采礦工程虛擬仿真實驗教學體系建設與實踐

馬文頂，吳作武，萬志軍，屠世浩，張 源

（1.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 教務部，江蘇 徐州 221116）

煤炭行業走綠色、安全、高效之路的理念已經成為共識［1］，而這一理念的實現離不開大量基礎扎實、工程素養高、實踐與創新能力強的高級工程技術人才。目前，大學畢業生實踐創新能力的培養還存在以下突出問題：煤炭企業安全生產責任大、生產任務重，在企業進行實踐教學難度大；煤礦機械價格高昂、耗電驚人，實踐培訓成本高；煤礦生產條件復雜、事故隱患多、安全風險大，很多實驗難以采用傳統方式實現；綜合設計型和科研創新型實驗項目所需實驗設備無法滿足需要，傳統驗證型實驗教學項目的教學方法和手段已不能滿足需要。顯然，傳統實驗教學存在諸多不足之處，需要新的實驗教學手段予以加強和填補［2］。采礦工程虛擬仿真實驗教學在此情況下應運而生。礦業工程實驗教學中心針對采礦高危的極端環境，開采過程不可逆的操作，大型設備操作的綜合訓練高成本、高消耗等特殊情況，探索安全、可靠、直觀和經濟的實驗教學平臺，已是眾望所歸。在這種形勢下，我校成立采礦工程虛擬仿真實驗教學中心，并于2014年獲批為國家級虛擬仿真實驗教學中心（下稱中心）。

虛擬仿真實驗教學采用虛擬現實的軟件和模擬器，可以多次重復、安全環保、成本低廉、節約能源，在美、日、加、法、澳等發達國家得到普遍采用，我國很多行業如航空航天、汽車駕駛、醫學和材料等專業教學中也普遍采用虛擬仿真技術［3－6］。在采礦工程專業大學生實踐創新能力培養環節中引入虛擬仿真模式，并擴展到煤礦虛擬仿真實驗和企業實踐教學，不僅有助于學生對采礦專業知識的深入理解和掌握，學習實驗技能，培養科研創新意識，而且可以讓學生在實驗室熟悉煤礦機械操作，為企業實踐中有關技能培養打下堅實基礎，為學生實踐創新能力的培養提供有力的保障［7－8］。

1 虛擬仿真實驗教學體系建設

中心堅持學科建設與人才培養相結合、教學與科研相結合、理論教學與實驗教學相結合、虛擬仿真與真實實驗相結合的原則，構建了“模塊化、層次化、多元化”的虛擬仿真實驗教學體系（如圖1所示），即“理論教學、工程訓練、科研活動”3個模塊，“多空間多系統演示仿真實驗”、“綜合與設計仿真實驗”、“創新與前沿仿真實驗”3個層次，以及不同層次、不同模塊相互交叉、融合滲透，研究開發了大量虛擬仿真實驗項目，形成了常規實驗—虛擬仿真實驗—井下實景實驗并舉的立體化實驗教學新模式。

圖1 采礦工程虛擬仿真實驗教學體系

1.1 三個教學模塊

（1）“理論教學”模塊主要針對理論教學，將理論教學中的難點內容和演示性實驗項目虛擬和仿真化，強化學生對理論教學內容的理解和掌握；

（2）“工程訓練”模塊主要針對煤礦現場實踐，如通過現代化礦井漫游仿真，使學生獲得沉浸式煤礦實踐體驗，通過礦井災害再現仿真，使學生產生震撼性的安全教育，以及通過綜采（或綜掘）工作面工藝仿真及虛擬操作互動實訓，強化訓練學生實際操作能力；

（3）“科研活動”模塊主要結合教師科研與學科建設項目，通過學生參與完成部分內容，使學生得到科研方法和實驗技能方面的訓練。

1.2 三個實驗層次

（1）“多空間多系統演示仿真實驗”層次主要是演示性試驗，讓學生了解煤炭開采的基本過程及其常見問題的解決方法；

（2）“綜合與設計仿真實驗”層次則主要開展根據虛擬仿真實驗設備進行自由搭建和組合實驗項目；

（3）“創新與前沿仿真實驗”層次主要面向學科和行業發展前沿，讓部分學有余力的學生參與中心教師的科研項目，將科研項目研究成果轉化為虛擬仿真實驗教學資源。

不同模塊、不同層次相互交叉、融合滲透，形成多元化的虛擬仿真實驗內容，共同構成采礦工程虛擬仿真實驗教學體系。

2 虛擬仿真實驗教學資源與隊伍建設

2.1 虛擬仿真實驗教學資源建設

中國礦業大學采礦工程虛擬仿真實驗教學中心擁有的實驗教學資源包括多空間多系統演示仿真、綜合與設計仿真，以及創新與前沿仿真3個系列，每個系列包含多個實驗項目。根據實驗項目的目的和功能的不同，大致可以分為認知礦山、熟知礦山、安全礦山、綠色礦山等4個類別。中心根據科學規劃、資源共享的原則，統籌規劃科學研究、學科建設與虛擬仿真實驗教學中心建設，及時將學科建設和科學研究成果轉化為優質虛擬仿真實驗教學資源，形成了科研與學科建設和實踐教學相融通的機制。

（1）學科建設和科研成果轉化為虛擬仿真實驗教學資源。把“211工程”、“985工程”優勢學科創新平臺、江蘇省優勢學科建設工程、煤炭資源與安全開采國家重點實驗室建設和“973項目”、“863項目”、“支撐計劃項目”等國家重大科研項目建成的虛擬儀器設備向本科實驗教學開放，增設綜合性和創新性實驗項目。如“973項目”課題研究成果“礦震仿真及遠程監測監控平臺”，增設綜合性和創新性實驗項目4個；“863項目”研究成果“薄煤層自動化綜采工作面工藝”，增設綜合性和創新性實驗項目3個；“985工程”優勢學科創新平臺建設項目成果，增設“關鍵層在采動巖體運動中的控制作用虛擬仿真”、“保水開采數值模擬實驗”等綠色開采虛擬實驗項目5個。

（2）根據學科特色，自主研制虛擬仿真實驗平臺。根據學科前沿和行業發展最新成果，先后研制成功“現代化礦井漫游仿真平臺”、“綜采（綜掘）工作面工藝仿真及操作虛擬實訓互動平臺”、“綠色開采虛擬仿真平臺”、“安全教育培訓虛擬仿真平臺”等10多個虛擬仿真實驗教學平臺或系統；開發了“礦井生產系統仿真演示”、“巖層移動過程相似模擬仿真”、“綜合機械化開采工藝互動仿真”、“煤礦保水開采仿真”、“礦井突水災害再現仿真”等虛擬仿真實驗教學內容120多項。這些虛擬仿真實驗資源涵蓋了驗證型實驗、綜合設計型實驗和科研創新型實驗3個層次，以綜合設計型實驗和科研創新型實驗為主，極大地拓展了本專業虛擬仿真實驗教學范圍、豐富了虛擬仿真實驗教學內容。

（3）科研與學科建設和科研訓練相結合，多讓學生進入實驗室接受科研訓練。學生可以參加教師科研與學科建設項目、參與虛擬仿真設備建設等，在直接利用虛擬仿真實驗設備自主配置開展實驗的同時，學到了科研的基本方法，受到了科學精神的熏陶。如“現代化礦井生產系統虛擬現實模型”、“基于增強現實的巷道認知及礦壓實測實驗”、“瓦斯爆炸再現仿真系統”等許多虛擬仿真實驗項目就是學生在中心教師指導下參與完成的。在豐富虛擬實驗教學資源的同時，對于開闊學生視野、提升學生知識結構、培養學生的綜合設計和創新能力也起到了很大的推動作用。

中心已經形成了實驗室常規實驗—虛擬仿真實驗—井下實景實驗并舉的立體化實驗教學新模式。此外，中心配套建設了高效、便捷的實驗教學信息化管理平臺，實現了利用虛擬仿真設備自由搭建和配置組合開展綜合設計型和科研創新型實驗的目標，確保了創新人才培養過程中綜合設計型與研究創新型實驗、畢業論文、科研訓練實驗需要。

2.2 虛擬仿真實驗教學隊伍建設

采礦工程專業堅持理論教學與實驗教學相貫通，專業教師同時承擔專業課程教學和實驗課程教學；中心本著“引進急需人才、用好現有人才、穩定關鍵人才、培養年輕人才”的原則，制定了一系列實驗教師隊伍建設與管理措施。校企共建，聘請有實力的企業高級工程技術人才參與虛擬仿真實驗教學，形成了一支以院士為核心的老、中、青結合，專兼職結合，年齡和職稱結構合理，學術水平高，教學科研能力強的實驗教學隊伍，促進了中心的可持續發展。

青年教師是中心建設和可持續發展的主力軍，中心實施了青年教師隊伍實踐能力多渠道培養機制：

（1）為剛參加工作的青年教師聘請教學科研業績突出的教授作為教學導師，具體指導青年教師熟悉各教學環節、教學方法及教學手段；鼓勵青年教師進入礦山企業博士后工作站或到企業掛職鍛煉，培養教師的實踐能力；

（2）安排教師深入現場開展企業合作科研項目，提高創新實踐能力；

（3）加強校企合作，聘請企業兼職教師參加虛擬仿真實驗指導；

（4）注重教師學緣結構的改善和教師的國際化教育背景；

（5）根據青年教師科研方向和個人特長，有計劃地安排部分青年教師重點從事虛擬仿真實驗教學工作。

中心非常重視虛擬仿真實驗教學資源的開發工作，采礦工程學科設有采礦系統工程與數字礦山研究方向，以本方向教師為主研究開發了“礦井生產系統虛擬現實系統”、“礦震仿真及遠程監測監控平臺”、“綠色開采虛擬仿真平臺”等虛擬仿真實驗平臺，獲得多項軟件著作權。其他教師結合個人學科建設和科學研究成果，研發了大量虛擬仿真視頻資料，這些資料均已轉化為中心的實驗教學資源。

3 虛擬仿真實驗的教學平臺建設

采礦工程虛擬仿真實驗教學中心將現有虛擬仿真實驗教學資源整合到實驗教學資源開放管理平臺、數值模擬與仿真實驗平臺和工程實訓與安全培訓平臺等3個平臺運行。依托中國礦業大學數字化校園建設，建成了相應的信息化設備及網絡信息安全平臺，并確保虛擬仿真實驗教學平臺安全高效運行。

3.1 采礦工程實驗教學資源開放管理平臺

中心現有“采礦概論”、“礦山巖石力學”、“礦山壓力及其控制”、“巖層控制的實驗方法及實測技術”等課程的教學錄像，真實地重現了生產現場及實驗室實驗過程。中心建設了認知礦山、熟知礦山、安全礦山、綠色礦山4類虛擬仿真實驗教學資源，計算機再現了礦井生產系統及裝備、礦井開采方法及工藝、設備工作原理及使用過程、災害演變過程、礦壓觀測原理與測試技術等。這些教學資源均可由學生在采礦工程虛擬仿真實驗教學資源開放管理平臺上自行學習與自主使用。學生可以自主動手配置、連接、調節和使用這些虛擬機械設備及礦壓觀測儀器等開展綜采工作面、掘進工作面礦山壓力顯現觀測，或進行支護參數設計，以及其他與煤礦開采有關的實驗項目。

采礦工程虛擬仿真實驗教學資源開放管理平臺在校園網面向所有用戶開放，對校內外公布虛擬仿真實驗教學信息，提供虛擬仿真實驗教學平臺鏈接等相關服務。學生可在校園內任意網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，還可以根據平臺上提供的器材自由搭建合理的典型實驗項目。此外，虛擬仿真實驗教學資源開放管理平臺還具有信息發布、實驗數據收集分析、互動交流、成績評定、成果展示等功能。該平臺由專職人員管理及維護，確保信息安全與網絡暢通。

3.2 采礦工程數值模擬與仿真實驗平臺

數值模擬與仿真是采礦工程專業重要的研究方法之一，在計算機上通過數值計算和圖像顯示的方法，對工程問題進行仿真與推演，達到研究解決問題的目的。采礦工程虛擬仿真實驗室擁有ITASCA系列FLAC（FLAC3D）、UDEC（3DEC）、PFC2D（PFC3D），和FLUENT、ABQUES等數值模擬與仿真軟件，可以開展由于開采引起的巖層運動與礦壓顯現及其控制、巷道支護設計、采煤工作面支架選型設計等問題的研究，為采礦工程專業本科生和研究生培養提供了完備的虛擬仿真平臺。實驗室擁有可開展大型數值計算的服務器，并由專人維護、管理，保證教學、科研需要。

3.3 采礦工程實訓與安全培訓平臺

為了培養學生安全意識和動手能力，采礦工程虛擬仿真實驗教學中心利用虛擬仿真技術建立了采礦工程虛擬仿真實訓室，擁有可進行人機對話的礦壓實測實訓系統和煤礦主要生產設備操作培訓系統。礦壓實測實訓系統是在物理模型基礎上，利用虛擬現實技術拓展物理模型運動空間，通過安裝在物理模型上的實測儀器儀表測試礦山壓力，警示安全隱患。煤礦主要生產設備包括采煤機、掘進機、提升機等，實驗室所擁有的采煤機虛擬實訓操作教學系統、掘進機虛擬實訓操作教學系統、提升機虛擬實訓操作教學系統利用人機對話方式培訓學生對主要生產設備的安全操作技能。

4 虛擬仿真實驗教學資源的開放機制建設

4.1 虛擬仿真教學資源開放共享

4.1.1 面向行業高校的共享

中心努力促進實驗教學資源在全國煤炭等礦業院校的開放共享。中心建成的《采礦學》國家級精品資源共享課程；編寫的“巖層控制的實驗方法與實測技術”等3部實驗教材、16部實驗講義；研究開發的10多個虛擬仿真實驗教學平臺及虛擬仿真實驗項目等基本實現了行業高校共享。5年來，中心還為行業高校培養師資80余人、接受國內外學者進修40多人次、邀請國外專家實驗教學交流與示范教學20余次、主辦國際及全國性學術與教學研討會4次、煤炭高校實驗教學會議3次。

4.1.2 面向行業與社會服務

中心對有關中央企業總部及其下屬煤礦企業、省屬煤礦企業總部及其下一級煤礦企業的總工程師和副總工程師3 000多人進行了培訓。培訓主要內容包括煤礦礦長保護礦工生命安全7項規定、礦井開拓與開采、新型材料與礦用材料、沖擊礦壓災害防治、煤與瓦斯突出預測技術、礦井運輸與提升、礦山綠色開采技術及應用等。特別是中心建設的礦震虛擬仿真與遠程監控系統已在全國20多個礦區實現聯網，將現場數據通過網絡傳輸到該平臺后，經過擁有自主知識產權的虛擬仿真與軟件分析，對礦震進行預測與預警，實現學校與礦山的資源共享，為煤礦的安全生產提供預防與保障。

4.1.3 面向淮海經濟區的輻射

淮海經濟區處于江蘇、山東、河南、安徽的交界區域及長三角和環渤海經濟區之間，人口一億多，有高校45所，中國礦業大學處于淮海經濟區中心城市徐州，中心一直加強向周邊地區高校示范輻射作用。如接待淮海工學院、淮北煤炭師范學院、徐州師范大學、安徽理工大學，河南理工大學等高校的來訪交流，進行共建合作，每年舉辦一次淮海地區高校礦業類實驗教學研討會或中心主任交流會，舉辦實驗教師培訓班為本區域培養實驗教師25人，目前他們已成為各校的實驗教學骨干。

另外，中心鼓勵與支持教師勇于創新，注重教學與科研相結合，承接縱向科研項目、教改項目以及橫向科研項目。通過面向社會開放，開展技能培訓、考工考級、技術咨詢、產品開發、校企合作等，擴大了我校與各級政府和企業間的聯系，擴大中心在社會的影響，充分發揮了優質資源共享的作用。

4.2 虛擬仿真實驗教學效果

4.2.1 面向礦業類專業開設各類實驗課程

中心每年面向全校17個專業的6 180人次全日制本科生開設礦業工程類實驗課程，年實驗約13.5萬人時，并承擔本科生畢業論文、科技創新活動等。中心向全校及淮海經濟區大學生畢業設計、科研訓練、課外科技活動及各類創新競賽開放，年接待創新實踐學生數900多人次，為我校和區域內各級各類本專科學生實驗教學、創新實踐及區域經濟發展發揮著重要的實踐基地和實驗示范作用，有效地促進了我校各相關學科、專業的交叉、滲透、融合和發展。

4.2.2 面向行業和國內同類高校輻射

全國其他11所原煤炭部所屬高校及其他32所非煤院校也招收采礦工程專業學生，采礦工程虛擬實驗教學中心建設模式在這些院校中進行了推廣，中心的成果與資源對行業高校實現共享，在實驗教學研究與人才培養等方面得到國內外同行的肯定。近5年來中心多次接受來自中南大學、東北大學、重慶大學、新疆大學、河南理工大學、西安科技大學、山東科技大學、安徽理工大學、內蒙古科技大學、內蒙古工程大學、河北工程大學等高校教師的交流與觀摩學習。

4.2.3 培養和提升學生的綜合素質

經過中心堅持不懈的建設，進一步理順了實驗教學管理體制、整合資源、改革實驗教學體系、研究實驗教學內容、強化實驗教學方法和手段，為學生提供了更多、更好的發展自身綜合素質和創新能力的機會，帶動了一大批學生自覺參加到自主選擇實驗項目或教師的科研項目中去，推動了學生自主學習能力、綜合素質和創新能力的培養，實現了實驗教學指導思想的根本轉變，取得了良好的教學效果。

5 虛擬仿真實驗教學中心的特色與創新

采礦工程虛擬仿真實驗教學中心根據科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展的指導思想，創建了煤礦重大災害過程及不安全環境虛擬仿真實驗教學平臺、煤礦復雜環境下大型昂貴機械設備虛擬仿真實驗教學平臺和完備的虛擬礦井生產系統和虛擬仿真互動實訓平臺等3個虛擬仿真實驗教學平臺，破解了煤礦開采特種行業條件下安全生產要求和大規模學生實踐困難的矛盾問題，實現了資源共享，為礦業類大學生實踐和創新能力的培養創出了一條特色之路。

（1）創建了煤礦重大災害過程及不安全環境虛擬仿真實驗教學平臺。采用虛擬仿真技術，再現了煤礦瓦斯爆炸、瓦斯突出、煤塵爆炸、火災、冒頂、礦震、突水等安全事故以及其他不安全生產環境，強化了學生對煤礦安全事故的成因、經過和危害的認識和理解，產生了震撼性的煤礦安全警示教育效果。

（2）創新了煤礦復雜環境下大型昂貴機械設備虛擬仿真實驗教學平臺。將煤礦大型機械設備、礦壓監測儀器以及井下復雜環境虛擬仿真化，建成了虛擬煤礦機械設備和礦壓監測儀器，實現了大型昂貴機械設備和相關儀器的虛擬仿真操作、自由搭建與配置，豐富和拓寬了虛擬仿真實驗教學內容和范圍。

（3）建立了完備的虛擬礦井生產系統和虛擬仿真互動實訓平臺、礦井虛擬漫游系統和采掘工作面虛擬仿真互動教學系統，實現了生產礦井的全景透視和沉浸式漫游，以及煤礦機械設備的虛擬互動操作，開拓了學生視野，提升了學生綜合設計和創新能力。

6 結束語

采礦工程虛擬仿真實驗教學中心依托礦業工程國家級實驗教學示范中心，以培養大學生創新精神和綜合工程實踐能力為導向，引入計算機虛擬現實技術和數值模擬與仿真技術，建設了“模塊化、層次化、多元化”的虛擬仿真實驗教學體系和實驗教學資源，實現了虛擬仿真實驗教學資源的開放共享，以及智能化和網絡化管理，破解大學生實踐實訓和科研創新訓練難題。作為國內領先的虛擬仿真實驗服務平臺，中心需要更好地聚集效應，吸引更多的虛擬產品企業入駐、合作，共同托起培養煤礦創新人才的偉業。

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