基于VR技術(shù)構(gòu)建強(qiáng)化采礦實(shí)踐能力的教學(xué)模式探討

陳結(jié) 劉莉 牟俊惠 劉偉 王亮

[摘 要] 采礦工程作為傳統(tǒng)工科專業(yè)，實(shí)踐教學(xué)是人才培養(yǎng)的重要組成部分。由于采礦專業(yè)的特殊性，現(xiàn)場(chǎng)的專業(yè)實(shí)踐會(huì)耗費(fèi)較大的人力、物力、時(shí)間，甚至?xí)绊懙綄W(xué)生的人身安全。為此，提出了基于VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)的強(qiáng)化采礦工程學(xué)生實(shí)踐能力的教學(xué)模式。首先分析采礦工程專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式存在的問題，在此基礎(chǔ)上對(duì)VR技術(shù)構(gòu)建強(qiáng)化采礦實(shí)踐能力的交互式教學(xué)模式進(jìn)行了探討和分析。虛擬教學(xué)模式可與傳統(tǒng)模式形成互補(bǔ)，提高采礦工程專業(yè)實(shí)踐的教學(xué)效果和效率。

[關(guān)鍵詞] VR技術(shù);專業(yè)實(shí)踐;教學(xué)模式

[中圖分類號(hào)] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）41-0265-02? ? [收稿日期] 2020-07-09

一、前言

為深入貫徹落實(shí)“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略，推動(dòng)智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，提升煤礦智能化水平，國家發(fā)展改革委等八部委共同制定頒發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出：“支持和鼓勵(lì)高校加強(qiáng)煤礦智能化相關(guān)學(xué)科專業(yè)建設(shè)，推動(dòng)專業(yè)交叉融合，培育一批具備礦業(yè)工程、軟件工程、信息工程、機(jī)器人工程、人工智能等知識(shí)技能的復(fù)合型人才。”建設(shè)適應(yīng)當(dāng)前新形勢(shì)的采礦工程專業(yè)人才培養(yǎng)新模式，是各礦業(yè)院校改革的重要內(nèi)容[1]。未來虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)將會(huì)成為高等院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必然發(fā)展方向，要遴選和開發(fā)一批具有較強(qiáng)推廣適應(yīng)性的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[2]。近幾年，全國各高校大力組織申報(bào)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心/項(xiàng)目，建成了一系列優(yōu)質(zhì)的線上虛擬實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。謝廣元等相關(guān)專家在各自的國家級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開展了大量的創(chuàng)新教學(xué)工作，通過利用國家級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，為大學(xué)生提供科技訓(xùn)練計(jì)劃，成為非常好的第二課堂活動(dòng)。

重慶大學(xué)資源與安全學(xué)院采礦工程專業(yè)于2016年獲批國家級(jí)礦山開采與安全國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，近幾年通過與礦山企業(yè)的合作，在教育部等相關(guān)部委的指導(dǎo)下，開設(shè)了一批優(yōu)質(zhì)的線上仿真教學(xué)資源。中心在建設(shè)發(fā)展過程中發(fā)現(xiàn)，采礦工程作為傳統(tǒng)的工程學(xué)科，其工作環(huán)境和工作性質(zhì)給學(xué)生的初期印象不理想，而且這種形象沒有隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展而得到改變，導(dǎo)致全國各礦業(yè)院校的采礦工程專業(yè)招生數(shù)量逐漸萎縮，畢業(yè)后學(xué)生在礦山相關(guān)企業(yè)就業(yè)的比例大幅下降。如何改變學(xué)生對(duì)采礦工程的認(rèn)識(shí)，提升學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)知和認(rèn)同感極為重要。本文提出結(jié)合現(xiàn)代化虛擬技術(shù)建設(shè)更具體驗(yàn)感和科技感的VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）教學(xué)資源。

二、采礦工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)面臨的問題

1.實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)不足。對(duì)于大多數(shù)高校而言，采礦工程專業(yè)的理論教學(xué)比重遠(yuǎn)大于實(shí)踐教學(xué)，表面上看是因?yàn)檎n程設(shè)計(jì)缺陷造成的重理論輕實(shí)踐，實(shí)際上是高校缺乏足夠的經(jīng)費(fèi)把學(xué)生送到礦山企業(yè)實(shí)訓(xùn)。所以，采礦工程專業(yè)在設(shè)計(jì)教學(xué)大綱時(shí)，只能在總課時(shí)增加適量可在室內(nèi)開展的部分常規(guī)實(shí)驗(yàn)課程，最大限度確?；緦?shí)踐教學(xué)。采礦工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)可分為三部分（不同的學(xué)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐安排會(huì)有一定的差異），認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)1周，生產(chǎn)實(shí)習(xí)2周，畢業(yè)實(shí)習(xí)3周。在實(shí)踐教學(xué)過程中，認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)總學(xué)時(shí)看似很多，但真到了礦山，企業(yè)考慮到生產(chǎn)工期問題，只能確保1～2次的井下學(xué)習(xí)，全面了解礦山的機(jī)會(huì)仍然不夠充分。

2.學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐存在安全隱患，缺乏學(xué)習(xí)興趣。即使在當(dāng)前信息化發(fā)展迅速，礦山環(huán)境得到極大改進(jìn)，采礦工程專業(yè)的工作環(huán)境較其他行業(yè)仍差很多。學(xué)生到偏遠(yuǎn)的礦山生產(chǎn)基地，由礦井深入到地下工作面時(shí)，仍有一定的心理壓力，對(duì)“90后”“00后”這些極少經(jīng)歷艱苦環(huán)境的青年學(xué)生來說是個(gè)極大的挑戰(zhàn)。另外，絕大部分采礦工程專業(yè)的學(xué)生都是被調(diào)劑的，一開始就很排斥專業(yè)，嚴(yán)重的專業(yè)情緒導(dǎo)致厭學(xué)。

3.專業(yè)實(shí)踐無法覆蓋多種礦山及多種作業(yè)環(huán)境。采礦工程專業(yè)實(shí)踐涉及煤礦、金屬礦，作業(yè)環(huán)境包含露天礦開采和地下礦開采，內(nèi)容豐富、工序繁雜，采用單一的礦井實(shí)地學(xué)習(xí)并不能滿足多樣化需求?？傮w來看，僅有的專業(yè)實(shí)踐課程在教學(xué)時(shí)間上無法保障實(shí)習(xí)過程全面覆蓋所有內(nèi)容，同時(shí)會(huì)耗費(fèi)大量的專業(yè)實(shí)踐經(jīng)費(fèi)。

三、運(yùn)用VR技術(shù)構(gòu)建強(qiáng)化采礦實(shí)踐能力的交互式教學(xué)模式

針對(duì)采礦工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)存在的問題，需要探索一種新的實(shí)踐教學(xué)模式，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)知和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果。虛擬仿真技術(shù)作為當(dāng)前眾多游戲開發(fā)公司的重要項(xiàng)目，吸引著很多學(xué)生爭(zhēng)相體驗(yàn)，因此，利用VR技術(shù)開發(fā)與當(dāng)前礦山行業(yè)發(fā)展相適應(yīng)，充分體現(xiàn)采礦礦山特征，具有游戲感的VR教學(xué)資源將是博得學(xué)生好感的重要手段。

利用現(xiàn)代化技術(shù)構(gòu)建采礦工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐新場(chǎng)景，基于VR技術(shù)構(gòu)建強(qiáng)化采礦工程專業(yè)實(shí)踐能力的交互式教學(xué)模式，是強(qiáng)化學(xué)生理論基礎(chǔ)知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生礦山現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐能力的有效教學(xué)方法?；赩R技術(shù)的交互式教學(xué)模式可以分成礦山實(shí)景漫游系統(tǒng)、礦山VR交互式模擬教學(xué)、個(gè)性化競(jìng)技學(xué)習(xí)系統(tǒng)三個(gè)部分。

1.礦山實(shí)景漫游系統(tǒng)。首先選擇典型目標(biāo)礦井，實(shí)現(xiàn)礦井場(chǎng)景仿真再現(xiàn)。通過調(diào)研，可以選擇某個(gè)集聚代表性的礦區(qū)作為原型，然后將該礦井還原再現(xiàn)到計(jì)算機(jī)中。通過相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)建立三維仿真工業(yè)廣場(chǎng)、洗選車間、副井、車場(chǎng)、石門、井下巷道、機(jī)電硐室、采掘工作面等場(chǎng)景。在此基礎(chǔ)上，融合新的技術(shù)形成3D漫游功能。主要有全景、行走、飛行、查看模式。工業(yè)廣場(chǎng)場(chǎng)景主要包含礦井介紹、生產(chǎn)單位、生產(chǎn)系統(tǒng)、二維導(dǎo)航、快速導(dǎo)航等多個(gè)功能模塊。

2.礦山VR交互式模擬教學(xué)?；赩R技術(shù)建立全三維數(shù)字模型表達(dá)對(duì)象，采用數(shù)字多媒體講解培訓(xùn)知識(shí);簡(jiǎn)化學(xué)生對(duì)礦井復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)的理解和認(rèn)知。通過這種方式建立的教學(xué)資源，無需想象，直觀呈現(xiàn)。交互作為體驗(yàn)感的重要組成部分，基于現(xiàn)代化的通信技術(shù)，進(jìn)一步構(gòu)建三維交互礦山模型，視口與操作互動(dòng)，所見即所得，所得及所見。檢索靈動(dòng)，導(dǎo)航自由，能充分體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)交互式的特性，實(shí)現(xiàn)交互式課件的教學(xué)應(yīng)用模式。

3.個(gè)性化競(jìng)技學(xué)習(xí)系統(tǒng)。利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，形成針對(duì)每個(gè)學(xué)生的個(gè)性化競(jìng)技學(xué)習(xí)系統(tǒng)。競(jìng)技場(chǎng)景根據(jù)學(xué)生當(dāng)前的薄弱環(huán)節(jié)和歷史成績(jī)有針對(duì)性地進(jìn)行競(jìng)技模塊設(shè)置。對(duì)于全體學(xué)生來說，競(jìng)技的情節(jié)設(shè)置基本相似，考核學(xué)生在VR交互式場(chǎng)景中完成指定動(dòng)作或任務(wù)的正確方式及所用時(shí)間，最終得出成績(jī)。

四、結(jié)語

本文調(diào)研了當(dāng)前礦業(yè)工程學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)，分析了傳統(tǒng)采礦工程實(shí)踐教學(xué)存在的普遍問題。隨著礦山對(duì)智能化礦山建設(shè)的需求，需要培養(yǎng)更具綜合能力的礦山企業(yè)復(fù)合型人才，而目前的教學(xué)條件很難有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。主要問題是現(xiàn)有的培養(yǎng)方案實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)不足，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，實(shí)踐環(huán)節(jié)缺乏趣味性，專業(yè)實(shí)踐涉及多種礦山及多種作業(yè)環(huán)境等。

文章提出運(yùn)用VR技術(shù)構(gòu)建強(qiáng)化采礦實(shí)踐能力的交互式教學(xué)模式。該教學(xué)模式分為礦山實(shí)景漫游系統(tǒng)、礦山VR交互式模擬教學(xué)、個(gè)性化競(jìng)技學(xué)習(xí)系統(tǒng)三個(gè)部分。新的教學(xué)模式可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)實(shí)踐存在的不足，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了采礦工程專業(yè)實(shí)踐的教學(xué)效果和效率，讓學(xué)生全面了解礦山，為以后工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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