膏體充填虛擬仿真實驗教學項目建設探索

張延凱，譚玉葉，王洪江，宋衛東

（北京科技大學 土木與資源工程學院，金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083）

膏體充填是金屬礦床高效、安全、綠色開采的核心技術，充填料漿的濃密、制備及輸送技術是當前國際學術研究熱點[1-2]。由于其相關實驗對場地、裝備、材料、時間、安全性等的特殊要求，開展實驗教學難度大，亟需采用虛擬仿真技術改造傳統教學模式。因此，進行膏體充填虛擬仿真實驗教學項目建設探索研究，對切實提高采礦工程專業實驗教學吸引力和教學效果意義重大。

在煤礦開采領域，中國礦業大學、山東科技大學等高校已進行了虛擬仿真實驗教學的探索和研究，并且取得了很好的研究成果[3-5]。但是，在金屬礦開采方向，相關研究才剛剛起步。

本文旨在針對采礦工程專業（金屬礦開采方向）實驗教學信息化需求，探索虛擬仿真實驗教學可行性，提出實驗教學項目建設思路、設計平臺架構[6]、設計建設內容、嘗試開發與開放共享模式[7]、構建虛擬仿真實驗教學效果評價指標體系，探索傳統行業教學方式改革的新方向、新思路、新途徑，為類似項目的建設提供參考借鑒。

1 項目建設技術路線

隨著虛擬現實技術的成熟，全國各大院校開始認識到虛擬仿真實驗室在教育領域的應用價值，它除了可以應用在實驗教學方面，還可以輔助高校的科研工作[8]。

虛擬仿真實驗項目建設的核心是實驗教學資源建設與共享。本研究探索采用校企深度合作方式共建虛擬仿真資源、共同推進資源的共享。項目建設分為文獻分析、歸納總結、課程體系分析、資源建設、運維推廣5個階段，分步實施。項目建設技術路線如圖1所示。

圖1 項目建設技術路線圖

2 項目建設的必要性和基礎

大數據、云計算、互聯網+、人工智能、虛擬現實（VR）等已成為當今社會最熱門的詞匯，教育產業也必然要實現高度信息化。現代新興技術正強烈沖擊和改造著傳統礦業教學的理念、內容和方式。虛擬仿真實驗教學項目建設順應時代發展潮流，符合新型礦業人才培養需求。

2.1 項目建設的必要性

2016年6月，《教育部關于中央部門所屬高校深化教育教學改革的指導意見》（教高〔2016〕2號）[9]要求推動校內、校際線上線下混合式教學，充分利用信息技術實現優質實驗教學資源開放共享。2017年7月，《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》（教高廳〔2017〕4號）[10]進一步要求推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，加強高等教育實驗教學優質資源建設與應用，提高高等教育實驗教學質量和實踐育人水平。可見，虛擬仿真實驗教學是當前我國高等教育的一個重要發展方向。

基于虛擬現實技術的新型教學模式突破了傳統實驗教學的時空和內容限制，既節約了實驗時間，提高學習效率，又擴展了實驗教學范疇，降低了材料、設備的耗損。教學效果方面，虛擬仿真教學項目的應用，不僅有利于提升學生的學習興趣，同時也有利于學生對知識的正確理解、快速掌握和長期記憶。

采礦工程是典型的傳統工科專業，其科學研究具有系統性、實踐性、工程性、不確定性等典型特征。傳統的實驗教學面臨著危險性大、周期長、實驗消耗大等諸多難題[11-13]。因此，亟需應用先進的虛擬現實技術對采礦工程專業傳統教學過程進行改造，突破原有“理論教學+實驗教學”授課方式的局限性，打造適應新時代礦業人才培養特點、虛實結合、全天候、線上線下一體化的學習環境。

綜上，本項目建設緊圍繞立德樹人的根本任務，適應經濟社會快速發展對人才培養的新要求、現代大學生成長的新特點、信息化時代教育教學的新規律，以提高學生實踐能力和創新精神為核心，以現代信息技術為依托，立足于采礦工程專業實驗教學信息化需求，形成有特色、可擴展、專業性強、界面友好的教學平臺，推動傳統工科專業建立線上線下相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，促進實驗教學質量全面提高。

2.2 項目建設的基礎條件

我?！暗V業工程”作為國家一級重點學科和“雙一流建設”學科，在業內具有較高的學術聲譽和影響力。經過多年持續投入和發展建設，該學科擁有一支學風嚴謹、科研與教學經驗豐富的教師隊伍，形成了完善的實驗教學體系。我校多年來一直從事采礦工程專業相關的實驗、教學、科研工作，在數字礦山、三維建模、采礦方法、生產工藝、礦山災害防治等領域積累了豐富的教學經驗和豐碩的科研成果，為本項目的順利實施奠定了理論和實踐基礎。

采礦工程專業是我?！耙涣鲗W科”建設的重點方向，擁有金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室、城市地下空間工程北京市重點實驗室等一批高水平的實驗教學平臺；擁有多套虛擬仿真類軟件，如Skyline、Flac、Ansys、Surpac、3DMine等；擁有三維激光掃描儀、3D打印機、三維投影儀、大屏幕展示系統、計算服務器、網絡服務器等大型設備?？梢姡椖拷ㄔO具有得天獨厚的軟硬件條件。

此外，我校已經成功建設了鋼鐵生產全流程虛擬仿真實踐教學平臺、材料虛擬仿真實驗教學中心等，有相關項目建設的寶貴經驗可供借鑒。2017年，我校由高等工程師學院牽頭與長沙迪邁數碼科技股份有限公司合作，共同建設了“金屬礦山仿真實踐教學系統”，用于實踐實訓教學。該系統為膏體充填虛擬仿真實驗教學項目建設奠定了堅實的基礎。

3 實驗項目選擇

3.1 項目建設原則

項目建設堅持“能實不虛”的原則以及問題導向，優先選擇采礦工程專業實驗條件不具備或實際運行困難，涉及高危、極端環境、高成本、高消耗等問題的實驗項目。緊密結合經濟社會發展對新型礦業人才培養的需求、采礦工程專業特色、礦業發展最新成果以及我?！耙涣鲗W科”建設的總體規劃，采用現代信息技術、三維建模技術、數字礦山技術、互聯網技術等，選擇原理準確、難度適宜、易于實現的主干專業課程核心知識點作為虛擬仿真實驗教學項目的建設內容。

3.2 建設內容篩選

按照我校2017版本科生培養方案，采礦工程專業本科生需修滿187學分，其中理論課程139學分，實踐課程48學分，具體見表1。

表1 本科生培養方案學分分布

通過對各類課程的篩選，選擇專業核心課程中的主干課“礦床開采工程（地下開采）”作為項目建設的目標課程。該課程（64學時，包含6實驗學時）是所有專業課程中學時數最多的，可改造空間大，可適當調整原課堂講授內容，設計4~8學時的虛擬仿真實驗，并分步實施。

“礦床開采工程（地下開采）”旨在培養懂管理的采礦工程技術人才，使學生了解本領域的前沿和熱點方向。通過這門課程學習，學生可掌握地下開采方法的核心專業知識，為解決復雜的地下開采工程問題提供理論基礎。課程重點和難點是講解礦床開采的開拓方法、主要開拓巷道位置的確定、礦塊采準與切割方法、回采工作與主要生產工藝、空場采礦方法、崩落采礦方法、充填采礦方法等。

我校具有多年充填采礦的理論和技術研究基礎，已經出版多本教材和專著，例如《現代充填理論與技術》[14]《金屬礦膏體充填理論與技術》[15]等，相關研究內容多次獲得國家級和省部級科技進步獎，引領了我國膏體充填技術的發展。

近年來，我校成立了“膏體充填采礦技術研究中心”，建設了“工業級膏體充填實驗室”，獲批了“基于膏體充填的綠色采礦技術北京市國際科技合作基地”，為膏體充填采礦實驗創造了良好的條件。但是，由于膏體充填實踐教學具有系統性、復雜性、不確定性、不可視和高風險性等突出特征，加之實驗周期長、物料消耗高、廢物排放大，對于關鍵工藝環節無法重復演示及展示等缺陷，亟需建立“膏體充填虛擬仿真實驗”教學項目，對現有的教學手段進行補充與完善，幫助學生全方面深入理解掌握課堂知識。

4 項目資源建設方式

本實驗教學項目依托虛擬現實、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，采用校企合作開發模式，實現以下教學目標：建立充填系統感性認知、掌握充填關鍵參數計算方法、掌握充填工藝及指標調控方法、掌握充填管網安全監測方法。

4.1 學校在項目資源建設中的作用

學校是項目資源建設的主導，應基于學校特有的計算機硬件條件、網絡條件等對資源建設選用的架構、開發工具、運行環境、建設規模、硬件支持等提出要求。同時，針對教學目標，學校組織人員進行專業問題研究并設計實驗內容、流程等。

一般情況下，學校擅長專業研究，但項目開發能力和經驗都相對缺乏，需要委托專門的軟件開發公司完成項目資源建設。但是，委托開發絕不意味著學?？梢苑攀植还埽瑢⒔虒W項目建設任務完全交給軟件開發公司完成。

學校項目建設負責人、課程負責人、實驗內容設計人員、項目建設過程管控人員、虛擬仿真實驗教學人員、系統維護人員等組成的項目建設“人才隊伍”才是項目建設成敗的關鍵。

由于本項目的建設內容是相對“冷門”的采礦專業，而且是專業性很強的膏體充填方向，與項目實施方的溝通就顯得尤為重要。我校在項目資源建設過程中形成了大量的技術文檔和實驗設計腳本，其中對膏體充填工藝流程的描述如圖2所示。

4.2 企業在項目資源建設中的作用

圖2 膏體充填工藝流程示意圖

軟件開發公司是項目資源建設的具體實施者。軟件開發公司根據學校的硬件、網絡條件、建設需求等設計軟件的系統架構并進行開發工具選型；按照學校提出的建設內容、實驗設想進行三維場景搭建、美工編輯工作；基于實驗流程、實驗報告要求進行交互式情景實現、動畫編程。此外，為了便于項目的推廣應用，還要設計建設網站，發布網頁版或開發移動端；為了便于虛擬仿真實驗的使用和維護，要撰寫詳細的操作手冊和技術文檔。

企業在實驗教學項目建設過程中，至少需要投入三維模型制作、美工、編程、網絡、軟件測試、網站建設、項目管理等不同工種的技術和管理人員。由于虛擬仿真實驗教學項目建設涉及人員眾多、建設環節復雜，需要校企間反復溝通確認、定期交流推進，如條件允許，采用駐場開發的方式效果較好。采用Unity動畫技術開發的膏體充填工藝流程演示效果如圖3所示，采用Unreal+Maya動畫技術開發的深錐濃密機拆裝模型如圖4所示。

圖3 膏體充填工藝流程演示圖

圖4 深錐濃密機拆裝爆炸圖

5 運行及評價

本項目針對校內外用戶的不同需求，開發了線上、線下資源。系統具有開放性、擴展性、兼容性和前瞻性，并以使用習慣統計和使用效果評價為核心，對項目資源進行更新和擴展。

5.1 開放運行模式

校內以線下資源運用為主，將虛擬仿真實驗教學項目內容納入相關專業培養方案和教學體系，線上資源作為教學輔助、補充。校外以線上資源學習為主，可根據教學內容需要申請使用虛擬實驗線下資源。教學資源的管理和維護由我校專人負責。該軟件系統可根據使用者身份設置對應權限，并進行分類管理。

5.2 評價體系構建

虛擬仿真實驗教學項目建設的效果關鍵在于有“用”，對項目評價的目的是更好地促進實驗教學資源的應用。對項目各教學模塊的使用對象、使用時間、使用頻次、實驗分數等進行在線統計，同時收集學生、教師及其他使用者的意見反饋，系統分析量化評價項目的教學效果，強化優秀內容、淘汰無效內容，不斷優化項目資源構成，可持續改進、更新相關教學資源，完善項目成果的易用性。

6 結語

膏體充填虛擬仿真實驗教學項目以真實礦山為工程背景，涵蓋膏體充填工藝流程及系統設備、膏體充填料漿制備、膏體充填料漿輸送、井下膏體充填體力學性能4個關鍵知識點，設計了5大功能模塊、70個交互步驟。本項目突破了傳統實驗的時間、空間、人力、材料、安全、環保等條件限制，探索了適應新時代礦業人才培養特點的新方式，創建了虛實結合、全天候、線上線下一體化學習環境，充分調動了學習者參與實驗的積極性和主動性。

膏體充填虛擬仿真實驗教學項目在我校采礦工程及相關專業教學水平提高、教學資源優化方面發揮了重要作用，促進了教學方式改革、激發了學生學習興趣，取得了良好的教學效果。目前，該項目已成功推廣到昆明理工大學、武漢科技大學、華北理工大學等多所高校，使用效果獲得廣泛認可。