胡浩 王磊 張貴生

摘? 要：當前采礦工程專業(yè)實踐創(chuàng)新培養(yǎng)受到多方面因素的影響，難以開展實踐教學及綜合創(chuàng)新型實驗。虛擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展為采礦工程專業(yè)實驗教學改革提供了硬件支持。將虛擬仿真技術(shù)融入到采礦工程專業(yè)實驗教學中，以培養(yǎng)采礦工程專業(yè)創(chuàng)新性、復合型人才為指導，最終實現(xiàn)對人才培養(yǎng)質(zhì)量的進一步提高。同時虛擬仿真實驗室的建成，使礦工程專業(yè)實驗教學條件更優(yōu)越、實驗教學系統(tǒng)更加完善。

關(guān)鍵詞：采礦工程? 實驗教學? 虛擬仿真技術(shù)? 實驗室建設

Abstract： At present， mining engineering practice innovation training is affected by many factors， so it is difficult to carry out practice teaching and comprehensive innovative experiment. The rapid development of virtual simulation technology provides support for experimental teaching reform of mining engineering specialty. The virtual simulation technology is integrated into the experimental teaching of mining engineering specialty， and guided by the training of innovative and compound talents of mining engineering specialty， the quality of personnel training is further improved. At the same time， the construction of virtual simulation laboratory makes the experimental teaching conditions of mineral engineering specialty more superior and the experimental teaching system more perfect.

Key Words： Mining engineering; Experimental teaching; Virtual simulation technology; Laboratory construction

采礦工程專業(yè)作為典型傳統(tǒng)學科具有多學科交叉的特點（相關(guān)學科包括地質(zhì)、機械、力學、數(shù)學、計算機、安全、管理等多個專業(yè)），對學生的知識結(jié)構(gòu)及綜合能力具有更高的要求，因此采礦工程專業(yè)要有多的實踐及實驗機會[1-2]。但現(xiàn)階段采礦工程專業(yè)學生實踐創(chuàng)新培養(yǎng)存在以下主要問題：煤礦企業(yè)生產(chǎn)任務繁重、安全風險大，現(xiàn)場實踐教學難以開展;受資金、師資、教學與科研協(xié)調(diào)等條件限制，部分傳統(tǒng)實驗教學項目不能正常進行;如今很多創(chuàng)新型綜合實驗所需大型實驗設備較多，一般實驗室儀器設備無法滿足實驗需求[3]。

計算機技術(shù)的和虛擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，為采礦工程專業(yè)的實驗教學改革提供了硬件支持，為上述問題的解決提供了可行的路徑?；诓傻V工程專業(yè)特色，建立高仿真度的實驗、實踐環(huán)境，可以較大程度的還原真實環(huán)境無法完成的實踐活動或危險系數(shù)較高實驗內(nèi)容。將虛擬仿真技術(shù)為硬件基礎，融入到采礦工程專業(yè)的實驗、實踐教學中，以培養(yǎng)采礦工程專業(yè)創(chuàng)新性、復合型人才為指導，最終實現(xiàn)人才培養(yǎng)質(zhì)量的進一步提高。

1? 虛擬仿真實驗室建設

1.1 實驗室依托條件

高等院校的實驗室作為培養(yǎng)大學生實踐實驗能力的重要場所，其教學儀器設備的配置及使用狀況，直接決定了實踐教學育人的效果。建立虛擬仿真實驗室，完善采礦工程專業(yè)實驗課程體系，能夠提高學生的創(chuàng)新能力及實驗動手能力[4]。

安徽理工大學做為安徽省第一所工科高校，是安徽省重點建設的特色高水平大學。學校以工為主，地礦特色鮮明，是全國最早開展礦業(yè)人才培養(yǎng)的兩所高校之一。采礦工程學科是學校最早設立的學科之一，歷史悠久。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，采礦工程學科體系完整，圍繞礦井安全高效回采等開展科研工作，科研條件不斷改善，科研實力不斷增強。結(jié)合安徽省地方經(jīng)濟特色、依托單位的學科優(yōu)勢，2002年籌建定位于深部煤礦采動災害基礎研究的安徽省現(xiàn)代礦業(yè)工程重點實驗室。2016年實驗室進入省部共建國家重點實驗室立項建設序列。2018年省部共建深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室獲批[5]。實驗室擁有一批高性能的先進設備，現(xiàn)有大型實驗設備 100 余臺件，儀器和設備總價值 1 億多元。依托上述平臺、資源等優(yōu)勢，我校虛擬仿真實驗室于2020年建設完成并投入使用。

1.2 虛擬仿真實驗室

安徽理工大學虛擬仿真教學平臺依托計算機硬件設備，結(jié)合采礦工程專業(yè)課程設置與虛擬仿真實驗、實踐教學需求，建設一個沉浸可交互實驗室，實現(xiàn)計算機尖端技術(shù)與采礦工程專業(yè)的實驗、實踐教學的深度融合。

安徽理工大學虛擬仿真實驗室為實驗教學提供了一個大場景寬視野的3D教學環(huán)境，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及三維建模技術(shù)，創(chuàng)造出一個1：1的虛擬場景。LED小間距立體顯示系統(tǒng)作為虛擬仿真教學平臺關(guān)鍵性硬件系統(tǒng)，采用了國際領(lǐng)先的顯示技術(shù)，同時融合了拼接融合技術(shù)、圖像處理技術(shù)、立體顯示技術(shù)、網(wǎng)絡通訊技術(shù)等。系統(tǒng)具有高分辨率、超寬視野、立體顯示、無縫拼接，高集成度等特點。系統(tǒng)在硬件、軟件設計上已充分考慮到系統(tǒng)的安全性、可靠性、可維護性和可擴展性，存儲和處理能力滿足遠期擴展的要求。搭配立體擴音系統(tǒng)，可以滿足不同形式的立體教學和多媒體教學，該環(huán)境同時布置了動作捕捉系統(tǒng)，教師采用交互設備模仿真實的實驗、實踐教學過程，學生佩戴立體眼鏡仿佛置身于真實的操作環(huán)境中。此外，虛擬仿真實驗教學資源開放管理平臺還具有信息發(fā)布、實驗數(shù)據(jù)收集分析、互動交流、成績評定、成果展示等功能。同時該平臺為開放式，根據(jù)教學的需要可添加其他實驗教學內(nèi)容。

2? 虛擬仿真設備教學優(yōu)勢

虛擬仿真實驗室因其具有可重復使用、成本低、安全性高等有點，在歐美等發(fā)達國家已得到普遍應用，國內(nèi)的航空航天、材料工程等專業(yè)的教學實踐環(huán)節(jié)也選擇采用虛擬仿真技術(shù)[6-7]。將虛擬仿真技術(shù)引入到傳統(tǒng)的采礦工程專業(yè)的實驗、實踐教學中，能加深學生對專業(yè)知識的學習理解，拓寬科研視野。

2.1 設備利用率高

高校實驗室為學生提供了實踐操作平臺，也是學生科研創(chuàng)新的重要場所 。如今很多高校都十分重視實驗室建設，投入大量資金購買先進大型儀器設備。但是設備的運行維護費用較高，尤其是很多單一來源設備后期維修、維護費用高昂。因此很多學校為節(jié)約運行、維護成本，選擇減少儀器設備的開放使用。同時由于學校更傾向于將儀器設備用于科研工作，進一步減少了可用于教學的儀器設備數(shù)量。如今采礦工程專業(yè)實驗教學，多數(shù)高校選擇采用教師演示的教學方式，從而降低學生操作大型設備存在的設備損壞風險。

針對上述問題，將虛擬仿真實驗教學引入到采礦工程專業(yè)學生的實踐創(chuàng)新培養(yǎng)中，可以有效解決傳統(tǒng)實驗教學面臨的問題。虛擬仿真實驗室涵蓋多種實驗教學資源，可以開展多種實驗教學，減少了非必要設備的采購，提高了實驗室儀器設備的使用率。利用動作捕捉系統(tǒng)，學生可以通過交互設備模擬真實的實驗操作，從而掌握大型儀器設備的操作流程。同時采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗室因其具有安全、低成本、可重復、形象直觀等特點，在教學實踐中能達到其他實驗室難以達到的效果。

2.2 激發(fā)學習興趣

相比采礦工程專業(yè)傳統(tǒng)實驗教學模式的簡單、枯燥，虛擬仿真技術(shù)能夠更直觀、立體地展示生產(chǎn)現(xiàn)場，給學生以更直接的感官刺激。在采礦工程專業(yè)實驗、實踐教學中引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠調(diào)動學生學習的主觀能動性，提高學生對于專業(yè)課學習的興趣。利用虛擬仿真設備構(gòu)建虛擬礦井場景，學生能有身臨其境的感覺，如同親身體驗礦井現(xiàn)場。同時可以讓學生全面的了解礦井工業(yè)廣場、生產(chǎn)系統(tǒng)、機械裝備以及各類礦井災害。

相比以往室內(nèi)礦井模擬（多為塑料材質(zhì)）無法更新、損壞修復困難等問題，虛擬仿真實驗室具有教學內(nèi)容更新難度小、周期短等優(yōu)點。因此虛擬仿真教學更能調(diào)動學生學習的動力，激發(fā)學生的學習、科研興趣。

2.3 知識拓展性

利用虛擬仿真實驗平臺，結(jié)合學科前沿問題及成果，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：利用其三維漫游功能，能實現(xiàn)礦井的仿真漫游，完成學生的參觀實習活動;利用其動作捕捉及交互功能，完成高危險系數(shù)的實驗操作演練、實現(xiàn)采礦工程專業(yè)較復雜綜合實驗及科研創(chuàng)新實驗;利用其3D展示功能，可以完成礦井沖擊地壓、煤與瓦斯突出、突水等災害應急展示等，給學生以視覺沖擊。

同傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)實驗教學相比，虛擬仿真實驗室的投入使用，可以讓學生更深切的體驗礦井生產(chǎn)環(huán)境，更深入地將理論知識與現(xiàn)場情況相結(jié)合，有利于學生深入思考圍巖失穩(wěn)等力學機理。激發(fā)學生學習的主觀能動性，培養(yǎng)學生對未知問題進行積極探索的精神。結(jié)合虛擬仿真系統(tǒng)中嵌入模塊，授課老師可以從機械裝備、回采工藝、圍巖受力多個角度，全方位、立體式的引導學生展開學習采礦工程的相關(guān)知識點。同時可以引導學生積極申請參與各類科研項目，為學生提供硬件條件，支持學生開展科研探索等相關(guān)工作[8]。

3? 虛擬仿真技術(shù)帶來的改革

3.1 完善采礦工程實驗教學體系

虛擬仿真實驗室的建成，使安徽理工大學采礦工程專業(yè)實驗教學系統(tǒng)更加完善。安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室實驗，現(xiàn)有實驗大樓一棟，儀器設備總值達1億多元，并構(gòu)建了如下研究系統(tǒng)：仿工程復雜物理場煤巖力學演化特性實驗系統(tǒng);動靜荷載下氣固耦合煤巖沖擊動力學特性實驗系統(tǒng);深部工程支護體性能檢測系統(tǒng);含瓦斯煤巖損傷、破壞微細觀全時演化監(jiān)測系統(tǒng);相似材料模擬實驗系統(tǒng)。虛擬仿真實驗室的建成，形成了“礦山虛擬仿真實驗系統(tǒng)—相似材料模擬系統(tǒng)—巖石力學實驗系統(tǒng)—工業(yè)CT”實驗教學體系，系統(tǒng)的向?qū)W生展示了“工程現(xiàn)場—實驗室尺度—微觀變形”之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學生將現(xiàn)場問題轉(zhuǎn)換到實驗室進行分析的思維方式。有利于學生對專業(yè)課理論知識進行梳理，提高專業(yè)課教學效果。

3.2 改善采礦工程實驗教學條件

教學技術(shù)的發(fā)展推動著教學方式的變革。建成的虛擬仿真實驗教學管理和開放共享平臺，能夠?qū)W生的線上虛擬仿真實驗進行全程管控。采礦工程虛擬仿真實驗教學資源開放管理平臺在校園網(wǎng)面向所有用戶開放，對校內(nèi)外展示虛擬仿真實驗教學信息。學生可在校園內(nèi)任意網(wǎng)絡接入點訪問平臺資源，不僅可以方便地利用平臺資源學習和開展實驗，還可以根據(jù)平臺上提供的器材自由搭建合理的綜合實驗項目。學生可以選擇在自由時間，開展自主實驗內(nèi)容，能夠調(diào)動學生的主觀能動性、激發(fā)學生的科研興趣，同時有效提高了設備的使用率。

3.3 鍛煉采礦工程教學隊伍

青年教師作為實驗室建設與開展科研工作的主力軍，同時擔負著教學與科研任務，全面的提升青年教師能力，能夠有效增強實驗室?guī)熧Y力量。

虛擬仿真實驗室的建設運行，有助于增強青年教師的知識儲備。礦山虛擬仿真實驗室具有綜合性、系統(tǒng)性的特點，青年教師在授課、科研過程中，能夠再次對專業(yè)知識體系進行梳理。因此，虛擬仿真實驗室在培養(yǎng)學生科研興趣的同時也提升了教師自身水平。虛擬仿真實驗室的建設運行，有助于提高青年教師的綜合能力。虛擬仿真技術(shù)同時融合了計算機技術(shù)、人機交互技術(shù)、人工智能等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)教學內(nèi)容的快速更新。這就要求青年教師對相關(guān)領(lǐng)域知識的學習不僅要有廣度還要有深度，提高個人的綜合能力。在此基礎上結(jié)合采礦工程專業(yè)教學、科研的實際需求，進行創(chuàng)新，并將創(chuàng)新成果應用在實驗教學中。

4? 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)是教學改革的前沿技術(shù)，在采礦工程專業(yè)實驗、實踐教學中引入虛擬仿真技術(shù)，能夠調(diào)動學生的主觀能動性，拓寬科技視野。同時虛擬仿真實驗室的建成，使礦工程專業(yè)實驗教學條件更優(yōu)越、實驗教學系統(tǒng)更加完善。

參考文獻

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