虛擬仿真技術(shù)在采礦學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用初探

呂文玉+曾佑富

摘要：分析了虛擬仿真技術(shù)在采礦工程專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，針對(duì)傳統(tǒng)采礦學(xué)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了采礦學(xué)課程虛擬仿真教學(xué)方法，使學(xué)生把理論學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，更好地領(lǐng)會(huì)和掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)，旨在實(shí)現(xiàn)提高課程教學(xué)質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；采礦學(xué)；課程教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）01-0147-02

虛擬仿真教學(xué)是指利用計(jì)算機(jī)軟件和具體實(shí)物共同模擬出現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)場(chǎng)景，使學(xué)生處于一種虛擬的情境下進(jìn)行學(xué)習(xí)。該種教學(xué)方法可以利用接近于現(xiàn)實(shí)的工作場(chǎng)景進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)方法生動(dòng)形象，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和加深對(duì)知識(shí)的理解。采礦學(xué)是采礦工程專(zhuān)業(yè)的主干課程和重要的專(zhuān)業(yè)必修課。該課程應(yīng)用實(shí)踐性強(qiáng)，需緊密結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。將傳統(tǒng)的采礦學(xué)課程教學(xué)和虛擬仿真技術(shù)結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，使學(xué)生不受設(shè)備和場(chǎng)地的影響，能夠掌握更多的知識(shí)和技能，對(duì)于采礦學(xué)課程教學(xué)具有重要的意義。

一、虛擬仿真技術(shù)在采礦工程專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用

在采礦工程專(zhuān)業(yè)方面，東北大學(xué)針對(duì)采礦中圍巖巖體失穩(wěn)數(shù)值模擬計(jì)算、巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)和采礦工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)等所需的大型復(fù)雜實(shí)驗(yàn)用的物理設(shè)備價(jià)格昂貴，且維護(hù)費(fèi)用高和安全性差等缺點(diǎn)，建立了虛擬仿真教學(xué)中心，包括：采礦優(yōu)化設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、巖石破裂過(guò)程與大規(guī)模并行計(jì)算數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)室、礦山測(cè)量及數(shù)字礦山仿真實(shí)驗(yàn)室和安全環(huán)境及裝備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，用于服務(wù)于全校本科生教學(xué)和研究生的課題研究。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)構(gòu)建了“層次化、模塊化、多元化”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，即“理論學(xué)習(xí)、工程訓(xùn)練和科研活動(dòng)”3個(gè)模塊與“綜合與設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新與前沿仿真實(shí)驗(yàn)和演示仿真實(shí)驗(yàn)”3個(gè)層次，彼此相互交叉，融合滲透。建立了適合教學(xué)用的綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化管理和教學(xué)資源的智能化。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可以根據(jù)教學(xué)安排自由地選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)時(shí)間，自主地搭配實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而為提高采礦專(zhuān)業(yè)大學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力提供了一條新路。

二、傳統(tǒng)采礦學(xué)課程教學(xué)存在的問(wèn)題

采礦學(xué)課程主要以講述煤礦地下開(kāi)采為重點(diǎn)，包括煤礦開(kāi)采的基本理論、采煤方法、礦井開(kāi)拓和準(zhǔn)備方式以及開(kāi)采設(shè)計(jì)的主要方法和基本原理，目的是使學(xué)生能夠?qū)γ旱V開(kāi)采的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、生產(chǎn)系統(tǒng)和開(kāi)采方式有一個(gè)比較全面和系統(tǒng)的了解。由于采礦學(xué)課程教學(xué)中存在實(shí)踐性強(qiáng)、交叉性強(qiáng)、內(nèi)容概念多和時(shí)空關(guān)系強(qiáng)的特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)教學(xué)存在以下難點(diǎn)：

1.采礦學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐性很強(qiáng)，學(xué)生因?yàn)闆](méi)有現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于采煤機(jī)械的操作過(guò)程，例如采煤機(jī)割煤、裝煤、掛板輸送機(jī)運(yùn)煤、移架、掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)和錨桿支護(hù)等過(guò)程缺少認(rèn)識(shí)。

2.采礦學(xué)中重要的是巷道布置圖，且都是由平剖面圖組成的，由于學(xué)生缺少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的認(rèn)識(shí)，使對(duì)圖紙物化成為一個(gè)立體圖變得十分困難。

3.采礦學(xué)研究的對(duì)象之一是煤礦的生產(chǎn)系統(tǒng)，其中大的生產(chǎn)系統(tǒng)又包含很多子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)又需要依靠于礦井巷道系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，使得在教與學(xué)過(guò)程中理清各個(gè)系統(tǒng)之間的關(guān)系變得很困難。

4.采礦學(xué)課程研究?jī)?nèi)容之間具有獨(dú)立性，同時(shí)也具有依存性。使得教與學(xué)存在很大的難度。

三、采礦學(xué)課程虛擬仿真教學(xué)方法

針對(duì)采礦工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)現(xiàn)實(shí)和專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，利用虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于采礦學(xué)課程教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)建立煤礦地下開(kāi)采虛擬仿真系統(tǒng)，將教學(xué)中存在的難點(diǎn)重點(diǎn)內(nèi)容通過(guò)演示的方式實(shí)現(xiàn)虛擬和仿真化，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解和掌握。

1.創(chuàng)建和完善煤礦開(kāi)采虛擬仿真系統(tǒng)。在采礦學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中，采用一或者多種教學(xué)方法結(jié)合，使學(xué)生沉浸于學(xué)習(xí)過(guò)程中。為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)煤礦開(kāi)采的認(rèn)識(shí)和理解，針對(duì)我國(guó)煤礦地下開(kāi)采的特點(diǎn)，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)礦山巷道的特點(diǎn)，對(duì)所有巷道分類(lèi)和功能逐一展示給學(xué)生，共同構(gòu)建煤礦地下開(kāi)采巷道虛擬仿真。主要講述的巷道包括：開(kāi)拓巷道（井筒、井底車(chē)場(chǎng)、水倉(cāng)、中央變電所和大巷等）、準(zhǔn)備巷道（上下山、采區(qū)變電所和采區(qū)車(chē)場(chǎng)等）、回采巷道（運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷和開(kāi)切眼）、井筒方式（立井、斜井、平硐）和巷道分類(lèi)（煤巷、巖巷和半煤巖巷道）等。根據(jù)巷道的用途以及圍巖等因素綜合考慮，將以上內(nèi)容相互聯(lián)系、交叉布置，統(tǒng)一構(gòu)成整個(gè)巷道系統(tǒng)。煤礦地下開(kāi)采重要的一部分是礦井的生產(chǎn)系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的教學(xué)中是通過(guò)平剖面圖體現(xiàn)，學(xué)生理解困難。通過(guò)虛擬仿真環(huán)境可以使學(xué)生對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生立體式的認(rèn)識(shí)，提高教學(xué)效率。主要生產(chǎn)系統(tǒng)包括：運(yùn)煤系統(tǒng)、運(yùn)料系統(tǒng)、排矸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和排水系統(tǒng)等。可以通過(guò)平面展示利用不同顏色的箭頭表示不同的生產(chǎn)系統(tǒng)，輔以立體圖像演示。利用動(dòng)態(tài)的虛擬仿真技術(shù)替代靜態(tài)的圖片教學(xué)，可以讓學(xué)生在場(chǎng)景和聲音的引導(dǎo)下，了解采煤工藝和巷道掘進(jìn)的全過(guò)程。采煤工藝包括：采煤機(jī)割煤、移架、推掛板輸送機(jī)等過(guò)程。巷道掘進(jìn)按照掘進(jìn)方式不同，分別演示巷道爆破的基本工序，親身體驗(yàn)炮眼的設(shè)計(jì)和布置工作，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬向?qū)W生展示爆破效果。以及綜合機(jī)械化掘進(jìn)機(jī)作業(yè)工序，讓學(xué)生自主操作，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)。在仿真系統(tǒng)中，考慮巷道類(lèi)型和功能，分別展示選用金屬支架支護(hù)、錨桿支護(hù)及聯(lián)合支護(hù)等支護(hù)方式和支護(hù)效果。采煤方法是采礦學(xué)課程中重要的一部分，傳統(tǒng)的教學(xué)只能依靠教師講述、平剖面圖和固定模型進(jìn)行講解，無(wú)法達(dá)到滿意的效果。因?yàn)橹袊?guó)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，采煤方法多種多樣，通過(guò)傳統(tǒng)講述，學(xué)生很容易弄混，理解不清。通過(guò)虛擬仿真環(huán)境，可以使學(xué)生猶如處于煤礦生產(chǎn)中，可以加深對(duì)采煤方法的理解和認(rèn)識(shí)，并能在學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題。采煤方法的內(nèi)容包括：?jiǎn)我蛔呦蜷L(zhǎng)壁采煤法、傾斜長(zhǎng)壁采煤法、放頂煤采煤法等。利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的煤礦地下開(kāi)采系統(tǒng)，使用計(jì)算機(jī)，圖文并茂，能夠打破時(shí)空限制，一方面可以將采煤生產(chǎn)過(guò)程通過(guò)立體形式展示出來(lái)，另一方面可以較大范圍的將不可見(jiàn)空間直觀展示出來(lái)，提高學(xué)生的感知水平和學(xué)習(xí)興趣。

2.探索采礦學(xué)課程虛擬仿真教學(xué)模式。該模式由“課程導(dǎo)入”、“制定計(jì)劃”、“實(shí)施計(jì)劃”和“總結(jié)完善”四個(gè)環(huán)節(jié)組成：（1）在“課程導(dǎo)入”環(huán)節(jié)，主要包括二個(gè)內(nèi)容：一是借助虛擬仿真系統(tǒng)，導(dǎo)入教學(xué)任務(wù)及計(jì)劃目標(biāo)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)前有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)；第二是利用虛擬仿真環(huán)境，讓學(xué)生明確自己需要完成的具體任務(wù)以及可以得到的知識(shí)和達(dá)到的水平。（2）在“制定計(jì)劃”環(huán)節(jié)，首先通過(guò)分析該課程的任務(wù)目標(biāo)，確定任務(wù)所涉及的各種要素，基于虛擬仿真系統(tǒng)，明確教學(xué)任務(wù)的實(shí)施步驟，制定出具體的教學(xué)方案，做好課程講授前的準(zhǔn)備工作。（3）在“實(shí)施計(jì)劃”環(huán)節(jié)，教師借助虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。（4）在“總結(jié)完善”環(huán)節(jié)，根據(jù)虛擬仿真教學(xué)過(guò)程中的學(xué)生反饋，查找問(wèn)題，邊教學(xué)、邊總結(jié)，不斷改進(jìn)教學(xué)方法和方案。endprint

3.堅(jiān)持“以學(xué)生為主體，教師加以引導(dǎo)”的方針。在采礦學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中，堅(jiān)持“以學(xué)生為主體，教師加以引導(dǎo)”的方針。教學(xué)中教師應(yīng)尊重學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，盡量避免講述內(nèi)容的理論化，做到理論與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生在虛擬的生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)境中，體會(huì)理論的重要性，提高教學(xué)效率。使學(xué)生參與到煤礦生產(chǎn)和技術(shù)改進(jìn)的過(guò)程中，通過(guò)全新的教學(xué)環(huán)境和模式，使學(xué)生從被動(dòng)接受變?yōu)橹鲃?dòng)獲取，從而培養(yǎng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，理解煤礦生產(chǎn)的內(nèi)涵。通過(guò)理論學(xué)習(xí)，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中不斷發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。在學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程中，教師要對(duì)重要的問(wèn)題予以指導(dǎo)解答，引導(dǎo)學(xué)生去利用所學(xué)知識(shí)來(lái)參加實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)學(xué)思結(jié)合和實(shí)現(xiàn)理想現(xiàn)實(shí)一體化，從而挖掘出學(xué)生的學(xué)習(xí)潛力，力爭(zhēng)使學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐能力得到提高。

4.培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力。采礦學(xué)課程教學(xué)除向?qū)W生傳授專(zhuān)業(yè)知識(shí)外，還培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。在虛擬仿真環(huán)境中，可以將學(xué)生分為幾個(gè)小組，使不同的學(xué)生負(fù)責(zé)不同的模塊。例如在煤礦開(kāi)采工藝中，可以使不同的學(xué)生負(fù)責(zé)采煤、推掛板輸送機(jī)和移架工作，鍛煉學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力。要求學(xué)生在實(shí)施過(guò)程中記錄存在的問(wèn)題，進(jìn)行總結(jié)分析。學(xué)生通過(guò)不同的分工參與到整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高對(duì)煤礦生產(chǎn)過(guò)程的理解。

在了解傳統(tǒng)采礦學(xué)課程教學(xué)存在的問(wèn)題基礎(chǔ)上，可通過(guò)堅(jiān)持以“學(xué)生為主體，教師加以引導(dǎo)”的方針、建立和完善煤礦開(kāi)采虛擬仿真系統(tǒng)、改進(jìn)教學(xué)方法和培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，充分發(fā)揮教與學(xué)兩個(gè)方面的積極性和創(chuàng)造性，最終實(shí)現(xiàn)提高采礦工程專(zhuān)業(yè)采礦學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的目的。

參考文獻(xiàn)：

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[2]徐永圻.煤礦開(kāi)采學(xué)[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

Abstract：Based on the analysis of application of virtual simulation technology and problems in mining course teaching，the virtual simulation teaching method was proposed，which lets students combine theory study with production practice，better understands and masters professional knowledge and achieves the purpose of improving teaching quality.

Key words：virtual simulation；mining；course teachingendprint