李建忠

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原030024)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采礦專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

李建忠

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原030024)

虛擬現(xiàn)實(shí);采礦專業(yè);教學(xué)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)中的熱點(diǎn)之一，已經(jīng)應(yīng)用到教育教學(xué)領(lǐng)域，并取得了顯著效果。在介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，著重探討其在采礦專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用。

多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推廣給傳統(tǒng)教育教學(xué)注入新的活力，掀起了教學(xué)方式改革的高潮，同時(shí)也為高等教育的現(xiàn)代化帶來新的機(jī)遇、需求和挑戰(zhàn)。二十一世紀(jì)是信息化、智能化的時(shí)代，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)入高校教學(xué)能形象生動(dòng)地表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，有效地營造一個(gè)跟隨技術(shù)發(fā)展的教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生掌握知識(shí)、技能的效率，達(dá)到優(yōu)化教學(xué)過程，提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡述

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)技術(shù)是目前計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中引起廣泛關(guān)注的研究前沿和熱點(diǎn)之一，它利用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維空間環(huán)境，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之與環(huán)境直接交互，產(chǎn)生身臨其境的感覺。該技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、傳感器技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)以及人工智能技術(shù)等多種學(xué)科技術(shù)的交叉與綜合。虛擬現(xiàn)實(shí)的特征可歸納為三個(gè)“I”，即沉浸(Immersion)、交互(Interaction)、構(gòu)想(Imagination)［1］。一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)必須具備沉浸感，用戶在虛擬環(huán)境中具有身臨其境的感覺，能夠自由的運(yùn)動(dòng)，觀看風(fēng)景，就和真實(shí)的世界一樣。虛擬現(xiàn)實(shí)與通常CAD系統(tǒng)所產(chǎn)生的模型以及傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫是不一樣的，它不是一個(gè)靜態(tài)的世界，而是一個(gè)開放、互動(dòng)的環(huán)境，虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境可以通過控制與監(jiān)視裝置影響或被使用者影響，這是VR的第二個(gè)特征，即交互性。構(gòu)想性是指虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是一個(gè)演示媒體，而且還是一個(gè)設(shè)計(jì)工具，它以視覺形式反映了設(shè)計(jì)者的思想，達(dá)到所看即所得的完美境界。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)復(fù)雜，而且構(gòu)成系統(tǒng)的設(shè)備比較昂貴，投資巨大，所以最初只在軍事、航天等少數(shù)領(lǐng)域得到發(fā)展。近年來，隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和價(jià)格的下降，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、建筑和工程、科學(xué)、金融、電子商務(wù)、游戲和教育等方面。虛擬現(xiàn)實(shí)的三個(gè)基本特征沉浸感、交互性和構(gòu)想性使之在教學(xué)上具有特殊優(yōu)越性，其在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景非常廣闊。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與多媒體技術(shù)的主要區(qū)別在于不僅僅把圖片、文字、聲音和動(dòng)畫結(jié)合在一起，更主要的是它為用戶創(chuàng)造了一個(gè)虛擬環(huán)境，用戶不再是被動(dòng)地接受知識(shí)，而是主動(dòng)的、多方位的和虛擬環(huán)境直接交互，從而獲得知識(shí)。正是這一特點(diǎn)改變了以往學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)入課堂成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。目前，國外已經(jīng)開發(fā)出許多針對(duì)教學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。利用此技術(shù)可以建立“虛擬物理實(shí)驗(yàn)室［2］”，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室里可以作各種實(shí)驗(yàn)，親身體驗(yàn)失重的感覺，使學(xué)生對(duì)物理概念和定律有了更深的理解;在“化學(xué)虛擬系統(tǒng)［3］”中，學(xué)生可以通過數(shù)據(jù)手套操作虛擬環(huán)境中的化學(xué)分子的運(yùn)動(dòng)，觀察分子結(jié)合的化學(xué)反應(yīng)，由此學(xué)到現(xiàn)實(shí)教學(xué)中無法感受的知識(shí);在醫(yī)學(xué)院的教學(xué)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更是發(fā)揮巨大的作用，利用“虛擬手術(shù)臺(tái)［4］”使學(xué)生無需通過病人就可以迅速安全地掌握各種復(fù)雜的手術(shù)操作;軍事院校學(xué)生利用飛行模擬器進(jìn)行飛行訓(xùn)練是一種最安全高效的訓(xùn)練方式。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生了“虛擬學(xué)?！薄ⅰ疤摂M教

室”，使網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)成為一種新的學(xué)習(xí)模式。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采礦專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

(一)采礦專業(yè)教學(xué)特點(diǎn)

采礦工程專業(yè)在我國屬于艱苦專業(yè)，而且實(shí)踐性要求比較高，專業(yè)課程主要有《礦山測量學(xué)》、《礦山壓力與控制》、《采掘機(jī)械》、《井巷工程》、《通風(fēng)與安全工程》、《煤礦開采學(xué)》等，在學(xué)習(xí)階段先后有三個(gè)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，認(rèn)識(shí)、生產(chǎn)及畢業(yè)實(shí)習(xí)。采礦專業(yè)的特點(diǎn)要求在教學(xué)中必須與生產(chǎn)實(shí)際相聯(lián)系，所設(shè)置的三個(gè)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)也是為這一目的服務(wù)。通過上課和實(shí)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該對(duì)采礦專業(yè)知識(shí)有比較深入的理解，能夠完成礦山規(guī)劃設(shè)計(jì)，但通過畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)我們認(rèn)識(shí)到學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解不夠透徹，尤其涉及到實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，達(dá)不到預(yù)想效果，這說明我們的專業(yè)教學(xué)存在不足。首先，在以往采礦專業(yè)教學(xué)中采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，課堂教學(xué)以黑板為工具，以單純教師教授的方法，向?qū)W生灌輸知識(shí)，課堂教學(xué)結(jié)合采礦實(shí)際不夠，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性不高，對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解不夠深入;其次，采礦專業(yè)實(shí)習(xí)地點(diǎn)在礦山，條件一般比較艱苦，下井實(shí)習(xí)具有一定的危險(xiǎn)性，學(xué)生實(shí)習(xí)興趣不高。同時(shí)，由于受井下實(shí)際生產(chǎn)的限制或者實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)不足的影響，學(xué)生真正深入現(xiàn)場的機(jī)會(huì)不多，由此引發(fā)學(xué)習(xí)和實(shí)際相脫節(jié)，最終造成采礦專業(yè)的教學(xué)往往達(dá)不到大綱要求。為此我們必須改進(jìn)傳統(tǒng)的教學(xué)方法，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)引入教學(xué)，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，提高采礦專業(yè)教學(xué)質(zhì)量。

(二)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的顯著效果已得到國內(nèi)外教育界的肯定，它的三個(gè)基本特征決定了將其引入教學(xué)必然會(huì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，給傳統(tǒng)教學(xué)注入新的活力。采礦專業(yè)教學(xué)主要有課堂教學(xué)和實(shí)習(xí)教學(xué)兩個(gè)環(huán)節(jié)，針對(duì)這一特點(diǎn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以分別開發(fā)“采礦專業(yè)課程虛擬教學(xué)”和“虛擬實(shí)習(xí)”系統(tǒng)，其中包括各門課程子系統(tǒng)和各種實(shí)習(xí)場景子系統(tǒng)。

在《采掘機(jī)械》課中主要學(xué)習(xí)礦山機(jī)械設(shè)備工作原理和實(shí)際應(yīng)用，其中的大型設(shè)備只能從書本中看到圖片，很難看到實(shí)際模型。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以開發(fā)出“礦山機(jī)械設(shè)備虛擬系統(tǒng)”，學(xué)生在這個(gè)系統(tǒng)中不僅可以看到設(shè)備的結(jié)構(gòu)，了解工作原理，還可以身臨其境親自操作這些設(shè)備;針對(duì)《井巷工程》課程開發(fā)“虛擬巷道系統(tǒng)”，學(xué)生可以進(jìn)入巷道自由漫游，了解各種巷道的結(jié)構(gòu)、用途以及支護(hù)方式等，同時(shí)可以發(fā)揮自己的想象性，設(shè)計(jì)各類巷道，完成之后立即進(jìn)入巷道檢查設(shè)計(jì)是否合理，完成交互式設(shè)計(jì)，圖1所示為矩形巷道虛擬環(huán)境;《煤礦開采學(xué)》是采礦專業(yè)最主要的課程，也是與實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)聯(lián)系最緊密的，“虛擬礦山系統(tǒng)”的開發(fā)，既能滿足課堂教學(xué)要求，又為學(xué)生實(shí)習(xí)提供虛擬環(huán)境。圖2所示為綜采工作面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)［5］，學(xué)生進(jìn)入虛擬環(huán)境如同真正走入井下綜采工作面，不僅可以自由漫游，而且可以在工作面親自操作開動(dòng)采煤機(jī)割煤、移液壓支架和推動(dòng)刮板輸送機(jī)，這些內(nèi)容在書本中是學(xué)不到的，即使在井下實(shí)習(xí)的時(shí)候也很難有機(jī)會(huì)如此近距離觀察，更不可能親自操作。圖3、圖4所示為采場覆巖垮落動(dòng)態(tài)虛擬系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，學(xué)生可以設(shè)置采場頂板參數(shù)，計(jì)算頂板的初次垮落步距和周期垮落步距，模擬各類頂板的垮落過程，在了解礦山壓力的各類假說的同時(shí)，掌握頂板來壓規(guī)律，為將來的實(shí)踐操作打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

四、結(jié) 論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采礦專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用將有助于優(yōu)化教學(xué)過程、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、提高專業(yè)教學(xué)質(zhì)量，并可解決實(shí)習(xí)教學(xué)中的經(jīng)費(fèi)不足、實(shí)習(xí)環(huán)境危險(xiǎn)和學(xué)生難以深入現(xiàn)場等問題。它的研究對(duì)探索和發(fā)展現(xiàn)代教育思想、提高教育技術(shù)水平、改善實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境、培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的人才具有深遠(yuǎn)的影響。

［1］ 汪成為，高文，王行仁.靈境(虛擬環(huán)境)技術(shù)的理論、現(xiàn)實(shí)及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1996.

［2］ 張景川，石魯珍.大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)與理論分析［J］.高等理科教育，2009.(2):79-82.

［3］ 楊景琴，陳堅(jiān).VRML中粒子系統(tǒng)在虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建中的應(yīng)用研究［J］.計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012.(4):102-103.

［4］ 羅偉，李珊珊.仿真手術(shù)刀在虛擬外科手術(shù)系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究［J］.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)進(jìn)展，2010.(3):149-152.

［5］ 李建忠，陳鴻章，隋剛.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的綜采工作面仿真系統(tǒng)研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007.(9):4164-4167.

Key word:virtual reality;mining specialty;teaching

Abstract:As one hotspot of computer technique，virtual reality technology has been used in the field of education and teaching，and acquires remarkable effect.On the basis of introducing to virtual reality technology，the writer discusses mostly its application in Mining Specialty Teaching.

Application of Virtual Reality Technology on Mining Specialty Teaching

LI Jian-zhong
(College of Mining Technology of TUT，Taiyuan Shanxi 030024，China)

G642.4

A

2095-2708(2012)04-0110-03

2012-05-03