采礦體系化全方位虛擬仿真教學(xué)方法和虛擬實習(xí)基地研究與實踐

侯運炳 楊大鵬 張勇 孫振明

摘要為推進采礦工程專業(yè)教學(xué)內(nèi)容、方法、技術(shù)、手段及實踐教學(xué)模式的改革，建成地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦虛擬礦山實習(xí)基地。體系化全方位建設(shè)大型復(fù)雜、高度仿真的三維可視化沉浸感知和交互操作的采礦虛擬仿真教學(xué)項目。同時研發(fā)線上采礦虛擬仿真實驗項目，形成線上、線下虛擬仿真教學(xué)相結(jié)合的完整教學(xué)體系，在教學(xué)中廣泛應(yīng)用，解決了礦山實習(xí)難、實習(xí)及教學(xué)實驗效果不佳的教學(xué)難題，改變了傳統(tǒng)的礦山實習(xí)模式和采礦工程實踐教學(xué)方法，提高了教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力提供了有力保障。

關(guān)鍵詞 采礦工程 虛擬仿真教學(xué) 虛擬實習(xí)基地 地下煤礦 露天煤礦

中圖分類號：G642文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.19.013

Study and Practice of the Systematic and All-round Virtual Reality Teaching Method for Mining Engineering

HOU Yunbing， YANG Dapeng， ZHANG Yong， SUN Zhenming

（SchoolofEnergyandMiningEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology（Beijing），Beijing100083）

AbstractTo promote the reforming on the teaching contents， methods， technologies， measures and experimental teaching modes for mining engineering，F(xiàn)urthermore， the virtual mine site fieldwork bases regarding underground coal mines， undergroundmetalminesandopen-pitcoalmines，wereestablished.Large-scaleandhighlyvividminingvirtualrealityteaching project that has three-dimensional visualization immersing perception and mutual operation， were systematically established. Meantime，theonlineexperimentalprojectregardingthevirtualrealityofminingwasdeveloped.Therefore，thecomprehensive teachingsystemwiththeonlineandofflinevirtualrealityteachingcombined，wasformed.Itwaswidelyappliedintheteaching andsolvedtheteachingissuesincludingthedifficultminesitepractice，poorpracticeeffectandpoorexperimenteffect.Italtered thetraditionalminesitepracticemodeandtheteachingmethodforminingengineering.Theteachingqualitywasimproved.Last， itprovided powerfulguaranteeforcultivatingtheinnovation andpracticeabilitiesofstudents.

Keywordsmining engineering； virtual reality teaching； virtual mine site fieldwork bases； underground coal mines； open-pit coal mines

采礦工程專業(yè)教學(xué)培養(yǎng)具有專業(yè)綜合性強、礦井（山）生產(chǎn)特色顯著和實踐性要求高的特點，礦山認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)及課堂實踐教學(xué)、實驗室實驗、大學(xué)生創(chuàng)新實踐是重要的實踐教學(xué)培養(yǎng)環(huán)節(jié)，礦山智能化開采對采礦工程專業(yè)教學(xué)實踐提出了更高要求。由于實驗室無法還原需要大型昂貴設(shè)備配套作業(yè)的礦井（山）生產(chǎn)工藝系統(tǒng)和生產(chǎn)環(huán)境，現(xiàn)代化礦井（山）因為受危險環(huán)境、繁忙生產(chǎn)以及生產(chǎn)系統(tǒng)大多布置在井下復(fù)雜環(huán)境等因素影響無法提供充分的實驗、實踐條件，長期以來一直存在礦山實習(xí)難、礦山實習(xí)及教學(xué)實驗效果不佳的教學(xué)難題。

深化人才培養(yǎng)過程中的教學(xué)改革、加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是國家實施“素質(zhì)教育”和高等教育“質(zhì)量工程”、全面提高教育質(zhì)量的重要內(nèi)容。國家極為重視虛擬仿真等信息技術(shù)在實踐教學(xué)中的改革作用，2013年，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作，2017年，教育部啟動了國家級示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作，有力促進了實踐教學(xué)水平的提高。[1]

為進行采礦工程專業(yè)教學(xué)內(nèi)容、方法、技術(shù)、手段及實驗實踐教學(xué)模式的改革，根據(jù)專業(yè)教學(xué)特點和存在的問題，深化信息仿真技術(shù)與采礦工程教育教學(xué)深度融合，推進采礦工程專業(yè)體系化全方位虛擬仿真教學(xué)方法改革與創(chuàng)新，對于加強學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)、提升辦學(xué)水平和教育質(zhì)量具有極其重要的作用。[2]

1采礦工程專業(yè)體系化全方位虛擬仿真教學(xué)方法

采礦工程專業(yè)體系化全方位虛擬仿真教學(xué)方法涵蓋以下5個方面內(nèi)容。

（1）建設(shè)地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦三維虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，全方位覆蓋地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦三種采礦專業(yè)的虛擬仿真教學(xué)。

（2）建設(shè)以沉浸式立體顯示和實時交互為主要功能的高水平虛擬仿真硬件實驗室。采用先進的虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，建設(shè)虛擬仿真硬件平臺，為采礦三維虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)提供虛擬仿真實驗環(huán)境和交互功能能的硬件支持。和采礦虛擬仿真教學(xué)軟件系統(tǒng)相配套，建成以沉浸式立體顯示和實時交互為主要功能的采礦虛擬仿真數(shù)字媒體教學(xué)實驗平臺。[3]

（3）建設(shè)地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦虛擬礦山實習(xí)基地。礦山認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)是采礦工程專業(yè)極其重要的實踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)。但現(xiàn)代化礦井（山）由于安全、生產(chǎn)繁忙等原因難以提供充分的實踐條件，且由于復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)大都布置在井下，短時間內(nèi)也無法系統(tǒng)學(xué)習(xí)和認(rèn)識，學(xué)生實習(xí)成本也很高，這些客觀因素給現(xiàn)場實踐教學(xué)造成很大困難。發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)優(yōu)勢，解決教學(xué)中的關(guān)鍵難題是主要的攻關(guān)目標(biāo)。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)要既能滿足各門課程及各項實驗、知識點學(xué)習(xí)的要求，同時能滿足學(xué)生認(rèn)識實習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)對礦山開采整體結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝學(xué)習(xí)實踐的要求，把地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦三維虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，建設(shè)成三個礦井（山）虛擬實習(xí)基地。

（4）建立系統(tǒng)的模塊化三維虛擬仿真教學(xué)項目體系。根據(jù)培養(yǎng)方案和課堂教學(xué)對虛擬仿真教學(xué)的要求，按照礦山地質(zhì)、地面系統(tǒng)、開拓方式、準(zhǔn)備方式、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，采掘生產(chǎn)系統(tǒng)、災(zāi)害事故、安全環(huán)保、設(shè)備設(shè)施等礦山系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進一步劃分采礦虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)項目單元模塊。

學(xué)習(xí)單元有明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，嚴(yán)格遵守礦山安全規(guī)程，實習(xí)內(nèi)容要系統(tǒng)完整并和課堂教學(xué)內(nèi)容有機聯(lián)系，有重點詳細(xì)的作業(yè)環(huán)境、工藝流程、實習(xí)環(huán)節(jié)和知識點的三維逼真仿真展示過程，學(xué)習(xí)結(jié)束對學(xué)生掌握程度進行試題考核。

根據(jù)教學(xué)需要，一些重要的學(xué)習(xí)單元如綜掘工藝、錨網(wǎng)支護工藝、綜采工藝、綜放工藝、采煤設(shè)備、礦井安全等學(xué)習(xí)單元，建設(shè)大型復(fù)雜逼真的交互式操作訓(xùn)練虛擬仿真模型，滿足學(xué)生對工藝技術(shù)、設(shè)備操作訓(xùn)練的要求。

（5）建立PC端網(wǎng)絡(luò)訪問和虛擬仿真實驗室學(xué)習(xí)相結(jié)合的教學(xué)模式。研發(fā)線上采礦虛擬仿真教學(xué)項目，建立PC端網(wǎng)絡(luò)訪問和虛擬仿真實驗室學(xué)習(xí)相結(jié)合的教學(xué)模式，方便校內(nèi)外學(xué)生自主學(xué)習(xí)，方便不同專業(yè)教師授課應(yīng)用，擴大受眾面。

2地下煤礦三維虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)和虛擬實習(xí)基地

以實際現(xiàn)代化地下煤礦為原型，根據(jù)礦井地質(zhì)、地面工業(yè)、開拓、采準(zhǔn)、輔助生產(chǎn)、采掘生產(chǎn)、設(shè)備設(shè)施、災(zāi)害事故、安全環(huán)境等系統(tǒng)構(gòu)成和教學(xué)要求，劃分學(xué)習(xí)單元，建立虛擬仿真實驗教學(xué)模型，建成地下煤礦三維虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)和虛擬實習(xí)基地，系統(tǒng)實現(xiàn)的三維仿真教學(xué)功能。學(xué)生可以通過知識點展示、真實環(huán)境沉浸感知、交互操作訓(xùn)練，掌握地下煤礦開采相關(guān)學(xué)習(xí)實踐內(nèi)容。[4]

3地下金屬礦三維虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)和虛擬實習(xí)基地

以實際地下金屬礦為原型，根據(jù)礦山地質(zhì)、礦山開采方式、輔助生產(chǎn)、采掘生產(chǎn)、災(zāi)害事故、安全環(huán)境等系統(tǒng)構(gòu)成和教學(xué)要求，劃分學(xué)習(xí)單元，建立虛擬仿真實驗教學(xué)模型，建成地下金屬礦礦三維虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)的三維仿真教學(xué)功能見圖1。

4露天煤礦三維虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)和虛擬實習(xí)基地

以實際露天煤礦為原型，根據(jù)礦田井地質(zhì)、地面總圖、生產(chǎn)裝備、生產(chǎn)工藝、開采工藝、邊坡監(jiān)測、安全環(huán)保、排土場生態(tài)等系統(tǒng)構(gòu)成和教學(xué)要求，劃分學(xué)習(xí)單元，建立虛擬仿真實驗教學(xué)模型，建成露天煤礦三維虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)。[5]系統(tǒng)實現(xiàn)的三維仿真教學(xué)功能見圖2。

5線上虛擬仿真教學(xué)項目建設(shè)

為了更好服務(wù)教學(xué)，打造線上線下虛擬仿真教學(xué)模式，研究開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)版綜采放頂煤虛擬仿真教學(xué)實驗項目。

實驗項目通過沉浸式顯示和交互式操作實驗平臺引導(dǎo)學(xué)生完成綜采放頂煤工藝實驗。實驗由場景認(rèn)知、設(shè)備學(xué)習(xí)、綜放工藝交互操作訓(xùn)練、實驗考核4個部分，29個步驟組成。通過構(gòu)建礦井生產(chǎn)系統(tǒng)、綜采放頂煤工作面生產(chǎn)系統(tǒng)和采煤設(shè)備虛擬仿真模型，構(gòu)建礦山虛擬工作環(huán)境，模擬工作面采煤機的割煤、推刮板輸送機、移架、液壓支架放煤的整個作業(yè)過程，引導(dǎo)學(xué)生在對綜放理論知識掌握基礎(chǔ)上和對采煤設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理及操作方法了解基礎(chǔ)上，按照作業(yè)規(guī)程和工藝參數(shù)，操作采煤設(shè)備進行割煤、放煤作業(yè)，模擬綜放工藝流程和工藝循環(huán)過程，系統(tǒng)掌握綜采放頂煤工藝技術(shù)知識，提高實踐能力。

6應(yīng)用

（1）虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于采煤學(xué)、采礦系統(tǒng)工程、金屬礦開采、露天礦開采、地下工程等十多門課程的課堂和實驗教學(xué)中，應(yīng)用于大學(xué)生創(chuàng)新實踐活動。（2）線上虛擬仿真教學(xué)項目“綜采放頂煤虛擬仿真教學(xué)實驗”，為面向全校所有專業(yè)開設(shè)的“采礦概論”提供實驗平臺，同時為全國礦業(yè)類院校提供教學(xué)資源支持。（3）多屆采礦工程、工業(yè)工程專業(yè)本科生利用虛擬礦山實習(xí)基地進行礦山認(rèn)識實習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)。和實際礦山現(xiàn)場實習(xí)虛實結(jié)合，極大提高了實習(xí)實踐教學(xué)質(zhì)量。

7結(jié)論

長期以來由于安全、生產(chǎn)繁忙、井下生產(chǎn)環(huán)境十分復(fù)雜等因素的影響，采礦專業(yè)一直存在礦山實習(xí)難、實習(xí)效果不佳的教學(xué)難題。地下煤礦、地下金屬礦、露天礦虛擬實習(xí)基地的建立和應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的實習(xí)模式和方法，和礦山現(xiàn)場實習(xí)虛實結(jié)合，有助學(xué)生更系統(tǒng)全面扎實的掌握相關(guān)知識，極大提高實習(xí)效果和質(zhì)量，解決了長期困擾教學(xué)的實習(xí)難題，促進了礦山實習(xí)模式和方法的改革。

系統(tǒng)全面的地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦三維虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)了地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦從井上到井下立體化的整個采礦生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)系統(tǒng)和工藝流程的仿真，為教學(xué)提供體系化全方位的大型復(fù)雜的三維可視化和交互操作訓(xùn)練的虛擬仿真教學(xué)項目，解決課堂教學(xué)無法立體真實感知、實驗室和現(xiàn)代化礦井無法提供實驗實踐條件的教學(xué)難題，提高教學(xué)效果和學(xué)生創(chuàng)新實踐能力，改變了采礦工程專業(yè)傳統(tǒng)的教學(xué)模式，促進了教學(xué)方法和手段的改革。

線上采礦虛擬仿真實驗項目實現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的實驗實踐教學(xué)理念，同時打破了實踐教學(xué)時間和地域的限制，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源廣泛共享。線上與線下相結(jié)合的虛擬仿真教學(xué)體系和方法，改變教師傳統(tǒng)的注入式教學(xué)方式，在老師指導(dǎo)下發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新能力，提高培養(yǎng)質(zhì)量。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFC0804303）

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