侯運(yùn)炳 楊大鵬 張勇 孫振明

摘要為推進(jìn)采礦工程專業(yè)教學(xué)內(nèi)容、方法、技術(shù)、手段及實(shí)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(shí)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(xiàng)目。同時(shí)研發(fā)線上采礦虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)習(xí)難、實(shí)習(xí)及教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果不佳的教學(xué)難題，改變了傳統(tǒng)的礦山實(shí)習(xí)模式和采礦工程實(shí)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(shí)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(shí)習(xí)基地 地下煤礦 露天煤礦

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(qiáng)、礦井（山）生產(chǎn)特色顯著和實(shí)踐性要求高的特點(diǎn)，礦山認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)及課堂實(shí)踐教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐是重要的實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)環(huán)節(jié)，礦山智能化開采對(duì)采礦工程專業(yè)教學(xué)實(shí)踐提出了更高要求。由于實(shí)驗(yàn)室無(wú)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?yàn)槭芪ｋU(xiǎn)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(wú)法提供充分的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐條件，長(zhǎng)期以來(lái)一直存在礦山實(shí)習(xí)難、礦山實(shí)習(xí)及教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果不佳的教學(xué)難題。

深化人才培養(yǎng)過(guò)程中的教學(xué)改革、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是國(guó)家實(shí)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(guó)家極為重視虛擬仿真等信息技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的改革作用，2013年，教育部決定開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，2017年，教育部啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作，有力促進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)水平的提高。[1]

為進(jìn)行采礦工程專業(yè)教學(xué)內(nèi)容、方法、技術(shù)、手段及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式的改革，根據(jù)專業(yè)教學(xué)特點(diǎn)和存在的問(wèn)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(jìn)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(duì)于加強(qiáng)學(xué)生實(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)交互為主要功能的高水平虛擬仿真硬件實(shí)驗(yàn)室。采用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，建設(shè)虛擬仿真硬件平臺(tái)，為采礦三維虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)提供虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)交互為主要功能的采礦虛擬仿真數(shù)字媒體教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。[3]

（3）建設(shè)地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦虛擬礦山實(shí)習(xí)基地。礦山認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)是采礦工程專業(yè)極其重要的實(shí)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(shí)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(shí)間內(nèi)也無(wú)法系統(tǒng)學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)，學(xué)生實(shí)習(xí)成本也很高，這些客觀因素給現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)造成很大困難。發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(xiàng)實(shí)驗(yàn)、知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)的要求，同時(shí)能滿足學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)對(duì)礦山開采整體結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝學(xué)習(xí)實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，建設(shè)成三個(gè)礦井（山）虛擬實(shí)習(xí)基地。

（4）建立系統(tǒng)的模塊化三維虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目體系。根據(jù)培養(yǎng)方案和課堂教學(xué)對(duì)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(jìn)一步劃分采礦虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)項(xiàng)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(shí)習(xí)內(nèi)容要系統(tǒng)完整并和課堂教學(xué)內(nèi)容有機(jī)聯(lián)系，有重點(diǎn)詳細(xì)的作業(yè)環(huán)境、工藝流程、實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)和知識(shí)點(diǎn)的三維逼真仿真展示過(guò)程，學(xué)習(xí)結(jié)束對(duì)學(xué)生掌握程度進(jìn)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(hù)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(duì)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(wèn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目，建立PC端網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(kuò)大受眾面。

2地下煤礦三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)和虛擬實(shí)習(xí)基地

以實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)模型，建成地下煤礦三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)和虛擬實(shí)習(xí)基地，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的三維仿真教學(xué)功能。學(xué)生可以通過(guò)知識(shí)點(diǎn)展示、真實(shí)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(shí)踐內(nèi)容。[4]

3地下金屬礦三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)和虛擬實(shí)習(xí)基地

以實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)模型，建成地下金屬礦礦三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)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(shí)習(xí)基地

以實(shí)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(cè)、安全環(huán)保、排土場(chǎng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)模型，建成露天煤礦三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。[5]系統(tǒng)實(shí)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過(guò)沉浸式顯示和交互式操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)引導(dǎo)學(xué)生完成綜采放頂煤工藝實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)由場(chǎng)景認(rèn)知、設(shè)備學(xué)習(xí)、綜放工藝交互操作訓(xùn)練、實(shí)驗(yàn)考核4個(gè)部分，29個(gè)步驟組成。通過(guò)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(jī)的割煤、推刮板輸送機(jī)、移架、液壓支架放煤的整個(gè)作業(yè)過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生在對(duì)綜放理論知識(shí)掌握基礎(chǔ)上和對(duì)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(jìn)行割煤、放煤作業(yè)，模擬綜放工藝流程和工藝循環(huán)過(guò)程，系統(tǒng)掌握綜采放頂煤工藝技術(shù)知識(shí)，提高實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)用于大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。（2）線上虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目“綜采放頂煤虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)”，為面向全校所有專業(yè)開設(shè)的“采礦概論”提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)為全國(guó)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(shí)習(xí)基地進(jìn)行礦山認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)。和實(shí)際礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)虛實(shí)結(jié)合，極大提高了實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

7結(jié)論

長(zhǎng)期以來(lái)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(shí)習(xí)難、實(shí)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(shí)習(xí)基地的建立和應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的實(shí)習(xí)模式和方法，和礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)虛實(shí)結(jié)合，有助學(xué)生更系統(tǒng)全面扎實(shí)的掌握相關(guān)知識(shí)，極大提高實(shí)習(xí)效果和質(zhì)量，解決了長(zhǎng)期困擾教學(xué)的實(shí)習(xí)難題，促進(jìn)了礦山實(shí)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(shí)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(gè)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(xiàng)目，解決課堂教學(xué)無(wú)法立體真實(shí)感知、實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)代化礦井無(wú)法提供實(shí)驗(yàn)實(shí)踐條件的教學(xué)難題，提高教學(xué)效果和學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，改變了采礦工程專業(yè)傳統(tǒng)的教學(xué)模式，促進(jìn)了教學(xué)方法和手段的改革。

線上采礦虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)理念，同時(shí)打破了實(shí)踐教學(xué)時(shí)間和地域的限制，實(shí)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(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC0804303）

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