金屬礦山巖石力學與安全開采虛擬仿真教學實驗中心建設與教學實踐

楊天鴻 張春明 于慶磊 朱萬成 張鵬海

摘要：傳統的實驗教學內容已經不適應新形勢對創新人才能力培養的要求，不能體現時代特色和新的教育觀念，缺乏理論聯系實際的有效方法。虛擬仿真實驗不但可以獲得與真實實驗相同的體會，而且可以規避真實實驗或操作可能帶來的各種危險，還可以打破時空限制。在保證教學效果的前提下還可以極大地節省成本，具有傳統實驗室難以比擬的優勢。通過金屬礦山巖石力學與安全開采虛擬仿真實驗教學中心的建設，我們對傳統的教學內容實施大刀闊斧的改革，在發展的過程中始終遵循“物理實驗與虛擬實驗并重”、“校內學習與校外實踐并重”、“科學研究指導教學實踐”、“理論學習與工程應用并重”的教學理念，走出一條產學研有機結合的新路。讓學生主動參與虛擬實驗的設計和開展創新型實驗，有利于創新人才能力培養，也有利于實現“教與學的互動、理論與實踐的結合、能力與興趣的共增”的教學目標。

關鍵詞：虛擬現實；虛擬仿真；實驗教學；金屬礦山；巖石力學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）17-0140-06

一、發展歷程

東北大學是一所以工科為主的多科性、研究型國家重點大學，是國家“211工程”、“985工程”和“雙一流”重點建設高校。資源與土木學院是東北大學重點建設的四大工科學院之一，現有四個一級學科博士點。目前學院形成了以采礦工程首批國家重點學科為龍頭，資源與土木兩大學科群為主體，七個學科協同發展的局面。由于計算機技術、多媒體技術、虛擬現實技術、人工智能技術、數據庫技術的快速發展為大型復雜采礦、巖土工程設計等提供了可靠、安全和經濟的實驗方法與手段，學校和學院近年來十分重視虛擬仿真實驗及實驗室的建設?！笆晃濉钡健笆濉逼陂g，累計投入建設經費2000余萬元，用于虛擬教學環境、虛擬實驗室條件、師資隊伍與實驗改革等方面的建設。經過多年的不懈努力和發展建設，我院建成了全國唯一的一個國家級金屬礦山巖石力學與安全開采虛擬仿真教學實驗中心。由于金屬礦山無論是采礦方法還是硬巖巖石力學特性明顯不同于其他礦山，因此本中心的建立對于學生認知金屬礦山復雜的采礦工藝和巖石力學性質具有重要的意義，也是對國家礦業工程一級學科建設的重要補充。

中心的發展歷程可大致分為四個階段，分別為探索與積累階段、初步建設階段、快速發展階段以及形成系統教學平臺階段，如圖1所示。

第一階段：探索與積累階段（1995—2004年）

東北大學金屬礦山巖石力學與安全開采虛擬仿真實驗教學中心始建于1995年，是資源勘查工程、采礦工程、測繪工程、工程力學、安全工程等專業教學、科研的重要基地。

1995年，王青教授歸國后建立起國內第一個礦山設計優化仿真系統，成為中心雛形建立的重要標志及成果。同時為中心下屬采礦優化設計虛擬仿真實驗室的建立奠定了基礎。隨后，在1996年，唐春安教授開發出國內第一個巖石破裂過程仿真系統軟件RFPA，為中心成立初期的重要成果。同時為中心下屬巖石破裂過程與大規模并行計算數值實驗室的建立奠定了基礎。

第二階段：初步建設階段（2005—2008年）

2005年，以逐漸完善的東北大學巖石破裂過程仿真模擬系統作為技術支撐平臺，中心先后在國內外10余所高校建立了巖體力學數值仿真教學中心和實驗室，不斷加強和其他高校合作的同時擴大了中心自身的影響力。2005—2006年，依托巖石破裂過程仿真模擬系統的《巖石破裂過程數值試驗》獲遼寧省教學成果一等獎。2006年，引進加拿大勞倫特大學礦山虛擬仿真系統，包括大屏幕被動立體虛擬現實系統硬件及GOCAD軟件，同時外派部分中心內人員赴加拿大培訓、進修。至此，中心內軟、硬件均已基本齊全，人員素質得到一定提升，中心水平得到了一次整體提升。

第三階段：快速發展階段（2009—2012年）

經過多年的積累與建設，中心已初具規模。在該階段，中心不斷加強教學模式上的創新，將虛擬仿真領域內的科研成果轉化為教學的重要輔助手段，幫助學生理解課程內容。

2009年，中心獲批遼寧省巖土力學與工程示范教學中心。2009—2010年，中心所授課程《巖石力學》獲省精品課。2011—2012年，中心先后與中視典數字科技有限公司、上海天域時捷信息系統有限公司以及上海華弓數字科技有限公司合作，對原有虛擬現實系統的軟、硬件進行了升級。2012年，中心所授課程《采礦學》獲國家級精品課。

第四階段：形成系統教學平臺階段（2013—2017年）

經過這一階段的發展，中心至2013年已形成了系統性的虛擬仿真實驗教學平臺，虛擬仿真成為教學的重要內容。2013年，建立東北大學—山東招金集團有限公司國家級工程實踐教育中心。2014年，中心所授課程《采礦學》獲國家級教學成果獎。2015年，東北大學采礦與巖土工程虛擬仿真實驗教學中心獲批省級虛擬仿真教學中心，為中心今后的發展提供了更好的契機。2016年，金屬礦山巖石力學與安全開采虛擬仿真實驗教學中心獲批國家級虛擬仿真教學實驗中心，我們以此為契機對中心軟硬件設施進行了大規模改造，并取得了預期成果。

二、系統構建

中心的虛擬現實系統設施建設要求具備前瞻性、實用性、穩定性、可靠性、先進性、經濟性、兼容性、靈活性和擴展性。

1.系統應用模式。中心的虛擬現實系統兼備教學演示和科研功能，支持多種顯示模式，包括：（1）大屏幕顯示模式：兩通道/單通道大型弧幕沉浸式主動立體虛擬現實系統提供了大屏幕立體顯示模式，而且對觀察位置沒有要求，適用于多人多角度觀看的工作模式要求。當需要播放演示文稿等非立體素材時，立體顯示模式會自動切換為平面顯示模式。（2）多窗口顯示模式：根據不同的應用需求，可將多臺計算機的輸出結果以開窗口形式在大屏幕上顯示。每次最多可開4個窗口，并且窗口大小、位置可任意調整；支持單屏、跨屏、多窗口疊加和跨通道顯示；可實現多路動/靜態信號窗口的縮放、移動、漫游等功能，并且窗口的顯示內容在不同分辨率下不發生變形。（3）交互操作模式：在立體顯示模式下通過人機交互設備，對虛擬場景進行虛擬交互操作，以主視點的角度來完成交互操作。通過中控系統可以實現幾種應用模式的一鍵切換，操作方便快捷。

2.系統整體設計。虛擬現實系統支持多通道立體和平面顯示，支持交互操作，能夠為教學和科研提供完整軟硬件支撐環境，其層次結構圖如圖2所示。

各部分組成描述如下：（1）主動立體投影顯示系統，包含：①高分辨率、高亮度、高清晰度、色彩還原逼真、能在室內正常照明環境下顯示清晰明亮圖像、刷新率達120Hz的主動立體激光投影機；②信號矩陣；

③支持主動立體融合，并且融合帶寬度可調，提供像素級別幾何校正，運行流暢，無卡頓的純硬件圖像融合處理器；④主動立體眼鏡；⑤用于在3D眼鏡與大屏幕之間實現精確同步，以便讓左右眼睛分別看到不同畫面的紅外發射器等。（2）圖形生成系統，其中網絡信號傳輸系統支持4路有線和無線網絡信號同時上屏顯示，可連接用戶數不低于40人。利用開窗口功能可抓取多路矩陣輸入信號顯示在大屏幕上。（3）人機交互系統，由控制主機、紅外捕捉攝像頭、三維交互手柄和眼點跟蹤標記點組成，可實現三維虛擬空間環境內與虛擬場景和物體的交互操作，并配有虛擬頭盔顯示系統。（4）音響系統，包括話筒、功放、音箱等，以滿足課堂演示和會議對聲音處理的要求。（5）中控系統，包括主機、強電繼電器、無線觸摸控制屏及無線路由器，可對投影機、矩陣、圖像融合處理器、燈光等進行集中控制。

3.實驗室布局設計。主實驗室占地約90平方米，其中東西向長15000mm，南北寬5900mm。一塊大型弧形硬幕將設備機房與其他區域隔離開來，余下空間根據虛擬現實系統功能和設備特點，經過精心規劃和科學安排，從前到后依次劃分為演示區、研發區、測試區和學生電腦區，如圖3、圖4所示。

其中演示區內的大型弧幕沉浸式虛擬現實系統可供實驗室內的師生遠距離觀看三維立體效果；演示區前方的空地可供穿戴無線頭戴式顯示器的師生使用。穿戴式虛擬現實設備可以提供更好的沉浸感和交互性體驗，缺點是一套設備同時只能供一人使用，受眾面小，且必須提供足夠的活動空間。將穿戴式虛擬現實設備與大型弧幕主動立體激光高清投影系統完美地結合，取長補短，使之互不干擾，可以大幅提升教學質量，取得事半功倍的效果；研究區用于學生開發虛擬現實應用程序，以便教學內容可以根據自身需要不斷更新，實踐訓練可以及時跟上技術的發展。研究區的每臺計算機均配備了有線頭戴式顯示器。由于有線頭戴式顯示器受線纜長度的約束，活動范圍有限，因此在其后方開辟測試區，供程序測試使用；學生電腦區支持以班級為單位同時進行虛擬仿真實驗，能夠滿足日常的課堂教學和虛擬仿真實驗要求。另外，教室后面還配備一臺會議投影機用于學術討論，可接駁矩陣和筆記本電腦輸出信號。

4.搭建虛擬仿真實驗教學網絡開放平臺（網站）。為了滿足虛擬仿真實驗教學和學生自主學習的需要，中心建立了金屬礦山巖石力學與安全開采虛擬仿真實驗教學網絡開放平臺，以解決虛擬仿真實驗教學資源的建設、整合、開放、共享問題，再輔之以虛擬化實驗應用管理、實驗學術資源共享管理、虛擬仿真實驗教學管理、實驗數據分析查詢系統，將“有限的實體實驗教學空間”拓展成為“無限的虛擬實驗教學空間”，實現虛擬仿真教學資源開放共享的目的。平臺提供了豐富的多媒體素材庫和三維模型庫，開設了采礦學等網絡精品課，實現網絡化的開放式教學和優質教學資源的深度共享。學生通過虛擬仿真實驗教學平臺進行注冊，獲取虛擬仿真教學資源，進行虛擬仿真訓練。平臺主界面如圖5所示。

三、教學課程設置

中心主要承擔采礦工程、資源勘查工程、測繪工程、安全工程和工程力學等本科專業的課程實驗教學、設計實踐教學、工程訓練實踐教學。根據不同專業的教學需要，在虛擬仿真實驗教學中實施了分類教學，如為采礦、巖土、安全、資源勘查、測繪、力學專業學生開設基礎型實驗、設計型實驗、綜合型實驗，部分學生選作創新型實驗。中心作為大學生課外科技創新設計與制作的主要支撐單位，為全校各類本科生創新競賽和研究生課題研究提供服務，負責為其提供設備儀器、場所和指導。此外，中心還承擔數值仿真計算、數字礦山模擬、虛擬優化設計等科研課題研究，解決在采礦工藝優化設計、巖土力學實驗、采礦圍巖失穩數值仿真模擬等大型復雜實驗中遇到的物理實驗設備昂貴、維護費用高以及采礦現場安全性差等問題。

中心的組織結構圖如圖6所示。中心下設礦山測量與數字礦山虛擬仿真實驗室、采礦優化設計虛擬仿真實驗室、巖石破裂過程與大規模并行計算數值實驗室和安全環境及裝備虛擬仿真實驗室共4個虛擬仿真實驗室，開設了各類虛擬仿真實驗，涉及各類課程50余門。下面僅以采礦優化設計虛擬仿真實驗室為例，將其開設的采礦優化設計虛擬仿真實驗項目及對應的課程列于表1。學生通過相關課程的學習可以深入地認識露天礦和地下礦的建設過程、生產過程的各個環節，每種采礦方法的采準、切割、回采過程，是采礦學、井巷工程、鑿巖爆破、數字礦山、礦山機械等課程重要的教學輔助手段。學生還可利用該實驗室進行礦山開拓、井巷掘進、礦房回采的仿真設計，展示大學生創新實驗相關成果，顯著提高了學生對采礦相關課程和工程設計的學習效果，有利于培養學生的原理運用與實踐創新設計能力，深受學生的歡迎。

四、特色與創新

1.建立理論教學與實踐教學相銜接、物理實驗與虛擬仿真實驗相對應、課堂講授與計算機輔助教學相結合的多種實驗教學形式和內容體系。眾所周知，采礦工程、測繪工程、資源勘查工程、安全工程等專業課的實踐性強，與生產實際結合緊密，除了要求學生理解相關理論和方法，還要求他們能夠聯系實際解釋工程施工過程中的巖土體失穩、破壞問題及防護機理。但受現場條件、人力、物力和財力以及難度等因素的制約，教學中很難采用現場物理試驗或實驗室再現的方法進行驗證，即缺乏理論聯系實際的有效方法。另一方面，利用數值計算、虛擬仿真和可視化技術，對巖石的變形與破裂過程進行數值仿真和試驗，不僅可以幫助學生掌握理論知識，深刻理解工程設計原理，加深對未知現象的探索，提高學習興趣和創新能力，而且可以克服傳統現場工程實踐周期長、危險性大以及巖石實驗觀測難、分析難、重復難等多種弊端，為采礦、巖土工程實驗教學改革提供新的輔助教學手段。在東北大學“211”二期“礦山安全高效及綠色開采技術”項目驗收過程中，專家認為巖石破裂失穩實驗室（數值仿真試驗和物理實驗相結合的教學體系）建設是應用現代高新技術改造傳統學科的成功范例。

2.構建以開發學生創新思維、鍛煉創新能力的實驗研究與學術交流有機結合的實踐創新教學模式。由傳統以教促學的學習方式代之以學生通過自身與虛擬環境的相互作用來獲得知識和技能的新型學習方式，有助于學生全身心地投入學習環境中去，也有利于學生的創新技能培養。目前，社會對大學畢業生全面素質的要求越來越高，尤其體現在創新精神和實踐能力上，培養出具有高素質創新精神和實踐能力的人才已成為高等教育成功的重要標志。學生主動參與虛擬實驗的設計和開展創新型實驗，有利于實現“教與學的互動、理論與實踐的結合、能力與興趣的共增”的教學目標。

3.將科研成果應用到采礦工程及巖石力學的實驗教學中，推進產學研深度融合，鼓勵更多的本科生參與科研實踐，在促進科研工作的同時提供本科生的創新能力，形成具有金屬礦山特色的以科研促實驗的教學模式和技能訓練體系。比如，將大量有關硬巖巖石力學特性、地壓災害控制以及復雜采礦工藝優化等方面的科研成果（已獲多項國家科技進步獎）引入實驗教學當中，利用現代計算技術和虛擬現實可視化技術實現采礦工程和巖石破壞復雜現象的計算機再現。再如，目前尚沒有實驗方法能夠讓學生了解采礦工程施工過程復雜的巖石介質中的應力場，我們通過建立現場巖體結構面測試、應力場微震測試與動態開采應力場力學并行計算信息綜合集成可視化系統，實現了采場圍巖應力場的動態演示與分析，便于學生理解采場地壓的變化特征。

4.實行開放式管理，以提高學生科學研究和工程實踐創新能力、培養知識能力和實踐動手素質協調發展的研究發展型人才為主線，構筑具有先進設備和先進管理體制的實踐平臺以及與理論教學改革相協調的實驗教學體系。開放實驗室不但可以提高實驗室資源利用率，發揮資源的最大效益，而且對調動學生學習的積極性和主動性，提高動手能力，培養高質量的創新人才具有十分重要的意義。本中心在滿足學院本科生虛擬仿真實驗教學的前提下，向全校本科生和研究生開放，并為各類創新競賽活動提供服務。

5.以東北大學新建的東北區域超算中心和云計算中心為契機，結合我校在金屬礦山安全高效開采領域的技術優勢，應用先進的云服務技術構建擴展性與兼容性好、內容豐富、獨具特色的金屬礦山巖石力學與安全開采虛擬仿真實驗教學平臺，以解決虛擬仿真實驗教學資源的建設、整合、開放、共享問題，再輔之以虛擬化實驗應用管理、實驗學術資源共享管理、虛擬仿真實驗教學管理、實驗數據分析查詢系統，將“有限的實體實驗教學空間”拓展成為“無限的虛擬實驗教學空間”，實現虛擬仿真教學資源開放共享的目的，起到國家級虛擬仿真實驗教學中心的引領和示范作用，更好地為培養具有實踐創新能力的人才提供服務。通過虛擬仿真平臺的建設還可以擴大虛擬仿真實驗資源的共享范圍，滿足跨地區和學科專業的虛擬仿真實驗教學需要。

6.加強與國內外高校的合作，積極推廣我們的教學研究成果，同時吸收兄弟院校先進的虛擬仿真實驗教學管理經驗。我們開發的一系列礦山和巖土工程虛擬設計、仿真計算、巖石力學分析輔助教學軟件系統曾被列入國家教育部的中國網格計劃“ChinaGrid”，當時成為我國高校唯一入選、并將通過中國網格計劃推廣的巖土工程類教學軟件系統。由東北大學開發的具有自主知識版權的巖石破裂過程分析系列軟件以及出版的《巖石破裂過程數值試驗》、《采動巖體破壞與巖層移動數值試驗》等系列教材在國內外多家高校和科研院所相關專業使用，10余所高校還建立了由東北大學提供教學技術支持的巖土力學數值試驗室，每年涉及教學課程40余門，涉及本科學生3500多人。另一方面，我們通過學習和借鑒兄弟院校先進的虛擬仿真實驗教學經驗，從多途徑獲取優質實驗教學資源，不斷開發內容先進、共享范圍廣、效果好的虛擬仿真實驗項目，

7.加強與企業的合作，共建和共享資源，并在實踐教學中充分利用企業的優質設備資源、人力資源與技術資源，做到“物理實驗與虛擬實驗并重”、“校內學習與校外實踐并重”、“理論學習與工程應用并重”，切實提高人才培養質量。近年來為鞍鋼礦業集團、山東招金集團等礦山企業培訓科技人員400余名，利用先進的虛擬仿真手段為企業提供技術培訓與新產品開發服務，已協助企業開發新產品100余個。

五、教學成果

中心自成立以來取得了豐碩的教學成果。近5年來，共斬獲國家教學成果二等獎1項、入選國家級精品課2門、國家精品教材1部、“十二五”規劃教材5部；獲遼寧省二等以上教學成果獎8項、遼寧省優秀網絡課程獎6項、冶金部教改成果一等獎1項、冶金部優秀教材一等獎1項、入選遼寧省精品課5門、遼寧省優秀教學團隊1個、遼寧省教學名師3名；獲東北大學教學成果特等獎1項；出版教材、專著30多種；發表教改論文50余篇；開發各類專用虛擬仿真軟件80余套。

在本中心做虛擬仿真實驗的各專業學生踴躍參加全國性大獎和創新實驗，并履獲殊榮。以采礦專業學生為例，通過參加采礦學等一系列虛擬仿真課程訓練和教學實踐，最終獲得全國采礦工程專業本科實踐作品大賽一等獎3項，二等獎4項，獲全國大學生創新大賽獎1項，獲遼寧省網絡課程大賽二等獎1項，獲批東北大學本科生創新實驗項目3項。

中心還獲得了多項重大科研獎勵，包括國家科技進步二等獎4項，省部級科技進步二等獎3項，中國黃金協會科技進步特等獎1項等諸多獎項，這些科研成果有力促進了實踐教學發展。中心基于自身的學科與科研優勢，始終堅持采礦優化設計虛擬仿真緊密與現場實踐相結合，利用先進的物理實驗平臺驗證學生的虛擬仿真實驗結果，增強學生的理性認識，培養學生的工程分析能力與創新思維。通過虛擬仿真實驗解決大型礦山生產流程復雜、物理實驗平臺成本高、操作危險、難于共享的難題，成為產學研合作成功典范。

在實驗教學中應用虛擬現實技術不但可以獲得與真實實驗相同的體會，而且可以規避真實實驗或操作可能帶來的各種危險，還可以打破時空限制?？傊?，通過金屬礦山巖石力學與安全開采虛擬仿真實驗教學中心的建設，進一步深化了我們始終堅持的“物理實驗與虛擬實驗并重”、“校內學習與校外實踐并重”、“科學研究指導教學實踐”、“理論學習與工程應用并重”的教學理念。另一方面，讓學生主動參與虛擬實驗的設計和開展創新型實驗，有利于創新人才的能力培養，也有利于實現“教與學的互動、理論與實踐的結合、能力與興趣的共增”的教學目標。