模擬系統(tǒng)—巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)—工業(yè)CT”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，系統(tǒng)的向?qū)W生展示了“工程現(xiàn)場(chǎng)—實(shí)驗(yàn)室尺度—微觀變形”之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生將現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題轉(zhuǎn)換到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析的思維方式。有利于學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)課理論知識(shí)進(jìn)行梳理，提高專(zhuān)業(yè)課教學(xué)效果。

3.2 改善采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件

教學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著教學(xué)方式的變革。建成的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和開(kāi)放共享平臺(tái)，能夠?qū)W(xué)生的線(xiàn)上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全程管控。采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開(kāi)放管理平臺(tái)在校園網(wǎng)面向所有用戶(hù)開(kāi)放，對(duì)校內(nèi)外展示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息。學(xué)生可在校園內(nèi)任意網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)平臺(tái)資源，不僅可以方便地利用平臺(tái)資源學(xué)習(xí)和開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，還可以根據(jù)平臺(tái)上提供的器材自由搭建合理的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生可以選擇在自由時(shí)間，開(kāi)展自主實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性、激發(fā)學(xué)生的科研興趣，同時(shí)有效提高了設(shè)備的使用率。

3.3 鍛煉采礦工程教學(xué)隊(duì)伍

青年教師作為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與開(kāi)展科研工作的主力軍，同時(shí)擔(dān)負(fù)著教學(xué)與科研任務(wù)，全面的提升青年教師能力，能夠有效增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室?guī)熧Y力量。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)運(yùn)行，有助于增強(qiáng)青年教師的知識(shí)儲(chǔ)備。礦山虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室具有綜合性、系統(tǒng)性的特點(diǎn)，青年教師在授課、科研過(guò)程中，能夠再次對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系進(jìn)行梳理。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在培養(yǎng)學(xué)生科研興趣的同時(shí)也提升了教師自身水平。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)運(yùn)行，有助于提高青年教師的綜合能力。虛擬仿真技術(shù)同時(shí)融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、人工智能等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的快速更新。這就要求青年教師對(duì)相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的學(xué)習(xí)不僅要有廣度還要有深度，提高個(gè)人的綜合能力。在此基礎(chǔ)上結(jié)合采礦工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)、科研的實(shí)際需求，進(jìn)行創(chuàng)新，并將創(chuàng)新成果應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

4? 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真技術(shù)是教學(xué)改革的前沿技術(shù)，在采礦工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，拓寬科技視野。同時(shí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建成，使礦工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件更優(yōu)越、實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)更加完善。

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