虛擬現實技術在采礦專業教學中的應用

呂存英

摘 要：通常來講煤礦企業生產任務重且安全事故責任重大，所以在對采礦專業學生展開教學時無法深入到一線崗位去進行實習，而傳統的采礦專業教學手段由于存在局限，導致學生在學習中難以收獲良好效果。因此引入虛擬現實技術去研發出采礦專業教學中所需要用的虛擬系統，對真實采礦工作進行模擬，進而在教學應用中發揮著重要價值。

關鍵詞：虛擬現實技術 采礦專業 教學 應用

虛擬現實技術在教學領域的應用主要是指利用計算機軟件與實物對真實場景進行模擬，從而讓學生能夠身處于虛擬出的場景中去展開學習，這種教學方法的優點便在于還原現實工作場景，提高了教學的形象性以及學生對知識的理解。而采礦專業是一門實踐性極強的專業，通過虛擬現實技術的應用能夠與采礦現場生產場景進行融合，讓學生無須親身前往礦區便能開展實踐學習，對于提高采礦專業教學效果而言有著重要作用。

一、虛擬現實技術在采礦專業教學中的應用價值

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術基于多項技術發展而成，能夠對人在自然環境中的視覺、聽覺、觸覺進行逼真模擬，以高性能的計算機軟硬件與各種傳感器去為參與者營造身臨其境的感覺^[1]。隨著科技水平的提高，虛擬現實技術在采礦專業教學的中的應用也從最初的展望發展到如今的實際應用，有著重要的應用價值。具體來講，主要表現為如下幾點：

1.提高理論教學效率

采礦專業屬于復雜性和系統性均較強的專業，正因為這一特點的存在也導致采礦專業教學有一定的難度，對教師的教學方式提出更高要求。傳統的采礦專業教學模式并不能對其中許多內容進行良好的解析，導致許多空間想象能力不足的學生對理論知識理解不足。而應用虛擬現實技術去展示礦山模型，基于虛擬模型去講解理論知識，便能讓學生對礦山開采流程及方法有更深刻的理解。

2.提高教學實踐性

采礦專業知識概念多、系統性強且不易于理解，而傳統教學方式講述多而實踐少，難以取得良好的教學效果。而應用虛擬現實技術能夠明顯提高教學實踐性，教師可將書本中的二維模型轉化為立體化的三維模型，特別實在講解井巷結構時更能講清楚不同井巷間的聯系與區別，從而對這一關鍵知識點有更為深入的把握。與此同時，通過虛擬現實技術的應用還能對采礦生產中發生的安全事故進行模擬，讓學生親身經歷爆炸、中毒、塌陷等事故，給予其最直接的安全教育，從而通過提高教學實踐性去培養學生井下操作的科學嚴謹態度。

二、虛擬現實技術在采礦專業教學中的應用

在教育領域應用虛擬現實技術早已有了研究先例，并且取得了顯著效果，受到教育界的廣泛肯定，不僅能夠調動學生的學習積極性，同時也能為傳統教學注入全新活動。采礦專業教學通常可分為課堂教學與實習教學兩大部分，結合采礦專業實踐性較強的特點，我們可以應用虛擬現實技術去開發出課程虛擬教學系統以及實習虛擬教學系統，將采礦專業中的各個工作場景融入其中展開教學。

1.采礦機械設備

在《采掘機械》課程當中主要要求學生掌握采礦機械設備的工作原理與操作技能，但是對這些大型設備學生往往只能夠從教材中看到圖片，模型都很難看到，更談不上實物。而應用虛擬現實技術便能夠讓學生在礦山機械設備的虛擬系統中去感受，不但能夠看到相關設備的結構與工作原理，甚至還能夠置身其中去動手操作^[2]。比如可模擬出常見的井下設備，包括采掘設備、運輸設備、提升設備以及輔助設備等，還能夠對礦井開采的生產系統展開動態化、三維化、實時化的模擬。

2.礦山內部環境

《煤礦開采學》屬于采礦專業的主要課程，通過應用虛擬現實技術對整個礦山內部環境進行模擬，不僅能夠滿足課堂教學要求，還能為學生的實習通過虛擬環境。在對礦區環境進行模擬時，需要將礦山生產服務系統全盤呈現，其中包含生活區、辦公區、機修區、選煤區、主副井、風井等等。同時進入到綜合開采工作面的虛擬現實系統中，學生便能夠真實感受到走在井下綜采工作面的狀態，不但能夠自由行走，還能夠在工作面去啟動與操作采煤機、移動液壓支架以及推動刮板輸送機等等，而這些知識僅僅依靠書面理解難以獲得良好的學習體驗，即便是下到真實礦井中去實習也未必有如此近距離的觀察，更談不上親自動手去操作^[3]。又如在對采場覆巖垮落動態的虛擬系統中，學生能夠利用這一虛擬系統通過預設采場頂板參數，從而推算出頂板的初次垮落步距與周期垮落步距，對不同類型頂板的垮落過程進行真實模擬，從而對各種礦山壓力假說有所了解，掌握頂板來壓規律，為今后的工作實踐奠定堅實基礎。

3.礦井巷道結構

《井巷工程》同樣是采礦專業教學中的主要課程，應用虛擬現實技術我們能夠開發出對礦井巷道的虛擬系統，重點構建井下主要巷道和硐室的模型，其中包含水泵房、井底車場、中央變電所、運輸巷、回風巷等等，對巷道中的結構以及各種支護方式、不同斷面形狀、交叉點進行展示，形成全方位的礦井巷道空間布置立體模型。學生通過進入系統，能夠從地面下井開始，乘坐罐籠下降到井底車場，在中央泵房、中央變電所進行漫游參觀，觀察各類設備與設施，通過人機交互的方式進入模擬的井下巷道，帶上VR眼鏡以行走的方式完成在巷道的漫游全過程，從而產生身臨其境之感。同時，學生還可充分結合所學知識以及發揮想象，利用虛擬系統對井下各類巷道進行設計，設計完畢后可通過虛擬系統進入到巷道去進行檢查，驗證其設計的合理性與可行性。

結語

綜上所述，在采礦專業教學中應用虛擬現實技術，能夠對教學過程進行有效優化，同時調動學生的學習積極性以及提高專業教學質量，有效改善了該專業實習教學需要耗費大量經費以及面臨大量安全風險的情況。如此一來，學生能夠通過虛擬現實系統中去感受采礦現場環境以及相關設備的操作，對專業學習中的理論進行實踐理解，大大提高了采礦專業人才的培養質量。

參考文獻

[1]李建忠.虛擬現實技術在采礦專業教學中的應用[J].華北理工大學學報（社會科學版），2012.

[2]趙自豪.虛擬現實技術在采礦工程課程體系教學中的應用[J].中國科教創新導刊，2011.

[3]郭兵兵，陳國祥，王國際.虛擬現實在采礦工程教學中的開發應用[J].煤炭技術，2011.