虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采礦專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

呂存英

摘 要：通常來(lái)講煤礦企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)重且安全事故責(zé)任重大，所以在對(duì)采礦專業(yè)學(xué)生展開(kāi)教學(xué)時(shí)無(wú)法深入到一線崗位去進(jìn)行實(shí)習(xí)，而傳統(tǒng)的采礦專業(yè)教學(xué)手段由于存在局限，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)中難以收獲良好效果。因此引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)去研發(fā)出采礦專業(yè)教學(xué)中所需要用的虛擬系統(tǒng)，對(duì)真實(shí)采礦工作進(jìn)行模擬，進(jìn)而在教學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮著重要價(jià)值。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 采礦專業(yè) 教學(xué) 應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要是指利用計(jì)算機(jī)軟件與實(shí)物對(duì)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行模擬，從而讓學(xué)生能夠身處于虛擬出的場(chǎng)景中去展開(kāi)學(xué)習(xí)，這種教學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)便在于還原現(xiàn)實(shí)工作場(chǎng)景，提高了教學(xué)的形象性以及學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。而采礦專業(yè)是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的專業(yè)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用能夠與采礦現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)場(chǎng)景進(jìn)行融合，讓學(xué)生無(wú)須親身前往礦區(qū)便能開(kāi)展實(shí)踐學(xué)習(xí)，對(duì)于提高采礦專業(yè)教學(xué)效果而言有著重要作用。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采礦專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）技術(shù)基于多項(xiàng)技術(shù)發(fā)展而成，能夠?qū)θ嗽谧匀画h(huán)境中的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)進(jìn)行逼真模擬，以高性能的計(jì)算機(jī)軟硬件與各種傳感器去為參與者營(yíng)造身臨其境的感覺(jué)^[1]。隨著科技水平的提高，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采礦專業(yè)教學(xué)的中的應(yīng)用也從最初的展望發(fā)展到如今的實(shí)際應(yīng)用，有著重要的應(yīng)用價(jià)值。具體來(lái)講，主要表現(xiàn)為如下幾點(diǎn)：

1.提高理論教學(xué)效率

采礦專業(yè)屬于復(fù)雜性和系統(tǒng)性均較強(qiáng)的專業(yè)，正因?yàn)檫@一特點(diǎn)的存在也導(dǎo)致采礦專業(yè)教學(xué)有一定的難度，對(duì)教師的教學(xué)方式提出更高要求。傳統(tǒng)的采礦專業(yè)教學(xué)模式并不能對(duì)其中許多內(nèi)容進(jìn)行良好的解析，導(dǎo)致許多空間想象能力不足的學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解不足。而應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)去展示礦山模型，基于虛擬模型去講解理論知識(shí)，便能讓學(xué)生對(duì)礦山開(kāi)采流程及方法有更深刻的理解。

2.提高教學(xué)實(shí)踐性

采礦專業(yè)知識(shí)概念多、系統(tǒng)性強(qiáng)且不易于理解，而傳統(tǒng)教學(xué)方式講述多而實(shí)踐少，難以取得良好的教學(xué)效果。而應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠明顯提高教學(xué)實(shí)踐性，教師可將書本中的二維模型轉(zhuǎn)化為立體化的三維模型，特別實(shí)在講解井巷結(jié)構(gòu)時(shí)更能講清楚不同井巷間的聯(lián)系與區(qū)別，從而對(duì)這一關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)有更為深入的把握。與此同時(shí)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用還能對(duì)采礦生產(chǎn)中發(fā)生的安全事故進(jìn)行模擬，讓學(xué)生親身經(jīng)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(guò)提高教學(xué)實(shí)踐性去培養(yǎng)學(xué)生井下操作的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采礦專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

在教育領(lǐng)域應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)也能為傳統(tǒng)教學(xué)注入全新活動(dòng)。采礦專業(yè)教學(xué)通?？煞譃檎n堂教學(xué)與實(shí)習(xí)教學(xué)兩大部分，結(jié)合采礦專業(yè)實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)，我們可以應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)去開(kāi)發(fā)出課程虛擬教學(xué)系統(tǒng)以及實(shí)習(xí)虛擬教學(xué)系統(tǒng)，將采礦專業(yè)中的各個(gè)工作場(chǎng)景融入其中展開(kāi)教學(xué)。

1.采礦機(jī)械設(shè)備

在《采掘機(jī)械》課程當(dāng)中主要要求學(xué)生掌握采礦機(jī)械設(shè)備的工作原理與操作技能，但是對(duì)這些大型設(shè)備學(xué)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(shí)物。而應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)便能夠讓學(xué)生在礦山機(jī)械設(shè)備的虛擬系統(tǒng)中去感受，不但能夠看到相關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與工作原理，甚至還能夠置身其中去動(dòng)手操作^[2]。比如可模擬出常見(jiàn)的井下設(shè)備，包括采掘設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、提升設(shè)備以及輔助設(shè)備等，還能夠?qū)ΦV井開(kāi)采的生產(chǎn)系統(tǒng)展開(kāi)動(dòng)態(tài)化、三維化、實(shí)時(shí)化的模擬。

2.礦山內(nèi)部環(huán)境

《煤礦開(kāi)采學(xué)》屬于采礦專業(yè)的主要課程，通過(guò)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)整個(gè)礦山內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行模擬，不僅能夠滿足課堂教學(xué)要求，還能為學(xué)生的實(shí)習(xí)通過(guò)虛擬環(huán)境。在對(duì)礦區(qū)環(huán)境進(jìn)行模擬時(shí)，需要將礦山生產(chǎn)服務(wù)系統(tǒng)全盤呈現(xiàn)，其中包含生活區(qū)、辦公區(qū)、機(jī)修區(qū)、選煤區(qū)、主副井、風(fēng)井等等。同時(shí)進(jìn)入到綜合開(kāi)采工作面的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，學(xué)生便能夠真實(shí)感受到走在井下綜采工作面的狀態(tài)，不但能夠自由行走，還能夠在工作面去啟動(dòng)與操作采煤機(jī)、移動(dòng)液壓支架以及推動(dòng)刮板輸送機(jī)等等，而這些知識(shí)僅僅依靠書面理解難以獲得良好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，即便是下到真實(shí)礦井中去實(shí)習(xí)也未必有如此近距離的觀察，更談不上親自動(dòng)手去操作^[3]。又如在對(duì)采場(chǎng)覆巖垮落動(dòng)態(tài)的虛擬系統(tǒng)中，學(xué)生能夠利用這一虛擬系統(tǒng)通過(guò)預(yù)設(shè)采場(chǎng)頂板參數(shù)，從而推算出頂板的初次垮落步距與周期垮落步距，對(duì)不同類型頂板的垮落過(guò)程進(jìn)行真實(shí)模擬，從而對(duì)各種礦山壓力假說(shuō)有所了解，掌握頂板來(lái)壓規(guī)律，為今后的工作實(shí)踐奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.礦井巷道結(jié)構(gòu)

《井巷工程》同樣是采礦專業(yè)教學(xué)中的主要課程，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)我們能夠開(kāi)發(fā)出對(duì)礦井巷道的虛擬系統(tǒng)，重點(diǎn)構(gòu)建井下主要巷道和硐室的模型，其中包含水泵房、井底車場(chǎng)、中央變電所、運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷等等，對(duì)巷道中的結(jié)構(gòu)以及各種支護(hù)方式、不同斷面形狀、交叉點(diǎn)進(jìn)行展示，形成全方位的礦井巷道空間布置立體模型。學(xué)生通過(guò)進(jìn)入系統(tǒng)，能夠從地面下井開(kāi)始，乘坐罐籠下降到井底車場(chǎng)，在中央泵房、中央變電所進(jìn)行漫游參觀，觀察各類設(shè)備與設(shè)施，通過(guò)人機(jī)交互的方式進(jìn)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(guò)程，從而產(chǎn)生身臨其境之感。同時(shí)，學(xué)生還可充分結(jié)合所學(xué)知識(shí)以及發(fā)揮想象，利用虛擬系統(tǒng)對(duì)井下各類巷道進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完畢后可通過(guò)虛擬系統(tǒng)進(jìn)入到巷道去進(jìn)行檢查，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性與可行性。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在采礦專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠?qū)虒W(xué)過(guò)程進(jìn)行有效優(yōu)化，同時(shí)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性以及提高專業(yè)教學(xué)質(zhì)量，有效改善了該專業(yè)實(shí)習(xí)教學(xué)需要耗費(fèi)大量經(jīng)費(fèi)以及面臨大量安全風(fēng)險(xiǎn)的情況。如此一來(lái)，學(xué)生能夠通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中去感受采礦現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及相關(guān)設(shè)備的操作，對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)中的理論進(jìn)行實(shí)踐理解，大大提高了采礦專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]李建忠.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采礦專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].華北理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2012.

[2]趙自豪.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采礦工程課程體系教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2011.

[3]郭兵兵，陳國(guó)祥，王國(guó)際.虛擬現(xiàn)實(shí)在采礦工程教學(xué)中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2011.