采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用研究

李少波 朱傳奇 王磊 胡浩

摘? 要：采礦工程專業(yè)課程是一門專業(yè)性、實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。傳統(tǒng)的采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)模式比較單一，缺乏真實(shí)感和互動(dòng)性，實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)模式需要?jiǎng)?chuàng)新。為了提升教學(xué)水平和效果，基于虛擬仿真技術(shù)，建立采礦工程專業(yè)課程虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，應(yīng)用到采礦工程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中，為采礦工程專業(yè)課程提供實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。通過采用互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行線上實(shí)踐教學(xué)，可以實(shí)現(xiàn)較好的教學(xué)成果，不僅減少了教師、學(xué)生的工作量，降低了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的安全風(fēng)險(xiǎn)，而且還提高了教學(xué)效果和管理水平。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真? 采礦工程? 實(shí)踐教學(xué)? 系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TD80-4;G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2021）07（b）-0109-03

Application Research of Virtual Simulation Experiment Practice Teaching System in Mining Engineering

LI Shaobo*? ZHU Chuanqi? WANG Lei? HU Hao

（State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines， Anhui University of Science and Technology， Huainan， Anhui Province， 232001? China）

Abstract： The course of mining engineering is a professional and practical course. The traditional experimental and practical teaching mode of mining engineering specialty is relatively single， lack of authenticity and interaction， and the experimental and practical teaching mode needs innovation. In order to improve the teaching level and effect， based on virtual simulation technology， a virtual simulation teaching system for Mining Engineering courses is established and applied to the experimental and practical teaching of Mining Engineering， so as to provide a practical teaching platform for Mining Engineering courses. Through the Internet+ virtual simulation technology， online practice teaching can achieve better teaching results， not only reduce the workload of teachers and students， reduce the safety risks of field practice， but also improve the teaching effect and management level.

Key Words： Virtual simulation; Mining engineering; Practice teaching; System

采礦工程專業(yè)本科學(xué)生需要參加專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐實(shí)習(xí)，然而，當(dāng)前采礦工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在學(xué)生興趣低、互動(dòng)性差、耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高、安全性差等問題[1-2]，改進(jìn)教學(xué)模式迫在眉睫。近年來，隨著科技的進(jìn)步，虛擬仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各高校學(xué)科專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中[3-6]，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)。虛擬仿真是可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，虛擬仿真教學(xué)具有沉浸式、可互動(dòng)、高效率、可重復(fù)、無危險(xiǎn)、易共享等優(yōu)點(diǎn)，教師可以利用虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)方法，提高教學(xué)水平和效果。

目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)被越來越多專業(yè)如土木工程、巖石力學(xué)等應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中，采礦工程專業(yè)也在探索虛擬仿真教學(xué)，取得了較好的效果，受到了高校專業(yè)課師生的關(guān)注和廣泛好評(píng)[7-10]。虛擬仿真技術(shù)不僅能很好地幫助高等學(xué)校教師開展實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)，同時(shí)可以推廣應(yīng)用到中小學(xué)教學(xué)課程中，具有高效率、可互動(dòng)、節(jié)約成本、教學(xué)效果顯著的特點(diǎn)。

1? 采礦工程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀與存在問題

1.1 采礦工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

采礦工程是一門系統(tǒng)性、專業(yè)性、復(fù)雜性的工程，采礦工程涉及采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸、支護(hù)、通風(fēng)等環(huán)節(jié)，采礦工程專業(yè)涉及煤礦開采、巷道掘進(jìn)、巷道支護(hù)等專業(yè)，其中需要學(xué)習(xí)的專業(yè)理論課程包括《煤礦開采學(xué)》《井巷工程》等。目前實(shí)驗(yàn)課教學(xué)方式主要是教師先講解課程實(shí)驗(yàn)原理，然后講臺(tái)上示范實(shí)驗(yàn)過程和儀器使用步驟，學(xué)生分組進(jìn)行操作，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生動(dòng)手參與的機(jī)會(huì)很少，互動(dòng)性較差，教學(xué)效果不好。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)部分，學(xué)生需要在指導(dǎo)教師陪同下深入煤礦一線實(shí)地學(xué)習(xí)，目前實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)模式比較單一，主要是由于礦井一線條件比較復(fù)雜，進(jìn)入一線采煤工作面后，基于學(xué)生安全考慮，學(xué)生在現(xiàn)場(chǎng)無法操作設(shè)備，僅僅是參觀，更不能互動(dòng)，學(xué)習(xí)效果較差。

學(xué)習(xí)這門專業(yè)課程不僅僅要掌握理論知識(shí)，更需要培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，尤其是創(chuàng)新能力，但是目前采礦工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模型比較單一，學(xué)生興趣普遍不大，因此，教師在實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)更要?jiǎng)?chuàng)新方法，讓學(xué)生能夠互動(dòng)參與到課程中，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)管理水平和質(zhì)量。

1.2 采礦工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)存在的問題

1.2.1 教學(xué)模式比較單一

實(shí)驗(yàn)室教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生在指導(dǎo)教師講解后按照實(shí)驗(yàn)要求開展實(shí)驗(yàn)，一般采礦工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)是參觀模型，大部分是教師講解，學(xué)生聽課，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)單一，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣無法得到充分的調(diào)動(dòng)。

1.2.2 學(xué)生參與感較低

采礦工程實(shí)驗(yàn)課程的授課模式目前主要以教師為主、學(xué)生為輔，教師在講臺(tái)上講課、示范，學(xué)生被動(dòng)地聽，簡(jiǎn)單地模仿，教學(xué)過程中師生缺少交流、討論，沒有活躍的學(xué)習(xí)氛圍，學(xué)生要參與感較低。

1.2.3 安全風(fēng)險(xiǎn)大

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生要深入煤礦一線實(shí)地學(xué)習(xí)，但由于目前礦井一線條件比較惡劣，基于學(xué)生安全考慮，且學(xué)生未經(jīng)過專業(yè)的培訓(xùn)，面對(duì)井下復(fù)雜的環(huán)境，學(xué)生安全風(fēng)險(xiǎn)較大，因此學(xué)生僅僅能參觀，無法參與，更不能互動(dòng)，學(xué)習(xí)效果較差。

2? 采礦工程專業(yè)課程虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)

2.1 虛擬仿真技術(shù)簡(jiǎn)介

本校虛擬仿真實(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。教師采用交互設(shè)備，模仿真實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)過程，學(xué)生佩戴3D立體眼鏡，通過操作VR手柄，仿佛置身于真實(shí)的操作環(huán)境中。

通過虛擬仿真實(shí)踐操作系統(tǒng)、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，以人機(jī)交互方式進(jìn)入虛擬場(chǎng)景，使學(xué)生親身體驗(yàn)采礦全過程，以及在教師指導(dǎo)下通過動(dòng)作捕捉系統(tǒng)包括3D立體眼鏡、VR手柄操控工作面大型機(jī)械設(shè)備如采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等，互動(dòng)性較好。

2.2 采礦工程虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)

采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)依托高端的硬件設(shè)備環(huán)境，結(jié)合學(xué)校采礦工程專業(yè)課程設(shè)置與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，提供多種不同的教學(xué)環(huán)境，為教學(xué)提供了一個(gè)高分辨率、寬視角的立體顯示環(huán)境，搭配立體擴(kuò)音系統(tǒng)，可以滿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)、虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用平臺(tái)，用于完成各項(xiàng)教學(xué)工作。

根據(jù)采礦工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過LED小間距立體顯示系統(tǒng)、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、虛擬仿真系統(tǒng)平臺(tái)、音響系統(tǒng)、集中式設(shè)備管理系統(tǒng)等建立采礦工程虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，逼真還原礦井工業(yè)廣場(chǎng)、井筒、主要大巷、采煤工作面、大型設(shè)備如采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等。

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)步驟步驟如下。

（1）登錄開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。系統(tǒng)提前分配教師及學(xué)生賬號(hào)，教師賬號(hào)具有管理員特權(quán)，可以實(shí)時(shí)掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況。

（2）選擇進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過輸入賬號(hào)密碼進(jìn)入系統(tǒng)后，選擇進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，目前已開發(fā)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K包括采煤工作面采煤機(jī)操作、掘進(jìn)工作面掘進(jìn)操作、采煤工作面超前支護(hù)等。

（3）選擇不同教學(xué)科目（包含地面廣場(chǎng)及井下采煤工作面、掘進(jìn)工作面等）并使用鼠標(biāo)、鍵盤，以及VR手柄、3D立體眼鏡進(jìn)行操作，學(xué)習(xí)該教學(xué)科目?jī)?nèi)容。

（4）根據(jù)提示要求進(jìn)入情景教學(xué)。采礦工程虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)置了情景教學(xué)，情景包括首次來到礦井實(shí)踐實(shí)習(xí)、首次進(jìn)入采煤工作面等，對(duì)學(xué)生進(jìn)行全方位指導(dǎo)，幫助學(xué)生完成教學(xué)任務(wù)。

3? 采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)建立意義

通過建立采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)，打破了傳統(tǒng)教學(xué)模式，創(chuàng)新了教學(xué)方法，對(duì)采礦工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有積極的意義，主要意義如下。

3.1 拓展實(shí)驗(yàn)實(shí)踐空間和時(shí)間

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺浞掷没ヂ?lián)網(wǎng)和采礦工程數(shù)值虛擬仿真軟件資源，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)的不足，極大地?cái)U(kuò)展了采礦工程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的空間和時(shí)間，這種學(xué)習(xí)模式有著較大的優(yōu)勢(shì)。

3.2 豐富實(shí)踐教學(xué)模式

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)豐富了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了采礦工程實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)的虛實(shí)結(jié)合?，F(xiàn)代虛擬仿真教學(xué)中，可以充分展示礦井工業(yè)廣場(chǎng)、各個(gè)井筒，使學(xué)生足不出戶便能學(xué)習(xí)到煤礦地面及井下各系統(tǒng)的配合及運(yùn)作，增進(jìn)學(xué)生對(duì)煤礦的全面了解。

3.3 提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性

通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生對(duì)采礦工作專業(yè)及日后從事的專業(yè)工作環(huán)境有了深刻、系統(tǒng)的理解，可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，為學(xué)生今后的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4? 結(jié)語

通過本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，將采礦工程專業(yè)課程理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行有機(jī)融合，將采礦工程專業(yè)理論、大型采礦設(shè)備操作和科研探索集成于虛擬仿真互動(dòng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)理論、實(shí)踐和創(chuàng)新的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)、知識(shí)探索和科技探索的互補(bǔ)結(jié)合。本虛擬仿真系統(tǒng)使得采礦工程這門復(fù)雜、系統(tǒng)的學(xué)科能夠直觀、立體地展示在學(xué)生眼前，有利于培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)綜合應(yīng)用能力及分析問題和解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 李永武.采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革與探索[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017，14（6）：230-231.

[2] 王少勇，周勃，孫金海，等.采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索——科研型實(shí)驗(yàn)室向教學(xué)型實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化[J].科教文匯，2018（4）：59-60.

[3] 毛繼澤，曲嘉，夏培秀.SHPB虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的研究與開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（1）：187-190.

[4] 徐文彬，王曉純，李品德.基于虛擬仿真技術(shù)的金屬礦開采仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建[J].金屬礦山，2021（3）：169-175.

[5] 王曉蕾.基于互聯(lián)網(wǎng)的采礦虛擬仿真教學(xué)模式研究[J].呂梁學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，10（2）：78-80.

[6] 侯博程.基于安卓的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2019.

[7] 郭恒寧，賀志啟，劉艷，等.土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，36（3）：143-145.

[8] 姚旭龍，孫光華，張亞賓.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)與探索——以采礦工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室為例[J].教育教學(xué)論壇，2020（52）：385-386.

[9] 趙伏軍，王海橋，葉洲元，等.礦業(yè)工程“一橫一縱”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)與實(shí)踐探索[J].當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2017，9（5）：31-34.

[10] 徐明，劉艷，陸金鈺，等.土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（12）：116-119.