李少波 朱傳奇 王磊 胡浩

摘? 要：采礦工程專業(yè)課程是一門專業(yè)性、實踐性較強的課程。傳統(tǒng)的采礦工程專業(yè)實驗、實踐教學模式比較單一，缺乏真實感和互動性，實驗、實踐教學模式需要創(chuàng)新。為了提升教學水平和效果，基于虛擬仿真技術(shù)，建立采礦工程專業(yè)課程虛擬仿真教學系統(tǒng)，應(yīng)用到采礦工程實驗實踐教學中，為采礦工程專業(yè)課程提供實踐教學平臺。通過采用互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真技術(shù)進行線上實踐教學，可以實現(xiàn)較好的教學成果，不僅減少了教師、學生的工作量，降低了現(xiàn)場實踐的安全風險，而且還提高了教學效果和管理水平。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真? 采礦工程? 實踐教學? 系統(tǒng)

中圖分類號：TD80-4;G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（b）-0109-03

Application Research of Virtual Simulation Experiment Practice Teaching System in Mining Engineering

LI Shaobo*? ZHU Chuanqi? WANG Lei? HU Hao

（State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines， Anhui University of Science and Technology， Huainan， Anhui Province， 232001? China）

Abstract： The course of mining engineering is a professional and practical course. The traditional experimental and practical teaching mode of mining engineering specialty is relatively single， lack of authenticity and interaction， and the experimental and practical teaching mode needs innovation. In order to improve the teaching level and effect， based on virtual simulation technology， a virtual simulation teaching system for Mining Engineering courses is established and applied to the experimental and practical teaching of Mining Engineering， so as to provide a practical teaching platform for Mining Engineering courses. Through the Internet+ virtual simulation technology， online practice teaching can achieve better teaching results， not only reduce the workload of teachers and students， reduce the safety risks of field practice， but also improve the teaching effect and management level.

Key Words： Virtual simulation; Mining engineering; Practice teaching; System

采礦工程專業(yè)本科學生需要參加專業(yè)課程實驗教學以及現(xiàn)場生產(chǎn)實踐實習，然而，當前采礦工程專業(yè)課程實驗教學模式存在學生興趣低、互動性差、耗時長、費用高、安全性差等問題[1-2]，改進教學模式迫在眉睫。近年來，隨著科技的進步，虛擬仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各高校學科專業(yè)的實驗教學實踐中[3-6]，在實驗教學中表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。虛擬仿真是可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機模擬系統(tǒng)，虛擬仿真教學具有沉浸式、可互動、高效率、可重復、無危險、易共享等優(yōu)點，教師可以利用虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)新教學方法，提高教學水平和效果。

目前，虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)被越來越多專業(yè)如土木工程、巖石力學等應(yīng)用到實驗教學課程中，采礦工程專業(yè)也在探索虛擬仿真教學，取得了較好的效果，受到了高校專業(yè)課師生的關(guān)注和廣泛好評[7-10]。虛擬仿真技術(shù)不僅能很好地幫助高等學校教師開展實驗和實踐教學，同時可以推廣應(yīng)用到中小學教學課程中，具有高效率、可互動、節(jié)約成本、教學效果顯著的特點。

1? 采礦工程實驗實踐教學現(xiàn)狀與存在問題

1.1 采礦工程專業(yè)課程實驗實踐教學現(xiàn)狀

采礦工程是一門系統(tǒng)性、專業(yè)性、復雜性的工程，采礦工程涉及采煤、掘進、運輸、支護、通風等環(huán)節(jié)，采礦工程專業(yè)涉及煤礦開采、巷道掘進、巷道支護等專業(yè)，其中需要學習的專業(yè)理論課程包括《煤礦開采學》《井巷工程》等。目前實驗課教學方式主要是教師先講解課程實驗原理，然后講臺上示范實驗過程和儀器使用步驟，學生分組進行操作，得出實驗數(shù)據(jù)，填入實驗報告，學生動手參與的機會很少，互動性較差，教學效果不好。

現(xiàn)場實踐教學環(huán)節(jié)部分，學生需要在指導教師陪同下深入煤礦一線實地學習，目前實踐教學環(huán)節(jié)模式比較單一，主要是由于礦井一線條件比較復雜，進入一線采煤工作面后，基于學生安全考慮，學生在現(xiàn)場無法操作設(shè)備，僅僅是參觀，更不能互動，學習效果較差。

學習這門專業(yè)課程不僅僅要掌握理論知識，更需要培養(yǎng)學生的綜合能力，尤其是創(chuàng)新能力，但是目前采礦工程專業(yè)課程實驗實踐教學模型比較單一，學生興趣普遍不大，因此，教師在實驗、實踐學習環(huán)節(jié)更要創(chuàng)新方法，讓學生能夠互動參與到課程中，增加學生學習興趣，提高教學管理水平和質(zhì)量。

1.2 采礦工程專業(yè)課程實驗實踐教學存在的問題

1.2.1 教學模式比較單一

實驗室教學環(huán)節(jié)中，學生在指導教師講解后按照實驗要求開展實驗，一般采礦工程專業(yè)課程實驗教學是參觀模型，大部分是教師講解，學生聽課，實驗教學方法與實驗內(nèi)容相對單一，學生的學習興趣無法得到充分的調(diào)動。

1.2.2 學生參與感較低

采礦工程實驗課程的授課模式目前主要以教師為主、學生為輔，教師在講臺上講課、示范，學生被動地聽，簡單地模仿，教學過程中師生缺少交流、討論，沒有活躍的學習氛圍，學生要參與感較低。

1.2.3 安全風險大

現(xiàn)場實踐環(huán)節(jié)中，學生要深入煤礦一線實地學習，但由于目前礦井一線條件比較惡劣，基于學生安全考慮，且學生未經(jīng)過專業(yè)的培訓，面對井下復雜的環(huán)境，學生安全風險較大，因此學生僅僅能參觀，無法參與，更不能互動，學習效果較差。

2? 采礦工程專業(yè)課程虛擬仿真教學系統(tǒng)

2.1 虛擬仿真技術(shù)簡介

本校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。教師采用交互設(shè)備，模仿真實世界的實驗、實踐教學過程，學生佩戴3D立體眼鏡，通過操作VR手柄，仿佛置身于真實的操作環(huán)境中。

通過虛擬仿真實踐操作系統(tǒng)、動作捕捉系統(tǒng)，以人機交互方式進入虛擬場景，使學生親身體驗采礦全過程，以及在教師指導下通過動作捕捉系統(tǒng)包括3D立體眼鏡、VR手柄操控工作面大型機械設(shè)備如采煤機、掘進機等，互動性較好。

2.2 采礦工程虛擬仿真教學系統(tǒng)

采礦工程虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)依托高端的硬件設(shè)備環(huán)境，結(jié)合學校采礦工程專業(yè)課程設(shè)置與虛擬仿真實驗教學需求，提供多種不同的教學環(huán)境，為教學提供了一個高分辨率、寬視角的立體顯示環(huán)境，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)、虛擬仿真教學應(yīng)用平臺，用于完成各項教學工作。

根據(jù)采礦工程現(xiàn)場實際情況，通過LED小間距立體顯示系統(tǒng)、動作捕捉系統(tǒng)、虛擬仿真系統(tǒng)平臺、音響系統(tǒng)、集中式設(shè)備管理系統(tǒng)等建立采礦工程虛擬仿真教學系統(tǒng)，逼真還原礦井工業(yè)廣場、井筒、主要大巷、采煤工作面、大型設(shè)備如采煤機、掘進機等。

本系統(tǒng)實驗步驟步驟如下。

（1）登錄開放式虛擬仿真實驗教學平臺。系統(tǒng)提前分配教師及學生賬號，教師賬號具有管理員特權(quán)，可以實時掌握學生實驗進展情況。

（2）選擇進入虛擬仿真實驗項目。通過輸入賬號密碼進入系統(tǒng)后，選擇進入虛擬仿真實驗項目，目前已開發(fā)的實驗?zāi)K包括采煤工作面采煤機操作、掘進工作面掘進操作、采煤工作面超前支護等。

（3）選擇不同教學科目（包含地面廣場及井下采煤工作面、掘進工作面等）并使用鼠標、鍵盤，以及VR手柄、3D立體眼鏡進行操作，學習該教學科目內(nèi)容。

（4）根據(jù)提示要求進入情景教學。采礦工程虛擬仿真教學系統(tǒng)設(shè)置了情景教學，情景包括首次來到礦井實踐實習、首次進入采煤工作面等，對學生進行全方位指導，幫助學生完成教學任務(wù)。

3? 采礦工程虛擬仿真實驗實踐教學系統(tǒng)建立意義

通過建立采礦工程虛擬仿真實驗實踐教學系統(tǒng)，打破了傳統(tǒng)教學模式，創(chuàng)新了教學方法，對采礦工程專業(yè)課程實驗教學具有積極的意義，主要意義如下。

3.1 拓展實驗實踐空間和時間

虛擬仿真實驗?zāi)軌虺浞掷没ヂ?lián)網(wǎng)和采礦工程數(shù)值虛擬仿真軟件資源，彌補了傳統(tǒng)實驗、實踐教學的不足，極大地擴展了采礦工程實驗實踐的空間和時間，這種學習模式有著較大的優(yōu)勢。

3.2 豐富實踐教學模式

虛擬仿真實驗教學豐富了實驗的教學方法和實驗內(nèi)容，實現(xiàn)了采礦工程實驗和實踐教學的虛實結(jié)合?，F(xiàn)代虛擬仿真教學中，可以充分展示礦井工業(yè)廣場、各個井筒，使學生足不出戶便能學習到煤礦地面及井下各系統(tǒng)的配合及運作，增進學生對煤礦的全面了解。

3.3 提高學生學習主動性

通過虛擬仿真實驗實踐教學，使學生對采礦工作專業(yè)及日后從事的專業(yè)工作環(huán)境有了深刻、系統(tǒng)的理解，可增強學生對專業(yè)的認識，提高學生學習的主動性，為學生今后的工作打下堅實的基礎(chǔ)。

4? 結(jié)語

通過本虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，將采礦工程專業(yè)課程理論教學和實驗教學進行有機融合，將采礦工程專業(yè)理論、大型采礦設(shè)備操作和科研探索集成于虛擬仿真互動系統(tǒng)中，實現(xiàn)理論、實踐和創(chuàng)新的有機結(jié)合，實現(xiàn)理論學習、知識探索和科技探索的互補結(jié)合。本虛擬仿真系統(tǒng)使得采礦工程這門復雜、系統(tǒng)的學科能夠直觀、立體地展示在學生眼前，有利于培養(yǎng)學生的知識綜合應(yīng)用能力及分析問題和解決問題的能力，激發(fā)學生學習的主動性和創(chuàng)造性，提高學生的學習積極性和學習效率。

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