張延凱,譚玉葉,王洪江,宋衛(wèi)東
(北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)
膏體充填是金屬礦床高效、安全、綠色開(kāi)采的核心技術(shù),充填料漿的濃密、制備及輸送技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)[1-2]。由于其相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)場(chǎng)地、裝備、材料、時(shí)間、安全性等的特殊要求,開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)難度大,亟需采用虛擬仿真技術(shù)改造傳統(tǒng)教學(xué)模式。因此,進(jìn)行膏體充填虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)探索研究,對(duì)切實(shí)提高采礦工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)吸引力和教學(xué)效果意義重大。
在煤礦開(kāi)采領(lǐng)域,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、山東科技大學(xué)等高校已進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索和研究,并且取得了很好的研究成果[3-5]。但是,在金屬礦開(kāi)采方向,相關(guān)研究才剛剛起步。
本文旨在針對(duì)采礦工程專(zhuān)業(yè)(金屬礦開(kāi)采方向)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化需求,探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可行性,提出實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)思路、設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)[6]、設(shè)計(jì)建設(shè)內(nèi)容、嘗試開(kāi)發(fā)與開(kāi)放共享模式[7]、構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,探索傳統(tǒng)行業(yè)教學(xué)方式改革的新方向、新思路、新途徑,為類(lèi)似項(xiàng)目的建設(shè)提供參考借鑒。
隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成熟,全國(guó)各大院校開(kāi)始認(rèn)識(shí)到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在教育領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值,它除了可以應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面,還可以輔助高校的科研工作[8]。
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的核心是實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)與共享。本研究探索采用校企深度合作方式共建虛擬仿真資源、共同推進(jìn)資源的共享。項(xiàng)目建設(shè)分為文獻(xiàn)分析、歸納總結(jié)、課程體系分析、資源建設(shè)、運(yùn)維推廣5個(gè)階段,分步實(shí)施。項(xiàng)目建設(shè)技術(shù)路線如圖1所示。
圖1 項(xiàng)目建設(shè)技術(shù)路線圖
大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)等已成為當(dāng)今社會(huì)最熱門(mén)的詞匯,教育產(chǎn)業(yè)也必然要實(shí)現(xiàn)高度信息化?,F(xiàn)代新興技術(shù)正強(qiáng)烈沖擊和改造著傳統(tǒng)礦業(yè)教學(xué)的理念、內(nèi)容和方式。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流,符合新型礦業(yè)人才培養(yǎng)需求。
2016年6月,《教育部關(guān)于中央部門(mén)所屬高校深化教育教學(xué)改革的指導(dǎo)意見(jiàn)》(教高〔2016〕2號(hào))[9]要求推動(dòng)校內(nèi)、校際線上線下混合式教學(xué),充分利用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開(kāi)放共享。2017年7月,《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》(教高廳〔2017〕4號(hào))[10]進(jìn)一步要求推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合,加強(qiáng)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用,提高高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平??梢?jiàn),虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是當(dāng)前我國(guó)高等教育的一個(gè)重要發(fā)展方向。
基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新型教學(xué)模式突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空和內(nèi)容限制,既節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時(shí)間,提高學(xué)習(xí)效率,又?jǐn)U展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)范疇,降低了材料、設(shè)備的耗損。教學(xué)效果方面,虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的應(yīng)用,不僅有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,同時(shí)也有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的正確理解、快速掌握和長(zhǎng)期記憶。
采礦工程是典型的傳統(tǒng)工科專(zhuān)業(yè),其科學(xué)研究具有系統(tǒng)性、實(shí)踐性、工程性、不確定性等典型特征。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨著危險(xiǎn)性大、周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)消耗大等諸多難題[11-13]。因此,亟需應(yīng)用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)采礦工程專(zhuān)業(yè)傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行改造,突破原有“理論教學(xué)+實(shí)驗(yàn)教學(xué)”授課方式的局限性,打造適應(yīng)新時(shí)代礦業(yè)人才培養(yǎng)特點(diǎn)、虛實(shí)結(jié)合、全天候、線上線下一體化的學(xué)習(xí)環(huán)境。
綜上,本項(xiàng)目建設(shè)緊圍繞立德樹(shù)人的根本任務(wù),適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的新要求、現(xiàn)代大學(xué)生成長(zhǎng)的新特點(diǎn)、信息化時(shí)代教育教學(xué)的新規(guī)律,以提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神為核心,以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托,立足于采礦工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化需求,形成有特色、可擴(kuò)展、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、界面友好的教學(xué)平臺(tái),推動(dòng)傳統(tǒng)工科專(zhuān)業(yè)建立線上線下相結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式,促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量全面提高。
我?!暗V業(yè)工程”作為國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)學(xué)科和“雙一流建設(shè)”學(xué)科,在業(yè)內(nèi)具有較高的學(xué)術(shù)聲譽(yù)和影響力。經(jīng)過(guò)多年持續(xù)投入和發(fā)展建設(shè),該學(xué)科擁有一支學(xué)風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)、科研與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的教師隊(duì)伍,形成了完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。我校多年來(lái)一直從事采礦工程專(zhuān)業(yè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)、教學(xué)、科研工作,在數(shù)字礦山、三維建模、采礦方法、生產(chǎn)工藝、礦山災(zāi)害防治等領(lǐng)域積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和豐碩的科研成果,為本項(xiàng)目的順利實(shí)施奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。
采礦工程專(zhuān)業(yè)是我?!耙涣鲗W(xué)科”建設(shè)的重點(diǎn)方向,擁有金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、城市地下空間工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等一批高水平的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái);擁有多套虛擬仿真類(lèi)軟件,如Skyline、Flac、Ansys、Surpac、3DMine等;擁有三維激光掃描儀、3D打印機(jī)、三維投影儀、大屏幕展示系統(tǒng)、計(jì)算服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等大型設(shè)備??梢?jiàn),項(xiàng)目建設(shè)具有得天獨(dú)厚的軟硬件條件。
此外,我校已經(jīng)成功建設(shè)了鋼鐵生產(chǎn)全流程虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)、材料虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等,有相關(guān)項(xiàng)目建設(shè)的寶貴經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。2017年,我校由高等工程師學(xué)院牽頭與長(zhǎng)沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司合作,共同建設(shè)了“金屬礦山仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)”,用于實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)。該系統(tǒng)為膏體充填虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
項(xiàng)目建設(shè)堅(jiān)持“能實(shí)不虛”的原則以及問(wèn)題導(dǎo)向,優(yōu)先選擇采礦工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)條件不具備或?qū)嶋H運(yùn)行困難,涉及高危、極端環(huán)境、高成本、高消耗等問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。緊密結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)新型礦業(yè)人才培養(yǎng)的需求、采礦工程專(zhuān)業(yè)特色、礦業(yè)發(fā)展最新成果以及我?!耙涣鲗W(xué)科”建設(shè)的總體規(guī)劃,采用現(xiàn)代信息技術(shù)、三維建模技術(shù)、數(shù)字礦山技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等,選擇原理準(zhǔn)確、難度適宜、易于實(shí)現(xiàn)的主干專(zhuān)業(yè)課程核心知識(shí)點(diǎn)作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)內(nèi)容。
按照我校2017版本科生培養(yǎng)方案,采礦工程專(zhuān)業(yè)本科生需修滿187學(xué)分,其中理論課程139學(xué)分,實(shí)踐課程48學(xué)分,具體見(jiàn)表1。
表1 本科生培養(yǎng)方案學(xué)分分布
通過(guò)對(duì)各類(lèi)課程的篩選,選擇專(zhuān)業(yè)核心課程中的主干課“礦床開(kāi)采工程(地下開(kāi)采)”作為項(xiàng)目建設(shè)的目標(biāo)課程。該課程(64學(xué)時(shí),包含6實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí))是所有專(zhuān)業(yè)課程中學(xué)時(shí)數(shù)最多的,可改造空間大,可適當(dāng)調(diào)整原課堂講授內(nèi)容,設(shè)計(jì)4~8學(xué)時(shí)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn),并分步實(shí)施。
“礦床開(kāi)采工程(地下開(kāi)采)”旨在培養(yǎng)懂管理的采礦工程技術(shù)人才,使學(xué)生了解本領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)方向。通過(guò)這門(mén)課程學(xué)習(xí),學(xué)生可掌握地下開(kāi)采方法的核心專(zhuān)業(yè)知識(shí),為解決復(fù)雜的地下開(kāi)采工程問(wèn)題提供理論基礎(chǔ)。課程重點(diǎn)和難點(diǎn)是講解礦床開(kāi)采的開(kāi)拓方法、主要開(kāi)拓巷道位置的確定、礦塊采準(zhǔn)與切割方法、回采工作與主要生產(chǎn)工藝、空?qǐng)霾傻V方法、崩落采礦方法、充填采礦方法等。
我校具有多年充填采礦的理論和技術(shù)研究基礎(chǔ),已經(jīng)出版多本教材和專(zhuān)著,例如《現(xiàn)代充填理論與技術(shù)》[14]《金屬礦膏體充填理論與技術(shù)》[15]等,相關(guān)研究?jī)?nèi)容多次獲得國(guó)家級(jí)和省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng),引領(lǐng)了我國(guó)膏體充填技術(shù)的發(fā)展。
近年來(lái),我校成立了“膏體充填采礦技術(shù)研究中心”,建設(shè)了“工業(yè)級(jí)膏體充填實(shí)驗(yàn)室”,獲批了“基于膏體充填的綠色采礦技術(shù)北京市國(guó)際科技合作基地”,為膏體充填采礦實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了良好的條件。但是,由于膏體充填實(shí)踐教學(xué)具有系統(tǒng)性、復(fù)雜性、不確定性、不可視和高風(fēng)險(xiǎn)性等突出特征,加之實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、物料消耗高、廢物排放大,對(duì)于關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)無(wú)法重復(fù)演示及展示等缺陷,亟需建立“膏體充填虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”教學(xué)項(xiàng)目,對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)手段進(jìn)行補(bǔ)充與完善,幫助學(xué)生全方面深入理解掌握課堂知識(shí)。
本實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目依托虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù),采用校企合作開(kāi)發(fā)模式,實(shí)現(xiàn)以下教學(xué)目標(biāo):建立充填系統(tǒng)感性認(rèn)知、掌握充填關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算方法、掌握充填工藝及指標(biāo)調(diào)控方法、掌握充填管網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)方法。
學(xué)校是項(xiàng)目資源建設(shè)的主導(dǎo),應(yīng)基于學(xué)校特有的計(jì)算機(jī)硬件條件、網(wǎng)絡(luò)條件等對(duì)資源建設(shè)選用的架構(gòu)、開(kāi)發(fā)工具、運(yùn)行環(huán)境、建設(shè)規(guī)模、硬件支持等提出要求。同時(shí),針對(duì)教學(xué)目標(biāo),學(xué)校組織人員進(jìn)行專(zhuān)業(yè)問(wèn)題研究并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、流程等。
一般情況下,學(xué)校擅長(zhǎng)專(zhuān)業(yè)研究,但項(xiàng)目開(kāi)發(fā)能力和經(jīng)驗(yàn)都相對(duì)缺乏,需要委托專(zhuān)門(mén)的軟件開(kāi)發(fā)公司完成項(xiàng)目資源建設(shè)。但是,委托開(kāi)發(fā)絕不意味著學(xué)??梢苑攀植还埽瑢⒔虒W(xué)項(xiàng)目建設(shè)任務(wù)完全交給軟件開(kāi)發(fā)公司完成。
學(xué)校項(xiàng)目建設(shè)負(fù)責(zé)人、課程負(fù)責(zé)人、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)人員、項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程管控人員、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員、系統(tǒng)維護(hù)人員等組成的項(xiàng)目建設(shè)“人才隊(duì)伍”才是項(xiàng)目建設(shè)成敗的關(guān)鍵。
由于本項(xiàng)目的建設(shè)內(nèi)容是相對(duì)“冷門(mén)”的采礦專(zhuān)業(yè),而且是專(zhuān)業(yè)性很強(qiáng)的膏體充填方向,與項(xiàng)目實(shí)施方的溝通就顯得尤為重要。我校在項(xiàng)目資源建設(shè)過(guò)程中形成了大量的技術(shù)文檔和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)腳本,其中對(duì)膏體充填工藝流程的描述如圖2所示。
圖2 膏體充填工藝流程示意圖
軟件開(kāi)發(fā)公司是項(xiàng)目資源建設(shè)的具體實(shí)施者。軟件開(kāi)發(fā)公司根據(jù)學(xué)校的硬件、網(wǎng)絡(luò)條件、建設(shè)需求等設(shè)計(jì)軟件的系統(tǒng)架構(gòu)并進(jìn)行開(kāi)發(fā)工具選型;按照學(xué)校提出的建設(shè)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)想進(jìn)行三維場(chǎng)景搭建、美工編輯工作;基于實(shí)驗(yàn)流程、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求進(jìn)行交互式情景實(shí)現(xiàn)、動(dòng)畫(huà)編程。此外,為了便于項(xiàng)目的推廣應(yīng)用,還要設(shè)計(jì)建設(shè)網(wǎng)站,發(fā)布網(wǎng)頁(yè)版或開(kāi)發(fā)移動(dòng)端;為了便于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的使用和維護(hù),要撰寫(xiě)詳細(xì)的操作手冊(cè)和技術(shù)文檔。
企業(yè)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中,至少需要投入三維模型制作、美工、編程、網(wǎng)絡(luò)、軟件測(cè)試、網(wǎng)站建設(shè)、項(xiàng)目管理等不同工種的技術(shù)和管理人員。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)涉及人員眾多、建設(shè)環(huán)節(jié)復(fù)雜,需要校企間反復(fù)溝通確認(rèn)、定期交流推進(jìn),如條件允許,采用駐場(chǎng)開(kāi)發(fā)的方式效果較好。采用Unity動(dòng)畫(huà)技術(shù)開(kāi)發(fā)的膏體充填工藝流程演示效果如圖3所示,采用Unreal+Maya動(dòng)畫(huà)技術(shù)開(kāi)發(fā)的深錐濃密機(jī)拆裝模型如圖4所示。
圖3 膏體充填工藝流程演示圖
圖4 深錐濃密機(jī)拆裝爆炸圖
本項(xiàng)目針對(duì)校內(nèi)外用戶(hù)的不同需求,開(kāi)發(fā)了線上、線下資源。系統(tǒng)具有開(kāi)放性、擴(kuò)展性、兼容性和前瞻性,并以使用習(xí)慣統(tǒng)計(jì)和使用效果評(píng)價(jià)為核心,對(duì)項(xiàng)目資源進(jìn)行更新和擴(kuò)展。
校內(nèi)以線下資源運(yùn)用為主,將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目?jī)?nèi)容納入相關(guān)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案和教學(xué)體系,線上資源作為教學(xué)輔助、補(bǔ)充。校外以線上資源學(xué)習(xí)為主,可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容需要申請(qǐng)使用虛擬實(shí)驗(yàn)線下資源。教學(xué)資源的管理和維護(hù)由我校專(zhuān)人負(fù)責(zé)。該軟件系統(tǒng)可根據(jù)使用者身份設(shè)置對(duì)應(yīng)權(quán)限,并進(jìn)行分類(lèi)管理。
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的效果關(guān)鍵在于有“用”,對(duì)項(xiàng)目評(píng)價(jià)的目的是更好地促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的應(yīng)用。對(duì)項(xiàng)目各教學(xué)模塊的使用對(duì)象、使用時(shí)間、使用頻次、實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)等進(jìn)行在線統(tǒng)計(jì),同時(shí)收集學(xué)生、教師及其他使用者的意見(jiàn)反饋,系統(tǒng)分析量化評(píng)價(jià)項(xiàng)目的教學(xué)效果,強(qiáng)化優(yōu)秀內(nèi)容、淘汰無(wú)效內(nèi)容,不斷優(yōu)化項(xiàng)目資源構(gòu)成,可持續(xù)改進(jìn)、更新相關(guān)教學(xué)資源,完善項(xiàng)目成果的易用性。
膏體充填虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目以真實(shí)礦山為工程背景,涵蓋膏體充填工藝流程及系統(tǒng)設(shè)備、膏體充填料漿制備、膏體充填料漿輸送、井下膏體充填體力學(xué)性能4個(gè)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn),設(shè)計(jì)了5大功能模塊、70個(gè)交互步驟。本項(xiàng)目突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、空間、人力、材料、安全、環(huán)保等條件限制,探索了適應(yīng)新時(shí)代礦業(yè)人才培養(yǎng)特點(diǎn)的新方式,創(chuàng)建了虛實(shí)結(jié)合、全天候、線上線下一體化學(xué)習(xí)環(huán)境,充分調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)者參與實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性。
膏體充填虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目在我校采礦工程及相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)水平提高、教學(xué)資源優(yōu)化方面發(fā)揮了重要作用,促進(jìn)了教學(xué)方式改革、激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,取得了良好的教學(xué)效果。目前,該項(xiàng)目已成功推廣到昆明理工大學(xué)、武漢科技大學(xué)、華北理工大學(xué)等多所高校,使用效果獲得廣泛認(rèn)可。