陳建宏，鐘福生，周智勇

(中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙410083)

交互式多媒體多點觸控采礦工藝自主學習平臺建設

陳建宏，鐘福生，周智勇

(中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙410083)

教學效果;人機交互;觸屏技術;虛擬現(xiàn)實;采礦工藝教學

針對傳統(tǒng)采礦工藝教學過程中存在的諸多問題和缺陷，提出交互式的多媒體多點觸控采礦工藝自主學習平臺來改進教學效果。平臺采用觸屏技術、三維動畫制作技術和虛擬現(xiàn)實技術構建了交互式的教學系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，教師和學生均能夠自主地控制動畫模型的運動，完成學習對象的三維展示，形成多功能、多感官的學習。和傳統(tǒng)的教學模式相比，人機交互觸屏式教學平臺能夠有效地提高學生的學習熱情、減輕教師的授課負擔，從而改進教學效果。

作為一個資源生產和消費大國，我國對資源的需求越來越強烈，礦山企業(yè)對采礦工程專業(yè)人才需求若渴，如何培養(yǎng)出的優(yōu)秀的采礦專業(yè)人才已成為了一個十分緊迫的議題。在采礦工程專業(yè)的教學中，采礦方法作為采礦專業(yè)的核心主干課程，它的教學質量好壞與否對合格的采礦專業(yè)人才培養(yǎng)有著舉足輕重的作用［1-2］。

由于采掘工業(yè)的特殊性，尤其是地下礦山的開采，對學生的空間立體感的要求較高［3］，很多學生反映難以通過靜態(tài)的平面媒體(如課本)來理解采場等采礦構筑物的空間結構。許多教師在耗費了很大的精力來講解礦山開采過程中的細節(jié)之后，達到的教學效果仍不盡人意。近年來，隨著多媒體技術和計算機技術的發(fā)展，礦體的三維空間結構和采掘過程的模擬成為了可能，并且很多教師已經開始制作多視頻來展示三維的礦體和采場等構筑物了［4-6］，雖然展示的三維空間仍然是靜態(tài)的，但達到教學效果卻有一定的改善。

不管是靜態(tài)的紙面媒體，還是單一的三維空間展示，都難以形成交互的教學模式，缺乏學生和講授內容之間的交互。傳統(tǒng)的教學方法多是老師講、學生聽［7］，是一種被動式的灌輸，學生的學習熱情普遍不高。如果要真正轉變這種教學模式，變“傳授”為學生主動“探索”、“發(fā)現(xiàn)”，就必須實現(xiàn)講授內容的動態(tài)三維展示，以實現(xiàn)交互式教學，圖1展示了三種教學模式的特點。筆者認為，可以將目前在電子展示、手機應用等行業(yè)廣泛采用的觸屏技術、三維動畫制作技術和虛擬現(xiàn)實技術相結合一起，帶進課程教學中，形成交互的觸屏式教學平臺，激發(fā)學生的學習熱情，提高教學效果。

圖1 三種教學模式對比

一、建設的目標和內容

交互式多媒體多點觸控采礦方法自主學習平臺建設的目標是開發(fā)金屬礦采選主要工藝過程三維動漫演示系統(tǒng)，目的是為采礦與巖土工程專業(yè)的核心課程《金屬礦地下開采技術》《露天采礦技術》提供自主學習平臺，同時也為地質工程、選礦工程、安全工程、地下工程等相關專業(yè)的《采礦概論》《選礦概論》選修課程提供自主學習平臺，強化學生感性知識學習，減輕現(xiàn)場參觀實習的困難，進行室內交互式動態(tài)模擬實驗。項目建設對培養(yǎng)學生的動手能力、空間思維能力及礦山工業(yè)現(xiàn)場整體概念具有重要的意義。

通過把演示的對象安裝到對應的載體，即高清液晶觸控一體機上就行互動操控展示。主要內容包括:(1)建立立式多媒體多點觸控一體機交互式學習平臺;(2)研發(fā)金屬礦地下開采技術動漫展示系統(tǒng)，包括:全尾砂水平分層充填法、無底柱分段崩落法、階段空場嗣后充填法、分段空場嗣后充填法、自然崩落法、中深孔房柱法;空場法;(3)研發(fā)金屬礦露天采礦工藝過程動漫展示系統(tǒng);(4)研發(fā)金屬礦選礦工藝過程動漫展示系統(tǒng)。

二、觸屏技術在教育行業(yè)的應用

如果說1964年鼠標的發(fā)明，把電腦操作帶入了一個新的時代;那么觸摸屏的出現(xiàn)，則使圖形化的人機交互界面變得更為直觀易用。1971年，SamHurst發(fā)明的世界上第一個觸摸傳感器，被視為觸屏技術研發(fā)的開端。經過四十年的發(fā)展，觸屏技術已經廣泛應用于公共服務領域和個人娛樂設備，人們已經習慣于用觸摸的方式在卡拉OK機上點播歌曲，在銀行、圖書館、機場查詢自己需要的信息，在手機上選擇需要的菜單。幾年來，觸屏技術已經開始進入了教育行業(yè)。觸摸屏以其圖文并茂、簡單易用等優(yōu)點在教學中也得到了廣泛的應用。利用觸屏技術進行教學具有以下幾個優(yōu)點:

(1)傳統(tǒng)的教學方式多為黑板手寫授課方式，對于空間立體感要求較高的內容，如采礦方法教學，不僅學生學起來會非常吃力，教師也要花很大功夫在平面上繪制三維模型。雖然可以通過投影設備進行輔助教學，此效果也大有改善，但是要作很多前期工作，比較麻煩。而觸屏互動教學可輕松解決這一問題，不需要其他輔助設備，可讓授課內容以圖文并茂的方式通過屏幕顯示終端直接靈活多樣的人為控制的展示在學生面前，省時省力。

(2)課程內容手寫演示、繪畫:觸屏互動系統(tǒng)可支持課程內容手寫演示、繪畫等功能，利用此系統(tǒng)我們只需用手指輕輕地碰大屏幕顯示器的圖符或文字、或直接進行手寫就能使教學內容化難為易，化抽象為具體，從而讓抽象的教學內容變得形象逼真、容易被每一位學生接受。

三、三維動態(tài)仿真技術

地下礦體的開采過程是一個極其復雜的過程。施工條件復雜，工序繁多，不僅各工序配合與相互干擾錯綜復雜，而且還受到眾多因素影響與限制。在課程上單憑口述和板書是難以解釋清楚各個工序之間的關系的。有必要采用先進的技術手段讓教學內容更清晰、更加立體的方式展示在學生面前;而三維動態(tài)仿真技術則可以解決這一問題。

在采礦方法教學中，礦房的采準、切割、回采和地壓管理是在時間、空間和邏輯上前后相互銜接的過程。其中涉及到眾多不同類型的巷道、硐室的挖掘，為學生講清楚這些采礦構筑物在空間上位置關系，在時間上的先后掘進關系需花費較大的精力。采用三維建模軟件構建三維數(shù)字模型可以直觀立體地反映這些內容。當然，這些數(shù)字模型也需要專業(yè)人員耗費很大精力去構建，但是建立的模型可以反復在課程上運用，可以減輕教師的重復工作。

四、虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實(VR)是信息科學領域一類新興的工程技術，是在計算機圖形學、計算機仿真、傳感技術和多媒體技術、網(wǎng)絡通信、面向對象技術和智能決策支持系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的一門交叉學科［8］。利用該技術可以運用于采礦工藝教學中，以實現(xiàn)礦山設備和人員作業(yè)的實時模擬，從而幫助人們了解和感受礦山的實際作業(yè)環(huán)境。

(一)虛擬現(xiàn)實技術特征

1.多感知性

在虛擬系統(tǒng)中，用戶可以體驗到視覺、聽覺、力覺、觸覺、甚至味覺和嗅覺感知等.理想的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應具有人的一切感知功能，目前由于傳感器技術的限制，現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實技術所能提供的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺和觸覺等。

2.投入性

由于虛擬系統(tǒng)為體驗者提供了各種感知，高度逼真地模擬了客觀世界，使得用戶如同置身于真實的場景之中，有身臨其境之感。

3.交互性

指用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力，它是人機和諧的關鍵因素。用戶通過自身動作與虛擬世界中的“物體”進行交互，并獲得反饋;同時，“物體”將獲取的動作信息傳遞給系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)出指令使“物體”作出相應的反饋動作。這個過程中最重要的因素是實時性，實時性使得系統(tǒng)擁有了能夠響應用戶的輸入并立即改變虛擬場景狀態(tài)的能力。

(二)虛擬現(xiàn)實技術在礦業(yè)培訓和教學中的應用

應用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬井下各種復雜的作業(yè)環(huán)境，供采礦工程技術人員的實習訓練，可降低培訓費用，縮短培訓時間［9］。使用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行礦山安全培訓時，受訓者被置于同樣存在大量危險的相似環(huán)境下，當接近危險處時，危險的對象不是被強調顯示，而是由用戶主動通過點擊鼠標或操縱桿按鈕確定所存在的危險，并進一步選擇一系列的選項以評價其潛在的嚴重性和危險發(fā)生的概率。

交互式多媒體多點觸控式采礦工藝自主學習平臺

(一)教學平臺的搭建

為了適應目前的互動仿真科技發(fā)展的潮流建立的數(shù)字化采礦教學，從根本上解決了采礦實習和實驗教學的基本需求，可建立互動觸控數(shù)字化采礦教學平臺，如圖2所示。

1.設計原則

(1)三維空間可視化

采礦是一個復雜的生產系統(tǒng)，人們僅靠圖紙不容易清楚地了解礦物生產，運行等狀況。傳統(tǒng)的礦山設計，地質，測繪人員等習慣于依賴信息的二維表示。如:平面圖，剖面圖，等高線程圖等。工程人員在使用這些圖紙時，要在大腦中“構想”出相應的三維模型，這常常使某些重要的信息表達疏漏或根本考慮不到。為了更直觀清晰地表達三維對象，動態(tài)地模擬采礦工藝施工過程，系統(tǒng)應具有三維可視化功能。

(2)交互性

這里的交互性不僅是指教師與學生之間的交互，還包括授課內容與師生之間的交互。教師通過系統(tǒng)向學生授予一定的權限，讓學生在平臺上完成指定的學習和操作任務;學生通過系統(tǒng)向教師發(fā)出交互請求，讓老師來幫助解決問題。授課內容與師生之間的交互主要通過多點觸控技術來實現(xiàn)，即通過觸屏來實現(xiàn)畫面的縮放、暫停、旋轉、畫面切換等功能。

(3)易擴展性

為了實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實功能，系統(tǒng)應當有足夠的接口來實現(xiàn)功能的擴展，例如接入操縱桿來模擬對采礦設備的控制，佩戴3-D眼鏡實現(xiàn)畫面的立體特效等。

圖2 互動觸控數(shù)字化采礦教學系統(tǒng)方案

(2)軟硬件設備及平臺搭建

表1列出了該平臺的建設需要的主要設備和軟件。根據(jù)圖3顯示的各主要設備之間的連接關系，平臺的搭建步驟如下:

表1 平臺搭建所需的軟硬件設備

(1)教師電腦通過VGA連接到高清液晶觸控一體機上面;

(2)學生電腦通過校園的無線WIFI局域網(wǎng)，實現(xiàn)與教師筆記本的鏈接，通過第三方的軟件，適合教師與學生在課堂的互動，包括教室下發(fā)習題、提問，學生的答題、上交作業(yè)等等;

(3)實物投影儀通過使用USB線實現(xiàn)與教師筆記本的連接，將投影畫面置于電腦，教師電腦將畫面實現(xiàn)到高清液晶觸控一體機上;

(4)實物投影儀也可以通過使用VGA線連接到高清液晶觸控一體機，把畫面直接投影到電視上。

圖3 采礦互動教學系統(tǒng)搭建

(二)平臺應用

1.教學內容的三維展示

該系統(tǒng)能夠完全滿足教學、礦業(yè)培訓的基本需求。通過立體顯示系統(tǒng)以及立體生成系統(tǒng)軟件，可以全方位的對露天及地下礦山開采進行仿真虛擬，這些系統(tǒng)包括:露天采裝、運輸、選冶工藝，地下礦山的地面系統(tǒng)(選礦廠、地面車場)、開拓系統(tǒng)、井下通風、井下運輸、采場工作面等，完全可以滿足學生、采礦工作者對于多媒體互動仿真教學的要求。圖4～8顯示了在露天開采過程中從采裝、運輸、破碎和廢石運輸?shù)膸讉€主要過程。通過對露天礦開采工藝過程的模擬，教師和學生可以在系統(tǒng)上實現(xiàn)畫面的連續(xù)播放和間斷式播放，暫停播放時，還可實現(xiàn)畫面的縮放、旋轉和漫游，方便教師進行講解和學生觀察。

2.虛擬實驗室

根據(jù)不同的需求，該系統(tǒng)還可適時地進行擴充來實現(xiàn)虛擬實驗室的功能。例如，可以在系統(tǒng)中擴充視覺輸出設備—液晶開關的體視眼鏡，以及手動輸入設備—操縱桿，來實時模擬露天運輸設備的操控。將事先設計好的三維動畫模型導入教師電腦中，并在液晶觸控顯示屏上輸出，學生可以帶上這種眼鏡即可以真實地感知被虛擬三維空間;學生手動觸屏還可以轉換視覺，從不同的角度來觀察體驗;導入動畫后，啟動系統(tǒng)的虛擬實驗室功能，通過操縱桿實現(xiàn)對運輸設備的控制。圖9展示了系統(tǒng)在虛擬礦石運輸過程中的畫面。如果配上聽覺輸出設備和觸覺輸出設備，則將有更加真實場景可以進入課程教學中。這樣的平臺在礦井安全培訓、設備操作培訓等實踐要求很高的課程中是非常有用處的。

圖9 虛擬礦石的運輸

六、結 語

采礦是一門實踐性、應用性很強的學科，為了提高教學質量，可以適當采用先進的技術來提高教學水平。人機交互的觸屏式采礦教學平臺能夠促進立體教育的實現(xiàn)，使學生主動地參與到教學過程中，成為學習的主體，化被動的灌輸式教學為“教師—教學內容—學生”的雙向交互式教學。該平臺的實現(xiàn)，能夠真正地減輕教師的授課負擔，激發(fā)學生的學習熱情，從而提高教學質量。

當然，教學平臺只作為輔助教學的一種手段，教師和學生才是教學過程中的真正主體，不能只注重教學形式而忽視了教學方法的運用。對于晦澀難懂的教學內容而言，可以通過該平臺幫助老師更好地講解及學生的理解，而簡單易懂的內容則完全可由普通的教學手段進行教學。另一方面，作為新興的應用技術，虛擬技術和三維仿真技術在教學中應用案例仍非常少，還需要進一步的實踐檢驗。

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Key words:teaching effectiveness;human–machine interaction;touch-screen technology;virtual reality;mining technology teaching

Abstract:Considering the deficiencies in traditional mining technology teaching，a autonomous mining technology learning platform based on human-machine interaction and multi-touch technology is presented to improve the teaching effectiveness.This platform uses touch-screen，3-D animation and virtual reality technologies to construct a interactive teaching system.In this system，the learning objects can be shown in 3-D way，and both teachers and students are able to freely control the movement of the animation model.Thus a multi-functional，multi-sensory teaching mode is shaped perfectively.Compared with the traditional teaching mode，this presented platform can stimulate students’enthusiasm for learning and reduce teachers’teaching burden effectively，so that teaching effectiveness is improved.

A autonomous Mining Technology Learning Platform Based on Human-machine Interaction and Multi-touch Technology

CHEN Jian-hong，ZHONG Fu-sheng，ZHOU Zhi-yong
(TheResources＆Safety Engineering School of Central South University，Changsha Hunan 410083，China)

G642.4

A

2095-2708(2012)04-0105-05

2012-05-10