基于虛擬礦井建設的采礦工程學科實驗教學方法探討

劉欽節 楊科

摘 要 實驗教學在培養學生實踐動手能力和創新思維訓練等方面具有重要意義。本文針對安徽理工大學采礦工程學科現有實驗條件及實驗教學現狀，總結分析了實驗教學過程中的一些問題與不足，探討了一種基于虛擬礦井建設的采礦工程學科實驗教學方法。該方法通過構建興趣驅動的游戲般的實驗環境，使互動媒體實驗教學與課堂理論教學相統一，挖掘學生的自主性、探索性和創新性，循序漸進地培養具有實踐能力強、素質高、創新型的高素質人才，可為相關專業實驗教學體系改革提供重要借鑒。

關鍵詞 實驗教學 虛擬礦井 采礦工程

中圖分類號：G424文獻標識碼：A

Study on Experimental Teaching Methods for the Mining Engineering

Disciplines based on Virtual Coal Mine Construction

LIU Qinjie， YANG Ke

（School of Mining and Safety， Anhui University of Science and Technology， Huai'nan， Anhui 232001）

Abstract The experimental teaching methods have great significance in cultivating students' practical ability and creative thinking training. In view of the experiment conditions and existing shortcomings in experiment teaching of Anhui University of Science and Technology， the authors put forward a tentative experiment teaching method based on virtual coal mine construction for mining engineering college students. Aiming to impart professional experiment knowledge and to improve students' innovation capability， this method integrates the interactive media experiment teaching process to in-class theory teaching， excavates students' autonomy， exploration and innovation abilities， by constructing the interest driven game-like experiment environment， which can provide an important reference for the reform and further research on relevant disciplines experimental teaching methods.

Key words experimental teaching; virtual coal mine construction; mining engineering

實驗教學活動，是大學生學習知識、訓練技能、培養創新思維、鍛煉實踐動手能力的一個重要環節，在全面推進采礦工程專業人才素質教育過程中具有十分重要的意義。①而目前采礦工程專業大學生的培養仍局限于課堂講授和陳舊模型的觀摩，不僅實驗教學環境單一、互動環節薄弱，而且不能充分調動學生積極性和探索性，無法保證相關教學質量。

為了有效改善采礦工程學科專業課程實驗教學的效果，充分調動學生學習專業課程的自主性、探索性和創新性。本文結合安徽理工大學采礦工程學科現有實驗條件及相關教學現狀，總結分析了實驗教學過程中的一些問題與不足，探討了基于虛擬礦井建設的以任務為目標、興趣為驅動的采礦工程學科實驗教學方法。

1 安徽理工大學采礦工程學科實驗教學現狀

安徽理工大學采礦工程學科充分認識到實驗教學在培養學生實踐能力和創新能力方面具有的重要作用，為此，嚴格按照專業培養計劃，建立了利于培養學生實踐能力與創新能力的實驗教學體制，組建成立了多個省部重點實驗室、研究中心、大學生創新實踐基地等，為學生開展課外科技創新實踐活動提供了一個良好的軟硬件環境，逐漸形成了圍繞培養學生實踐動手能力和創造思維構建采礦工程專業實驗課程體系，建立完整的實驗教學質量保障體系。然而，由于目前普遍以“厚基礎、寬口徑”為辦學指導思想，加之教學內容更新慢、教學方法模式化、教學環境單一等因素的制約，致使采礦工程學科實驗教學過程尚存在一些問題與不足，②③如：

（1）投資大，運行成本高。采礦工程學科，建設一個系統完備的專業實驗室，至少需要花費數百萬。此外，實驗過程中的能源、物料及不可避免的儀器設備的損壞消耗巨大。

（2）運行效率低、總體利用率不高。實驗設備通常是按照預先設計的實驗目的購置的，能夠支持的實驗內容比較單一，同時受益學生有限，而且在2次實驗之間，處于閑置狀態，總體利用率相對較低。

（3）教學形式相對單一，缺乏完善的統籌與安排，計劃性不強，針對性較弱，不能充分調動學生的積極主動性。

（4）實驗資源不足，不能滿足廣大學生的實際需求，在很大程度上抑制了學生參與實驗教學活動的積極性和主觀能動性。

（5）現有模型陳舊、展示手段單一、更新效率低，阻礙了采礦工程專業學生實踐創新能力的培養。

2 基于虛擬礦井建設的采礦工程學科實驗教學方法的提出

采礦工程專業教學的首要任務是培養學生對礦山實體與工程視圖之間的一種形象思維和邏輯思維能力。然而，由于缺乏現場認識，學生們難以想出書本上呆板圖形所要表達的礦山巷道形狀、結構特征及其相互之間的空間關系。

如果能夠利用近年來迅速發展起來的虛擬樣機技術構建一個“五臟俱全”的礦井生產環境，分別利用聲音、圖形、圖像、動畫和實物照片等多角度多方位地沖擊學生的感官神經，可以極大地吸引學生的注意力、提高實驗教學效率。同時，通過三維游覽和興趣驅動的游戲模式表達出傳統教學手段無法描述的現象和規律，使學生從不同角度觀察各種井巷、硐室等的結構形狀和空間位置關系，而且還可以針對不同的教學內容和教學目的，帶領學生在虛擬生產礦井中游覽每個井筒、巷道和硐室，使學生身臨其境、切身感悟，不僅可以大大增強學生對抽象事物的感受能力，而且還能有效激發學生的學習興趣，促使學生充分發揮主觀能動性，達到一個良好的教學效果。④

基于此，本文綜合利用虛擬現實技術、仿真技術、計算機圖形圖像技術等生成逼真的“虛擬礦井建設”實驗場景，按照采礦工程專業畢業生在從事工作后的實際晉升途徑，分別設計出工作崗位角色和工作任務，并配備必要的設備、儀器和工具，讓同學們在虛擬情境中完成自己未來崗位的工作任務，并獲得晉升及獎勵，促使學生進行更深層次的實踐動手操作。不僅可以提高學生的實驗積極性，而且可以得到許多在常規實驗中難以實現的效果和實驗現象。

3 基于虛擬礦井建設的采礦工程學科實驗教學方法的構建

通過構建基于興趣和任務驅動的囊括礦井工業廣場、完整地面生產系統、井筒及提升運輸設備、井底車場（包括中央變電所、水泵房、水倉、煤倉、轉載硐室、炸藥庫、充電硐室等）、測風站、掘進工作面（綜掘、炮掘）、采煤面（炮采、普采、綜采等）功能完善、配套齊全的大型綜合虛擬礦井建設的實驗場景，不僅可以形成獨特的實驗教學體系，而且能夠讓學生對煤礦生產各系統、各環節進行掌握和實踐操作，便于激發他們奮發向上的精神和珍惜熱愛生活的態度。具體構建方法為。

（1）分析當代大學生的求新、求異、個性化的需求，探討一種新型的基于興趣驅動的采礦工程學科虛擬實驗方法，讓學生在虛擬的“礦井建設”環境下完成自己的專業實踐訓練，通過構建興趣驅動的游戲般的實驗環境，使互動媒體實驗教學與課堂理論教學相統一。

（2）總結分析我國現有虛擬實驗在硬件裝備、軟件配置等方面的現狀，收集整理學生、實驗教師等對虛擬實驗教學的評價，明確采礦工程專業學科“虛擬礦井建設”實驗可行性;

（3）綜合利用虛擬現實技術、仿真技術、計算機圖形、圖像技術等虛擬現實技術構建采礦工程學科實驗教學場景實現方法。

（4）基于虛擬礦井建設的實驗教學體系建設，主要內容包括。

①人物角色設計及其晉升體系：以大學生畢業后從事礦業生產工作的實際職稱系列或管理系列為依據設定相應的角色。

②角色任務分配及獎懲辦法;根據采礦工程行業各職稱系列人員所從事的具體工作內容設計出虛擬礦井建設過程中各角色的任務。通過本部分內容的學習，可使學生們明確自己以后的實際工作內容和所需要的專業知識，進而明確大學期間需要掌握的專業知識。

③實驗道具設計，即虛擬礦井建設所需的設備、儀器、系統及工具等，使學生們掌握采礦生產過程中的設備配套、功能原理及其操作方法，并加深相關作業的工藝過程和關鍵環節控制等專業知識。

④角色身份及相關裝備的獲取途徑及條件設計：基于現有職稱晉升標準，制定出虛擬礦井建設中各角色任務的晉升條件，使學生們對于自己未來的成長方式有個大致的了解，從而準確把握大學期間的任務和目標。

⑤基于計算機虛擬現實技術，生成逼真的實驗情境，使學生在該情境中借助必要的道具對實驗對象進行操作，實現“虛擬身份”的真實體驗。

4 結語

采礦工程學科是一門實踐性很強的學科， 對于學生的三維空間想象力、多學科協調配合的能力和較強的實踐動手能力等要求較高。本文探討了基于虛擬礦井建設的實驗教學方法，為實驗教學提供一種嶄新的技術手段和改革方向，不僅有助于提高專業課程的學習成效，并循序漸進地培養具有實踐能力強、素質高、創新型的高素質人才，而且通過虛擬現實中的職業生涯規劃與預演，對于培養學生奮發向上的精神和珍惜、熱愛生活的態度具有重要意義。

資助項目：安徽理工大學校級教研項目（2014JYXM035）

注釋

① 楊德傳.采礦專業本科生工程實踐性教學探討[J].科技信息，2011.20：441-442.

② 劉欽節，王文.關于提高采礦工程專業課程教學質量的思考[J].黑龍江科技信息，2012.36：201-201.

③ 韓磊，楊科.采礦工程三維可視化虛擬實驗室建設[J].實驗技術與管理，2011.28（6）：211-213.

④ 張能福，何新礦，閻旭騫.虛擬現實技術及其在采礦中的應用[J].金屬礦山，2002（11）：23-25.