基于云空間技術的煤礦機電設備操作的虛擬實景教學研究

劉月琴 張玉梅 胡春芳

【摘要】本文為了解決煤礦機電設備操作實踐教學的困境，利用虛擬仿真現實環境進行教學，基于云空間、互聯網、3D虛擬交互技術等，將礦井中的煤礦設備的工作過程虛擬再現，這樣大大提高了教與學的質量，由此弘揚了高職特色、培養了學生職業能力，同時對推動高職教學改革也具有重要意義。

【關鍵詞】云空間技術 煤礦機電 設備操作 虛擬實景

【基金項目】內蒙古自治區高等教育科學研究“十三五”規劃項目（NGJGH2016208）；內蒙古自治區高等高校創新創業教育科學研究項目：煤礦機電設備操作虛擬實景教學的優勢與應用研究；內蒙古機電職業技術學院高等教育研究課題（NJDZJRW1807）。

【中圖分類號】G710 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）46-0197-02

從虛擬現實技術提上日程，發展迅速，2018年1月工業和信息化部、國家發展和改革委員會正式印發的《信息產業發展指南》中將支持虛擬現實產品研發及產業化作為發展重點，未來將建立虛擬現實產業發展公共服務平臺，探索開展在設計制造、健康醫療、文體娛樂等領域的應用示范。

一系列的政策密集出臺，將虛擬現實放在了超前發展的戰略位置，從中也可以窺探虛擬現實在我國經濟發展中的戰略定位及產業路徑。職業教育是推動產業發展的前提，所以應該抓住關鍵時機，利用虛擬現實技術改革教學方法和模式，促進我國虛擬現實產業生態，正當其時。

一、煤礦機電設備操作實踐教學的困境及其解決辦法

高職教育在結合社會和行業實際，為實踐教學創造了有利條件[1]，某些行業或專業的特殊性，例如煤礦機電設備的操作和采掘，圖1所示煤礦機電設備采掘過程中，讓大量學生直接進入工作現場進行實踐教學會給安全生產帶來很大隱患，而大量昂貴設備買進學校也不可能；當然這類高危行業企業進行培訓也存在同樣的問題。因此使進不去、看不見、難再現、多污染、高消耗、不安全、設施設備不足等高危實踐的教學和培訓成為一個難題。

著眼于上述難題，通過虛擬仿真現實環境進行教學和培訓，這樣既可實現立體化教學視角，又可實現虛擬化的實際環境[2，3]。特別是有礦山、煤炭類專業的職業院校，能夠深入現場的巖層和煤層內部，實現開采、設備操作、現場事故處理等。仿真實訓避免了設備損壞、人身安全和環境污染。對不可直觀展示的井下巷道空間位置及其關系進行三維直觀展示。它解決了實操實訓進不去、看不見、難再現、多污染、高消耗、不安全、設施設備不足等諸多難題；同時將趣味性、現場氛圍等融入教學和培訓中，創新出智能化、信息化、現代化的實訓環境[4-6]。

二、煤礦機電設備操作的虛擬實景的關鍵技術

1.環境建模技術，虛擬環境的建立是虛擬現實技術的核心內容，環境建模的目的是獲取實際三維環境的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。

以煤礦機電設備的工作過程為例，如圖1所示是礦井中的煤礦設備拆解演示，煤礦設備展現愈加形象、有直觀精巧的3D動畫，比本來單純的文字說明愈加形象、直觀。打破時刻、地域、空間的約束性。

2.系統集成技術，由于虛擬現系統中包括大量的感知信息和模型，因此系統的集成技術起著至關重要的作用。集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、識別和合成技術等。

3.感知技術，以計算機為工具，將現實世界在虛擬環境下再現的技術，為了解決虛實融合的問題，感知是需要攻克的核心技術。如何實現交互的準確和自然，除了傳統的觸摸屏、多點觸控之外，還包括語言識別、手勢識別、情感識別的關鍵技術都需要突破。

三、云空間平臺搭建

為了讓學生享受現有的教學資源，探索開展了煤礦井下操作領域的應用示范。利用云空間技術建立了虛擬現實公共服務云平臺，云空間平臺搭建如圖2所示。

步驟一：部署服務運行環境平臺。

步驟二：搭建運行服務器。部署源碼包，建立數據庫、表，調整配置文件。

步驟三：完成初始化安裝。根據網頁安裝向導進行安裝，將源碼包部署至網站目錄，部分源代碼見圖3所示。建立數據庫、表結構部分源代碼見圖4所示，然后編輯配置文件。

步驟四：完成初始化安裝。調整配置，訪問網站， 初始化用戶名通過注冊進入。

云平臺的搭建使虛擬教學資源全天開放，方便維護，完全不用擔心氣候、時間、人員的維護，僅需登錄網站即可查看。煤礦機電設備操作的虛擬實景教學將現實生產世界在虛擬環境下再現，以智能化、信息化、數字化的虛擬環境進行教學，學者似乎是身臨其境，對學習內容越來越興奮，越來越新奇。提高學生的學習興趣，促進教與學的互動性。

四、總結

煤礦機電設備操作這門課由于其所在專業的特殊性，必須通過虛擬實景的教學方法實現實踐教學環節，由此利用3D制圖軟件結合虛擬現實技術，虛擬再現了礦井中的煤礦設備的工作過程，基于云空間+互聯網技術，學生只要一個鏈接就能克服時空限制進行現場學習。這樣的教學大大提高了學生的學習興趣和教師的教學質量，同時對弘揚高職特色、培養學生職業能力、開展教學改革等具有重要意義。

參考文獻：

[1]周振軍，張慶秀，馬彥華.虛擬教學技術教學應用分析[J].內蒙古師范大學學報（教育科學版），2005（05）：102-104+130.

[2]張進.網上虛擬教學學習資源中心的建設[J].電化教育研究，2005（04）：77-80.

[3]王士勇. 虛擬現實技術在醫學教學中的應用研究[D].第二軍醫大學，2007.

[4]羅虹，王士勇.基于Virtools技術的虛擬教學系統的設計與實現[J].現代教育技術，2007（10）：57-60.

[5]韓軍堂，邊萌萌，王麗，劉劍，劉媛.一種基于仿真資源包的虛擬教學訓練系統設計與實現[J].計算機測量與控制，2015（08）：2813-2816.

[6]梁德福.三維虛擬仿真技術在汽車維修教學中的應用[D].深圳大學，2017.

作者簡介：

劉月琴（1977-），女，內蒙古察右前期人，內蒙古機電職業技術學院副教授，博士研究生。研究方向為機電一體化教學的智能化與信息化。

張玉梅（1971-），女，內蒙古呼和浩特市人，內蒙古機電職業技術學院實驗師，本科，研究方向為機電設備管理。

胡春芳（1966-），女，內蒙古巴彥淖爾市人，內蒙古機電職業技術學院副教授，本科，研究方向為機械制造與自動化。