煤礦充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)與教學(xué)改革探索

收稿日期：2024-04-24

作者簡(jiǎn)介：尹博，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院副教授，博士

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)項(xiàng)目“煤礦充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”（XN2021008）；內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)核心課程建設(shè)項(xiàng)目“生態(tài)礦山建設(shè)理論與技術(shù)”（YHX202115）；內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目“煤礦綠色開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)”（2023年）

通訊作者：鄔鑫

摘" " 要：煤礦充填開采是采礦工程專業(yè)課程的重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容。受限于“實(shí)驗(yàn)貴、下井難”等客觀問題，煤礦充填開采實(shí)踐教學(xué)效果難以滿足新工科背景下礦業(yè)類人才培養(yǎng)要求。文章結(jié)合煤礦充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)思路與架構(gòu)特征，從煤礦充填開采實(shí)驗(yàn)原理和知識(shí)結(jié)構(gòu)入手，探討了虛擬仿真技術(shù)如何在煤礦充填開采實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮作用，系統(tǒng)闡述了煤礦充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法與應(yīng)用過程，總結(jié)分析了煤礦充填開采虛擬仿真的教學(xué)特色，展望了其未來發(fā)展?fàn)顩r，以期促進(jìn)煤礦充填開采實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步，為虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于采礦工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；采礦工程；充填開采；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " "文章編號(hào)：1002-4107（2024）09-0075-05

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，煤炭產(chǎn)量隨之快速提高，但煤炭資源高強(qiáng)度開采的背后存在煤基固廢大規(guī)模排放、環(huán)境容量超標(biāo)、生態(tài)與水資源破壞和因采煤引起的地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)等一系列問題。煤礦充填開采技術(shù)作為解決煤基固體廢棄物大規(guī)模處理及因煤炭開采導(dǎo)致的地表沉陷、地質(zhì)災(zāi)害、生態(tài)破壞等問題的重要手段，是煤炭資源安全、高效、綠色開采的重要組成部分[1]。對(duì)于高校而言，煤礦充填開采是采礦工程專業(yè)核心知識(shí)內(nèi)容，充填開采因具有知識(shí)點(diǎn)多、實(shí)踐性強(qiáng)、涉及學(xué)科領(lǐng)域廣等特點(diǎn)，導(dǎo)致僅依靠理論、圖片、視頻等授課方式無法滿足新工科背景下學(xué)生實(shí)踐教學(xué)的要求，亟須強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)手段，加深學(xué)生對(duì)充填開采知識(shí)的理解與掌握[2]。現(xiàn)有教學(xué)條件下，多數(shù)礦業(yè)類高校充填開采實(shí)踐教學(xué)面臨“實(shí)驗(yàn)貴、下井難”的現(xiàn)實(shí)困難，一方面，高校無力實(shí)現(xiàn)設(shè)備多、系統(tǒng)性強(qiáng)、復(fù)雜性高、成本高昂的充填開采實(shí)驗(yàn)；另一方面，煤礦危險(xiǎn)性大、安全生產(chǎn)責(zé)任重大，在校學(xué)生很難到煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)效果極不理想。

近十年來，虛擬仿真技術(shù)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合發(fā)展模式逐漸成為落實(shí)高等教育數(shù)字化戰(zhàn)略與新時(shí)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的重要舉措[3-4]。目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已在國(guó)內(nèi)高校多個(gè)學(xué)科得到成功應(yīng)用，在很大程度上助推了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，對(duì)于培養(yǎng)高質(zhì)量人才起到了重要的作用。隨著虛擬仿真技術(shù)的普及，將其應(yīng)用于煤礦等高危行業(yè)及其專業(yè)教學(xué)也得到廣泛重視，現(xiàn)已在煤礦綜采裝備、采煤工藝和災(zāi)害防治等實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開展了探索和應(yīng)用[5-7]，并取得了較滿意的教學(xué)效果。為解決煤礦充填開采實(shí)踐教學(xué)面臨的難題，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)煤礦綠色開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)基于“兩性一度”的課程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，采用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)和現(xiàn)代信息化教學(xué)理念，依靠高逼真度的三維虛擬技術(shù)，還原煤礦井下充填開采工作場(chǎng)所的真實(shí)環(huán)境，構(gòu)建了煤礦充填開采虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本文結(jié)合煤礦充填開采虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)，從實(shí)驗(yàn)原理和知識(shí)結(jié)構(gòu)入手，探討虛擬仿真技術(shù)如何在充填開采實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮作用，分析通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力和素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，以期促進(jìn)充填開采實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步，為虛擬仿真技術(shù)在采礦工程專業(yè)的應(yīng)用提供參考。

一、實(shí)驗(yàn)原理與知識(shí)結(jié)構(gòu)

（一）實(shí)驗(yàn)原理

煤礦充填開采是指將煤矸石破碎后與粉煤灰、水泥和水混合，按照預(yù)制配比攪拌制漿所形成的（似）膏體充填材料，通過管道泵送至井下采空區(qū)進(jìn)行充填采煤，充填后的采空區(qū)可有效控制采礦引起的上覆巖層移動(dòng)破壞，進(jìn)而可減緩地表沉陷程度、減小水資源流失量、降低植被破壞規(guī)模和大規(guī)模消納煤基固廢。煤礦充填開采系統(tǒng)主要由矸石破碎系統(tǒng)、充填料漿配比攪拌系統(tǒng)、漿體泵送系統(tǒng)、管道輸送系統(tǒng)和井下充填系統(tǒng)等5個(gè)子系統(tǒng)組成。充填工藝復(fù)雜，牽涉設(shè)備多且運(yùn)行過程不可視，各子系統(tǒng)銜接配合過程煩瑣，若僅通過枯燥無味的傳統(tǒng)理論方式講授，學(xué)生將難以理解，進(jìn)而不愿學(xué)，其教學(xué)效果也難以保障。在此背景下，2021年內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)組建煤礦綠色開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行了煤礦充填開采計(jì)算機(jī)虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索，經(jīng)過近兩年的課程建設(shè)，初步建成了煤礦充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

（二）知識(shí)結(jié)構(gòu)

基于知識(shí)、能力、素質(zhì)的有機(jī)融合原則，煤礦充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共計(jì)6學(xué)時(shí)，由1門實(shí)驗(yàn)課程支撐2門專業(yè)課程的2個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，即煤礦充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)服務(wù)于采礦工程專業(yè)本科四年級(jí)“煤礦

綠色開采”課程實(shí)驗(yàn)中的煤礦充填開采實(shí)驗(yàn)（4學(xué)時(shí)）和“礦山壓力與巖層控制”課程實(shí)驗(yàn)中的充填開采控制覆巖移動(dòng)實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）。煤礦充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)緊密圍繞理論教學(xué)內(nèi)容，形成了“F-3T”知識(shí)結(jié)構(gòu)圖譜（如圖1所示），即5個(gè)知識(shí)模塊（Five）、10個(gè)知識(shí)點(diǎn)（Ten）、3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目卡（Three）、2門專業(yè)理論課程（Two）。

二、課程中的應(yīng)用

（一）煤礦充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

煤礦充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過構(gòu)建高精度的煤礦充填生產(chǎn)三維虛擬仿真漫游場(chǎng)景，真實(shí)還原煤礦充填開采的地面充填站和井下充采工作面生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，立體再現(xiàn)煤礦充填生產(chǎn)全過程。在“不下井”的條件下，學(xué)生可在PC端、VR端共享三維虛擬實(shí)驗(yàn)資源體驗(yàn)，學(xué)習(xí)井上下充填生產(chǎn)作業(yè)過程，引導(dǎo)學(xué)生通過細(xì)膩的現(xiàn)場(chǎng)沉浸感加深對(duì)井下采煤工作面真實(shí)作業(yè)環(huán)境的熟悉度，幫助學(xué)生建立充填系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，促使學(xué)生建立起對(duì)充填生產(chǎn)環(huán)境、工藝流程、關(guān)鍵步驟及主體設(shè)備的全局認(rèn)識(shí)。此外，學(xué)生通過交互式操作可開展充填系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備認(rèn)知、充填材料制備及充填體力學(xué)性能、充填材料井上下輸送、充填技術(shù)工藝流程、充填開采控制地表沉陷機(jī)理等知識(shí)模塊的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通過多層次、多結(jié)構(gòu)、多角度體系化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，充分利用虛擬仿真教學(xué)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，讓學(xué)生身處煤礦虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)的井下工作，幫助學(xué)生系統(tǒng)全面地掌握充填采煤的技術(shù)知識(shí)，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的不足，更好地培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級(jí)思維，以此打造適應(yīng)新時(shí)代礦業(yè)人才特點(diǎn)的新培養(yǎng)方式，探索傳統(tǒng)行業(yè)教學(xué)方式改革的新途徑。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

采用沉浸式、交互式、自主式和反思式相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，以此培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，拓展學(xué)生動(dòng)手能力。如表1所示。學(xué)生若想順利通過實(shí)驗(yàn)考核必須進(jìn)行前期課下的預(yù)習(xí)、計(jì)算等自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，否則在實(shí)驗(yàn)交互式操作過程中會(huì)出現(xiàn)由于不當(dāng)操作引發(fā)一系列扣分，如充填材料配比不合理導(dǎo)致充填體力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)，進(jìn)而導(dǎo)致控制地表沉陷效果不理想；充填開采工序顛倒，造成充填輸送管路發(fā)生堵管事故；充填開采移架發(fā)生操作失誤，引發(fā)人員傷亡的生產(chǎn)事故。同時(shí)，融入理論課程中的原理、方法和技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用相關(guān)知識(shí)構(gòu)建綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。通過理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的綜合訓(xùn)練，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對(duì)采煤方法及礦壓控制等理論知識(shí)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)的理解，提高學(xué)生未來在煤礦現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)組織、管理的綜合能力。以此培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的工程問題發(fā)現(xiàn)意識(shí)。

與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)引入課程思政元素，如國(guó)家對(duì)能源的戰(zhàn)略需求、內(nèi)蒙古自治區(qū)能源產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)和未來發(fā)展趨勢(shì)及現(xiàn)代化煤礦現(xiàn)實(shí)面貌及作業(yè)環(huán)境等內(nèi)容，一方面培養(yǎng)學(xué)生從事煤礦高危行業(yè)“安全為天”的責(zé)任意識(shí)，另一方面以“大國(guó)工匠精神”和“國(guó)家工程師獎(jiǎng)”為思政宣傳榜樣，融合最新充填科技研究成果，引導(dǎo)學(xué)生樹立“學(xué)一行、干一行、愛一行”的愛崗敬業(yè)精神與礦業(yè)工匠精神，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)礦業(yè)行業(yè)的專業(yè)認(rèn)同感及自豪感。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

結(jié)合課程教學(xué)要求和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)所實(shí)現(xiàn)的功能，煤礦充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)環(huán)節(jié)，包括預(yù)習(xí)、理論測(cè)試、虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)，共計(jì)17個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟，其中交互性操作步驟14個(gè)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用線下線上混合的方式進(jìn)行，線下主要由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行VR仿真實(shí)驗(yàn)和集中實(shí)驗(yàn)，熟悉整套仿真系統(tǒng)的使用方法及實(shí)驗(yàn)步驟；線上學(xué)生可進(jìn)行預(yù)習(xí)、理論測(cè)試和虛擬實(shí)驗(yàn)。除此之外，專業(yè)教師還可進(jìn)行集中教學(xué)管理、資源管理、考核管理和報(bào)告審核存儲(chǔ)等，實(shí)現(xiàn)無紙化考核。

1.預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)

按教學(xué)要求，學(xué)生先開始線下預(yù)習(xí)，自主學(xué)習(xí)煤礦充填開采相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)入預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)意味著學(xué)生已完成知識(shí)點(diǎn)預(yù)習(xí)，利用不少于5分鐘時(shí)間觀看虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)引導(dǎo)視頻，學(xué)習(xí)系統(tǒng)操作要點(diǎn)和相關(guān)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。完成上述預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)方能進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。

2.理論測(cè)試環(huán)節(jié)

學(xué)生完成預(yù)習(xí)后進(jìn)行煤礦充填開采方法、工藝技術(shù)、充填系統(tǒng)組成、充填關(guān)鍵設(shè)備構(gòu)成及功能特點(diǎn)、充填開采控制地表沉陷原理等相關(guān)理論知識(shí)的測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容為預(yù)習(xí)部分的知識(shí)點(diǎn)，以客觀題試題庫形式隨機(jī)抽取測(cè)試題。理論測(cè)試通過者進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，不通過者重新進(jìn)入預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)進(jìn)行二次學(xué)習(xí)，三次理論測(cè)試不通過者，視為本次學(xué)習(xí)成績(jī)不及格。此步驟設(shè)置目的是讓學(xué)生更好地掌握煤礦充填開采關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)也為下一步開展實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)奠定必要的知識(shí)儲(chǔ)備。

3.虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

理論測(cè)試通過后，進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)為充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的核心部分，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分步進(jìn)行充填系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備認(rèn)知、充填材料制備及充填體力學(xué)性能、充填料漿井上下輸送、充填技術(shù)工藝流程和充填開采控制地表沉陷機(jī)理等知識(shí)模塊的學(xué)習(xí)。

（1）充填系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備認(rèn)知。充填系統(tǒng)和設(shè)備認(rèn)知模塊的建設(shè)目的是促進(jìn)學(xué)生在初始學(xué)習(xí)階段能夠快速熟悉整個(gè)充填開采系統(tǒng)的構(gòu)成，便于后續(xù)實(shí)驗(yàn)的開展。當(dāng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，界面即刻顯示高逼真的充填地面站場(chǎng)景，該場(chǎng)景取景于國(guó)內(nèi)真實(shí)礦井充填站環(huán)境，可在VR端通過操控手柄在充填站內(nèi)進(jìn)行漫游參觀。充填站內(nèi)按功能劃分有矸石破碎區(qū)、充填原材料儲(chǔ)存區(qū)、充填材料制備攪拌區(qū)和料漿泵送區(qū)等區(qū)域，學(xué)生可根據(jù)箭頭提示分別找到學(xué)習(xí)任務(wù)對(duì)應(yīng)的相關(guān)地點(diǎn)及設(shè)備，并在相應(yīng)區(qū)域完成設(shè)備名稱輸入，隨即分別彈出各個(gè)設(shè)備的工作原理演示，再將各個(gè)零散的設(shè)備分別拼裝成矸石破碎系統(tǒng)、配比攪拌系統(tǒng)及管道輸送系統(tǒng)，獲得該步驟設(shè)定的實(shí)驗(yàn)分值。通過沉浸式和交互式學(xué)習(xí)可提高學(xué)生對(duì)煤礦充填開采系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備組成及設(shè)備功能和工作原理的直觀認(rèn)識(shí)，增加充填生產(chǎn)系統(tǒng)的理解深度。（2）充填材料制備及充填體力學(xué)性能。充填材料制備及充填體力學(xué)性能是“煤礦綠色開采”課程實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室觀摩與實(shí)操完成粉煤灰、煤矸石和水泥等充填原材料配比、制備，充填料漿坍落度、泌水率、凝結(jié)時(shí)間、流變性能和力學(xué)性能等實(shí)驗(yàn)測(cè)試后，進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)場(chǎng)景，按照實(shí)驗(yàn)方法通過PC端重新操作充填材料制備及充填體力學(xué)性能測(cè)試，并得到充填材料合理配比和性能參數(shù)。再將此參數(shù)輸入至虛擬的煤礦充填工業(yè)控制系統(tǒng)界面，通過煤炭開采日進(jìn)度表換算出充填料漿制備體量參數(shù)，完成“預(yù)設(shè)充填條件”任務(wù)下達(dá)，獲得此步驟的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)分值。以上交互式學(xué)習(xí)可有效提高學(xué)生對(duì)充填材料制備過程和膏體材料性能參數(shù)測(cè)試方法的理解程度。（3）充填料漿井上下輸送。本環(huán)節(jié)主要考查學(xué)生對(duì)充填料漿輸送方式及其流動(dòng)特性與流體力學(xué)等核心知識(shí)點(diǎn)的掌握。進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，界面切換至充填料漿攪拌與泵送車間場(chǎng)景，首先了解稱料器、螺旋輸送機(jī)、攪拌機(jī)和充填工業(yè)泵等設(shè)備功能與使用方法，然后運(yùn)用鼠標(biāo)和鍵盤手動(dòng)完成充填原材料計(jì)量、稱重、投送、攪拌和泵送等流程，最后以視頻和動(dòng)畫形式演示充填料漿泵送進(jìn)入充填管路，并以半透視狀態(tài)顯示充填料漿從地面輸送至井下的全過程。除此之外，本環(huán)節(jié)還預(yù)設(shè)了反思教學(xué)方法模塊，當(dāng)錯(cuò)誤點(diǎn)擊充填作業(yè)工序或未按“預(yù)設(shè)充填條件”進(jìn)行充填作業(yè)，系統(tǒng)界面會(huì)彈出充填系統(tǒng)能力過載或充填輸送管路發(fā)生堵管事故等警示消息，并發(fā)出聲光報(bào)警，提示由于不當(dāng)操作已對(duì)充填工作造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損傷，違規(guī)者將面臨處罰。由此，通過交互式和反思式學(xué)習(xí)，讓學(xué)生切身體會(huì)關(guān)于充填原理、方法和技術(shù)的學(xué)習(xí)對(duì)于指導(dǎo)和實(shí)踐充填開采現(xiàn)場(chǎng)工作的重要性。（4）充填技術(shù)工藝流程。當(dāng)進(jìn)入本環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面將從地面轉(zhuǎn)入地下學(xué)習(xí)場(chǎng)景，以第一視角沿著井下充填輸送管道漫游并觀看巷道、工作面井下場(chǎng)所及采煤機(jī)、充填液壓支架等采煤設(shè)備。學(xué)生按照已學(xué)的采煤學(xué)知識(shí)先進(jìn)行采煤作業(yè)虛擬操作訓(xùn)練，而后進(jìn)行充填作業(yè)虛擬操作訓(xùn)練。當(dāng)進(jìn)行充填作業(yè)虛擬操作訓(xùn)練時(shí)，依照充填作業(yè)流程依次點(diǎn)擊“檢查準(zhǔn)備”“管道充水”“灰漿推水”“正常（輪流）充填”“清水洗管”“停止充填并養(yǎng)護(hù)”等工序按鍵，此時(shí)系統(tǒng)界面會(huì)分別呈現(xiàn)各充填程序啟動(dòng)、運(yùn)行畫面，并可直觀看到充填料漿沿著輸送管路注入至工作面后方的采空區(qū)和采空區(qū)被注滿充實(shí)的動(dòng)畫效果，由此完成“煤礦綠色開采”課程中關(guān)于充填開采的虛擬實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程環(huán)環(huán)相扣，以交互式學(xué)習(xí)為特色的教學(xué)方法，有效彌補(bǔ)了理論教學(xué)中生硬死板的文字表述短板，促進(jìn)了學(xué)生掌握充填采煤作業(yè)工序要點(diǎn)和對(duì)充填開采方法的熟悉程度。（5）充填開采控制地表沉陷機(jī)理。為了更好地闡明充填開采對(duì)于巖層移動(dòng)變形的控制機(jī)理，設(shè)置了充填開采控制地表沉陷機(jī)理的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，系統(tǒng)界面通過動(dòng)畫方式對(duì)比展示分別采用全部垮落法和充填法處理采空區(qū)時(shí)，上覆巖層的垮落、移動(dòng)特點(diǎn)和地表的變形程度，形象地呈現(xiàn)出充填開采對(duì)控制地表沉陷的作用效果，將原有看不見、難理解的覆巖移動(dòng)變形變?yōu)橹庇^可見，更形象地揭示了煤礦充填開采控制覆巖移動(dòng)及減緩地表沉陷機(jī)理，進(jìn)而有效解決了學(xué)生對(duì)于“礦山壓力與巖層控制”課程中難點(diǎn)知識(shí)難理解的問題。另外，通過充填開采控制地表沉陷機(jī)理的學(xué)習(xí)可進(jìn)一步解釋充填開采對(duì)地表構(gòu)筑物、潛水資源和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)作用，由此加深學(xué)生體會(huì)國(guó)家大力推行煤炭綠色開采的重要意義。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)考核完成后自動(dòng)計(jì)算并保存上述實(shí)驗(yàn)步驟的得分，得到實(shí)驗(yàn)成績(jī)。除此之外，學(xué)生線下還需結(jié)合實(shí)驗(yàn)的四個(gè)部分內(nèi)容撰寫“煤礦充填開采實(shí)驗(yàn)報(bào)

告”，進(jìn)一步鞏固學(xué)習(xí)效果。學(xué)生將實(shí)驗(yàn)報(bào)告通過“實(shí)驗(yàn)結(jié)果”中的報(bào)告上傳、提交后，教師可在線進(jìn)行評(píng)閱打分，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)。煤礦充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)總成績(jī)?cè)u(píng)定方法按照“知識(shí)”“能力”和

“素養(yǎng)”三方面進(jìn)行考核，實(shí)驗(yàn)總成績(jī)=知識(shí)得分×60%+能力得分×20%+素養(yǎng)得分×20%，具體評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見表2。教師將上述得分輸入評(píng)分系統(tǒng)各項(xiàng)目中，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后臺(tái)自動(dòng)將每個(gè)學(xué)生的“知識(shí)”“能力”和“素養(yǎng)”分?jǐn)?shù)相加，得到總成績(jī)，總分根據(jù)：≥90、90～80、80～70、70～60、≤60五個(gè)分?jǐn)?shù)段將成績(jī)結(jié)果分別輸出為優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格。教師點(diǎn)擊總成績(jī)輸出，系統(tǒng)將根據(jù)實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定輸出模板自動(dòng)生成每個(gè)學(xué)生的多項(xiàng)成績(jī)單，成績(jī)單中包括“知識(shí)”“能力”和“素養(yǎng)”具體得分情況，教師點(diǎn)擊打印成績(jī)單即可留存教學(xué)材料，可實(shí)現(xiàn)無紙化教學(xué)資料整理。

三、教學(xué)總結(jié)與展望

（一）總結(jié)

煤礦充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和建設(shè)完全依照采礦工程本科實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)制定而成，仿真系統(tǒng)的開發(fā)目的是搭建完善的煤礦充填開采實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)高水平人才培養(yǎng)的目標(biāo)。在設(shè)計(jì)、建設(shè)和教學(xué)全生命階段遵循“121”教學(xué)理念，即1個(gè)核心點(diǎn)（學(xué)生發(fā)展為核心）、2條互動(dòng)線（人機(jī)互動(dòng)線、師生互動(dòng)線）、1個(gè)實(shí)—虛—實(shí)教學(xué)結(jié)合面（理論學(xué)習(xí)—虛擬仿

真—實(shí)習(xí)實(shí)踐），如圖2所示。煤礦充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以學(xué)生為中心，充分還原煤礦井下充填開采工作面真實(shí)環(huán)境，教學(xué)內(nèi)容與礦井現(xiàn)場(chǎng)充填作業(yè)流程一致，具備“抽象對(duì)象形象化、復(fù)雜問題簡(jiǎn)約化、分散內(nèi)容系統(tǒng)化、教學(xué)演考一體化”的教學(xué)內(nèi)容特色。教學(xué)過程中，教師通過提問、質(zhì)疑等方式激發(fā)學(xué)生對(duì)充填開采進(jìn)行充分想象。通過師生互動(dòng)，發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，引導(dǎo)學(xué)生提高解決實(shí)際問題的綜合能力。實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)置相應(yīng)充填開采的任務(wù)，提出對(duì)應(yīng)的問題，引導(dǎo)學(xué)生積極思考并解答問題。通過反復(fù)的人機(jī)互動(dòng)，充分發(fā)揮學(xué)生的積極主動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的獲取興趣和能力，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析問題與解決問題的能力。通過理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真、實(shí)習(xí)實(shí)踐相結(jié)合的實(shí)—虛—實(shí)教學(xué)途徑，促使學(xué)生對(duì)充填開采學(xué)習(xí)的技能螺旋式上升，不斷加深學(xué)生對(duì)于煤礦充填系統(tǒng)、關(guān)鍵設(shè)備、主要工藝流程、基礎(chǔ)理論及相關(guān)技術(shù)的認(rèn)識(shí)與理解、記憶與掌握。

（二）展望

煤礦充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)并不是一蹴而就的，其開發(fā)歷程也經(jīng)歷了一波三折。總結(jié)來看，開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā)運(yùn)行。其中，支撐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行的平臺(tái)及運(yùn)行架構(gòu)共分為五層，從下至上分別為數(shù)據(jù)層、支撐層、通用服務(wù)層、仿真層和應(yīng)用層，每一層都為上一層提供服務(wù)，直到完成具體虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建。由此不難看出，能夠保障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)順利運(yùn)行的關(guān)鍵還是在最底層的數(shù)據(jù)層建設(shè)功底，煤礦充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涉及多種類型虛擬實(shí)驗(yàn)組件及數(shù)據(jù)，分別設(shè)置虛擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)元件庫、實(shí)驗(yàn)課程庫、典型實(shí)驗(yàn)庫、標(biāo)準(zhǔn)答案庫、規(guī)則庫、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、用戶信息等來實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的存放和管理，這些數(shù)據(jù)庫的建設(shè)過程花費(fèi)了大量的人力和財(cái)力。在虛擬仿真技術(shù)不斷發(fā)展和虛擬仿真教學(xué)水平不斷提升的背景下，技術(shù)更迭重要，硬件換代也很重要，但最重要的還是數(shù)據(jù)庫持續(xù)建設(shè)，其過程仍是一個(gè)長(zhǎng)期且煩瑣的工作，需要不斷積累、持續(xù)更新和長(zhǎng)期維護(hù)。

除此之外，在目前教學(xué)效果的基礎(chǔ)上，未來虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展重點(diǎn)是關(guān)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程持續(xù)建設(shè)的服務(wù)計(jì)劃，煤礦充填開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程后續(xù)優(yōu)化建設(shè)中嚴(yán)格遵循“兩性一度”的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，尤其是在課程內(nèi)容的前沿性、教學(xué)過程的探究性和“跳一跳才能夠得著”的學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)度上加碼發(fā)力，未來持續(xù)建設(shè)的規(guī)劃主要有：（1）增設(shè)移動(dòng)端實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生通過手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備可全天候?qū)嶒?yàn)學(xué)習(xí)；（2）優(yōu)化系統(tǒng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)效果，完善實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)架構(gòu)；（3）加大與煤礦企業(yè)交流力度，重點(diǎn)推廣煤礦企業(yè)技術(shù)人員培訓(xùn)與繼續(xù)教育功能，與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)共建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，加大定制性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)力度，增強(qiáng)優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)資源共享。

四、結(jié)語

煤礦充填開采虛擬教學(xué)的探索與應(yīng)用一直立足于新工科背景下的礦業(yè)類人才培養(yǎng)要求，對(duì)于實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力、素養(yǎng)的有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級(jí)思維具有重要意義。雖然僅僅依靠虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)并不能完全替代真實(shí)的煤礦充填開采實(shí)踐訓(xùn)練，但其對(duì)于煤礦充填開采教學(xué)是重要補(bǔ)充手段。未來，煤礦充填開采虛擬教學(xué)將在助力礦業(yè)學(xué)科雙一流發(fā)展，推動(dòng)科研與實(shí)驗(yàn)教學(xué)齊頭并進(jìn)，向工程化、科學(xué)化、系統(tǒng)化的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)發(fā)展方向上不斷完善和持續(xù)精進(jìn)，為最終實(shí)現(xiàn)提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量和提升煤礦專業(yè)技術(shù)人員充填開采水平更好地服務(wù)。

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