侯晨 朱萬成 劉洪磊 張鵬海

[摘 要] 采礦工程是一門緊密結(jié)合生產(chǎn)實際、實踐性很強的基礎(chǔ)學(xué)科，但新冠肺炎疫情期間，學(xué)生的現(xiàn)場實習(xí)受到了極大的限制，教學(xué)效果大打折扣。以東北大學(xué)金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采國家級虛擬仿真教學(xué)平臺為基礎(chǔ)，構(gòu)建了面向地下采礦工程的虛擬仿真系統(tǒng)，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)及數(shù)值仿真技術(shù)為學(xué)生再現(xiàn)地下采礦的設(shè)備儀器、巷道布置、井下環(huán)境和施工過程，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力，增強了教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 虛擬現(xiàn)實;采礦工程;本科教學(xué);實習(xí)

[基金項目] 2020年度中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目“尾砂膏體與圍巖界面剪切特性細觀機理研究”（N2001010）;2019年度國家自然科學(xué)青年基金項目“膠結(jié)充填體與圍巖粗糙接觸面剪切特性研究”（51904055）

[作者簡介] 侯 晨（1989—），男，河南焦作人，博士，東北大學(xué)資源與土木工程系實驗師，主要從事巖石力學(xué)研究;朱萬成（1974—），男，新疆呼圖壁人，博士，東北大學(xué)資源與土木工程系教授（通信作者），主要從事巖石類介質(zhì)損傷與破裂過程數(shù)值模擬方法研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）21-0073-04? ?[收稿日期] 2020-12-30

礦業(yè)是我國的第一產(chǎn)業(yè)，礦產(chǎn)資源是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。采礦工程是工科領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)學(xué)科，是一門緊密聯(lián)系生產(chǎn)實際、實踐性與理論性結(jié)合很強的課程[1，2]。相關(guān)實習(xí)實踐活動可以讓學(xué)生將課堂上所學(xué)的基礎(chǔ)理論與現(xiàn)場實際應(yīng)用聯(lián)系起來，也是學(xué)生畢業(yè)設(shè)計認識和獲取現(xiàn)場資料的重要途徑[3]。因此，工程實習(xí)是采礦工程專業(yè)本科學(xué)習(xí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在采礦人才培養(yǎng)中具有舉足輕重的地位和作用[4]。

然而大量事實表明，采礦工程專業(yè)實習(xí)活動存在實習(xí)質(zhì)量低下、學(xué)生實踐熱情不高、實習(xí)經(jīng)費不充分、實習(xí)內(nèi)容安排不合理等問題[5-7]。2020年，突如其來的新冠肺炎疫情極大地限制了學(xué)生相關(guān)實習(xí)實踐活動的開展，讓時間本就不充裕的實習(xí)活動陷入停滯狀態(tài)，一些學(xué)生甚至沒有看過現(xiàn)場狀況就著手進行畢業(yè)設(shè)計，嚴重影響了采礦工程本科的教學(xué)效果。另外，采礦工程涉及門類繁多，與采礦直接相關(guān)的學(xué)科就包括地下采礦、露天采礦、井巷工程、巖體力學(xué)、礦井通風(fēng)與安全等，這些學(xué)科相互聯(lián)系緊密，交叉性強，內(nèi)容還具有一定的抽象性，如礦井開拓采準巷道之間的三維位置關(guān)系、巖體周圍應(yīng)力場模型，以及隨著開挖后應(yīng)力場的遷移和演化規(guī)律。若僅僅以傳統(tǒng)的平面圖或者剖面圖進行表示，學(xué)生往往難以理解，并嚴重影響教學(xué)效果。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)因交互性、沉浸性和構(gòu)想性等特點，可以讓參與者進行沉浸式的體驗，所形成的信息環(huán)境也具備交互效能多維化的特點[8，9]，使學(xué)生對采礦工程課程的教學(xué)內(nèi)容有身臨其境的感覺，并為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供更好的學(xué)習(xí)環(huán)境。因此，本文主要探討虛擬現(xiàn)實技術(shù)在采礦工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用。

一、采礦工程教學(xué)存在的問題

（一）教學(xué)手段有限

傳統(tǒng)的平面圖、立面圖、剖面圖讀圖較難，且相關(guān)圖表不夠生動形象，學(xué)生對模型的認識也停留在二維階段，導(dǎo)致對金屬礦山地上地下整體結(jié)構(gòu)缺乏直觀認識。盡管多媒體教學(xué)配合教師的講解，以及相關(guān)計算機3D模型的展示已經(jīng)極大地豐富了教學(xué)內(nèi)容，但是反映的內(nèi)容仍比較片面，與現(xiàn)場實際還有較大的差別[1]。

（二）教學(xué)內(nèi)容顯示度不足

采礦工程涉及的開拓采準、運輸?shù)认到y(tǒng)十分復(fù)雜，除了在采區(qū)的水平和傾斜巷道、平硐和豎井采用運輸工藝外，周邊配套的溜井、井底車場、礦倉、水倉也都各具特色，系統(tǒng)之間相互交錯，層次立體感強[ 10 ]，一個簡單的平面圖或者3D圖很難對其進行全面的描述。另外，采礦是一個復(fù)雜的動態(tài)地質(zhì)工程問題，礦山開挖及開采活動貫穿于礦山服務(wù)期限的始終，礦山自始至終處于復(fù)雜的動態(tài)開挖、回采過程之中，一個靜態(tài)的模型很難將地下采礦活動的時空關(guān)系進行有機的展示，學(xué)生很難對整體系統(tǒng)有一個準確的把握。

（三）教學(xué)過程交互性不強

學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教學(xué)效果的優(yōu)劣取決于能否充分發(fā)揮師生的積極性。求知欲是推動學(xué)生進行主動學(xué)習(xí)的源動力。學(xué)生無法直接參與互動，會直接影響教學(xué)效果。但目前的教學(xué)方法仍是教師起主導(dǎo)作用，學(xué)生僅僅是被動地看和聽，無法對課堂知識的掌握情況進行實時反饋，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

（四）教學(xué)方法的局限性

采礦工程中許多教學(xué)內(nèi)容由于受到場所、安全性等多種因素的影響，無法給學(xué)生進行直接的演示。例如，爆破工程中炸藥的連接過程、起爆過程等具有危險性的過程[2];又如，講解礦山應(yīng)力場估算時，巷道開挖后的應(yīng)力場的遷移和演化規(guī)律也無法使學(xué)生產(chǎn)生直觀的印象。

（五）實習(xí)效果不佳

采礦工程的實習(xí)活動面臨著聯(lián)系實習(xí)地點困難、經(jīng)費短缺、實習(xí)內(nèi)容不全面和過程簡化等問題[6]。例如，一個采礦班的學(xué)生標準人數(shù)大約為25人，由于地下礦山往往處于半封閉環(huán)境，且一般是通過教師的講解和演示來進行授課的，大部分學(xué)生只能在旁觀看，導(dǎo)致學(xué)生對實驗過程印象不深，更談不上對相關(guān)問題的獨立思考和分析。另外，礦山實習(xí)不同于常規(guī)的其他學(xué)科的現(xiàn)場實踐，現(xiàn)場實習(xí)活動具有一定的危險性，往往無法直接深入一線工作環(huán)境中，導(dǎo)致學(xué)生走馬觀花，無法保障實習(xí)效果。

二、虛擬現(xiàn)實平臺的開發(fā)方法

（一）數(shù)據(jù)資料的收集

相關(guān)虛擬圖像的建立首先需要相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，搜集資料越多，虛擬場景的逼真程度越高[1]。例如，鉆孔三維數(shù)據(jù)，包括收集孔口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、測斜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、采樣信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、巖性信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等，并指定三維視圖中顯示的內(nèi)容，包括孔口符號及顏色、孔口文字及顏色、鉆孔軌跡顏色、鉆孔軌跡兩側(cè)的文字標注內(nèi)容及顏色，搜集到上述內(nèi)容后即可繪制出鉆孔的三維軌跡模型。