虛擬仿真平臺下礦井聯系測量實踐教學模式探索

楊敏 汪云甲 顧和和 馬昌忠

摘? 要：礦井聯系測量技術要求高、作業環節多、內容抽象，具有“實踐性強、實施方案影響因素多、施測環節精度要求高”等特性，必須通過實驗、實習等實踐教學過程加以分解驗證。因真實實驗占用井筒，影響生產、存在高危等客觀限制，導致部分實驗無法開展或者開展困難，影響實踐教學質量及學生綜合能力的提高，成為制約人才培養質量的瓶頸。虛擬仿真技術為礦井聯系測量實踐提供了解決途徑，為學生提供直觀的學習體驗環境，可以更好地理解課程內容，提高學生實踐動手及創新能力，實現實驗教學的虛實分段、虛實交替和虛實融合，有效地彌補了傳統實驗教學手段的不足，達到了良好的效果。

關鍵詞：虛擬仿真? 礦井聯系測量? 實踐教學? 虛實結合

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）02（b）-0165-04

Research on Mine Connection Surveys Practice Teaching Pattern Based on Virtual Simulation Platform

YANG Min? WANG Yunjia? GUO Hehe? MA Changzhong

（School of Environment Science and Spatial Informatics， China University of Mining & Technology， Xuzhou， Jiangsu Province， 221116 China）

Abstract： The main function of the mine connection survey is to unify the ground and underground coordinate system. Because of its high requirements， complicated operation steps and abstract theory， there are many problems in field experiment teaching such as large security risk and disturbing production. Therefore， proposing and building the virtual experimental teaching project based on combining and optimizing virtual and reality experiment can contributes to solve the problems of experimental teaching in mine connection survey. During the process of virtual simulation experiment， students can master professional knowledge and enhance the ability to solve complex engineering problems. With the actual operation in the training field， watch the real mine contact survey operation or video recording， realize the virtual-real segmentation， virtual-real alternation and virtual-real integration of experimental teaching， effectively make up for the shortcomings of traditional experimental teaching methods and achieve better results.

Key Words： Virtual simulation; Mine connection measurement; Practice teaching; Combination of virtual and actual

礦井聯系測量是礦山測量的核心內容之一，其主要作用是將地面坐標和高程系統通過立井傳遞到井下。礦井聯系測量技術要求高、作業環節多、內容抽象，具有“實踐性強、實施方案影響因素多、施測環節精度要求高”等特性，必須通過實驗、實習等實踐教學過程加以分解驗證。測繪類專業課程屬于技術應用型，對學生實踐能力的培養有很高的標準和要求。教學實踐環節對專業課程實踐學習而言非常重要[1]，但在現實教學環境中，礦井聯系測量實踐普遍遭遇困難。在生產礦井中真實實驗占用井筒，影響生產，占用時間越長，損失越大，且隨著現代礦井朝大型化、生產高度集中化、高產高效方向發展，井筒繁重的提升和通風任務使得停產進行實驗已不可能。而廢棄井筒難找、通風條件差、維護費用高，空間狹小、危險性大，可實施性弱，安全不能保障。加之精密陀螺全站儀等貴重儀器實驗成本高、壽命短，近幾年招生規模擴大，使得該課程或難以在礦井開展真實實驗，或真實實驗時間難以保證，成為制約人才培養質量的瓶頸[2]。因此，對其進行虛擬場景再現和過程仿真實驗具有非常重要的意義。

該文針對礦井聯系測量實踐教學中存在的問題，通過VR技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，進行虛擬仿真實驗教學，可模擬真實的井筒、臺車、巷道等環境，讓學生在“不停產”的環境下，完成相關實驗，提出了采用虛擬仿真技術進行礦井聯系測量實踐教學模式的創新。再配合在實訓場中實際操作，觀看真實礦井聯系測量操作或錄像，實現實驗教學的虛實分段、虛實交替和虛實融合，有效彌補傳統實驗教學手段的不足，達到了較好的效果。

1? 礦井聯系測量虛擬仿真實踐的主要內容及意義

虛擬仿真可以重復再現原理與算法的實現過程，可人機交互，實驗環節可視，實驗過程輸入輸出可控，能體現關鍵步驟的流程，這與傳統礦井聯系測量及軟件模擬有著本質的不同。礦井聯系測量虛擬仿真實驗教學項目主要包括一井定向、陀螺定向、導入高程、井下導線、井下水準測量5類實驗項目。其實驗流程和工序復雜，井巷環境特殊、高危，非常具有代表性。虛擬仿真是新興的技術平臺，通過虛擬環境開展實驗的選點、觀測、數據處理等內容，實現學生“礦井聯系測量”的基礎訓練;通過連接三角形優化、導線網優選、精度估算等內容，實現學生的綜合設計能力。在該平臺下進行礦井聯系測量實踐教學模式創新研究，其研究意義體現在全面提升實踐教學質量，擺脫空有理論教學而實踐環節不足的窘境，鞏固理論知識教學效果，培養提高學生實踐動手能力和學習興趣，提高學生的綜合設計、研究創新和工程實踐能力。

2? 虛擬仿真平臺建設及技術手段

2.1 虛擬仿真平臺及軟件資源

礦井聯系測量實驗項目主要依托國家級礦山測量虛擬仿真實驗教學中心虛擬現實平臺進行建設[3]。該平臺由實驗教學項目團隊應用unity3d技術自主開發，團隊擁有全部自主知識產權。

針對礦井聯系測量實驗教學存在的問題及應用需求，采用“系統構建、凸顯重點、廣泛共享、可持續發展”思路，充分發揮我校礦山測量及在虛擬仿真與三維可視化等方面的學術、科研、裝備及師資優勢，以虛擬現實與三維可視化仿真技術、信息化測繪技術為支撐，構建了由虛擬仿真實驗教學平臺體系（見圖1），可實現分項虛擬、分階段培養、多層次提升、全覆蓋培訓、虛實互補優化的礦井聯系測量實驗教學體系。

2.1.1 典型礦山三維井巷模型

系統開發了3類典型礦山的簡化三維模型，主要包括地面工業廣場、模擬井架、豎井、井下大巷、井下鐵軌、提升、安全、通風、供電等三維模型。

2.1.2 實驗測量儀器及人員模型庫

系統共計構建了20多個人員精細3D模型，構建了防爆全站儀、礦燈、安全帽、出車平臺、鋼絲、垂球、手搖絞車、導向滑輪、定點板、垂球、水桶、水準儀、水準尺、鋼尺、垂球、塔尺等60種礦山測量儀器及附屬設備的3D模型，構建了模型庫。

2.2 先進的實驗教學技術手段

2.2.1 系統預設與隨機的方式杜絕實驗作弊

結合《礦山測量學》課程的學習，在開展礦井聯系測量虛擬實驗前，應該提前做好準備工作，輔以礦山三維環境認知，聯系測量原理講解，典型實驗過程的分段式演示教學[4]，了解井筒內鋼絲下放、地面與井下測角、量邊、陀螺全站儀等基礎儀器操作，掌握一井定向、陀螺定向、導入高程等聯系測量的施測過程等。因此，需要在實驗過程中，結合工程安排，學生自主開展進行儀器選擇、選點等工作。仿真系統依據《煤礦測量規程》預設儀器精度等級、測回數、限差值等參數。系統自動隨機合理分配觀測初始量及隨機誤差，實現不同學生、不同時間獲得不同的觀測量，使得每個學生模擬實驗過程保持唯一性，防止作弊。同時，根據學生在模擬實驗過程的操作情況，出現觀測誤差超限等常見觀測問題，進而讓學生在模擬實驗中，能分析礦井聯系測量誤差來源及精度控制方法，進行方案設計及優化，發現問題，解決問題，從而達到提升操作技能目的。

2.2.2 任務驅動型實驗教學，實現實驗過程的流程化管理

以實驗任務為驅動，采取過程節點化管理，讓抽象的實驗過程，轉變成形象逼真的“游戲”過程，增強教學效果。圍繞任務展開學習，以任務的完成結果檢驗和總結學習過程等，改變學生的學習狀態，使學生主動建構探究、實踐、思考、運用、解決高智慧的學習體系。

礦井聯系測量虛擬仿真實驗教學項目的5個模塊，均以實驗任務為驅動，例如一井定向，通過準備工作、時間安排、人員配備及分工、儀器、設備和工具的配備、投點、連接測量、內業計算等實驗環節，采取步驟導向，實現復雜實驗環節的分解和標識，到達實驗思路和過程的層次化、條理化，引導和交互[5]，完成實驗，提升實驗效果。

學生可以明確知道當前實驗在哪個步驟，并且可以隨時暫停、重復或者跳到某一個實驗環節，以便復習[6]、加強薄弱實驗環節的訓練或者快速了解實驗總體流程。

針對實習任務，按節點進行區塊化管理，讓學生通過不同的方式，了解掌握需要開展的實驗流程，需要進行實驗操作，記錄實驗結果，分析實驗現象的成因、需要解決的問題、需要實現的功能。最終根據實驗成果的精度要求，拓展要求和改善方向。

2.3 虛實無縫全覆蓋實驗教學過程

應用《礦井聯系測量虛擬仿真》教學系統，構建覆蓋實驗“預習、實施、復習、考核”全過程的“虛實結合、課堂翻轉”實施流程[7]，既可解決礦井特殊環境導致高危、影響生產、精密儀器等由于實驗“瓶頸”限制而致“礦井聯系測量方案設計單一、操作復習難、實施細節不能反復、實驗環節容易混淆或者遺漏、實驗不利因素再現難，示教效果差”等問題，還可增強學生在進入實體實驗室前對礦井聯系測量實施流程、實施方案模擬和優化，實現課堂教學翻轉。達到礦井聯系測量實驗項目“完整、高效、安全、互補”開出和考核對實驗過程的全覆蓋。

3? 改革特色及成效

3.1 探索出行之有效的實驗教學方法

借助礦井聯系測量虛擬仿真實驗教學系統，探索出了“虛實結合實驗教學”“任務驅動型實驗教學”等行之有效的實驗教學方法。

學生能在不同學習階段，利用三維軟件和鍵盤鼠標等輸入設備，以實驗任務為驅動，采取過程節點化管理，讓抽象的實驗過程，轉變成形象逼真的“游戲”過程。圍繞任務開展一井定向、陀螺定向、導入高程以及井下坐標與高程傳遞等礦井聯系測量虛擬仿真實驗。改變學生的學習狀態，使學生主動建構探究、實踐、思考、運用、解決高智慧的學習體系。達到實驗教學的虛實分段、虛實交替和虛實融合，多層次提升復雜工程問題的分析能力和解決能力。

3.2 破解了礦井聯系測量實驗教學難題

“井下測量工崗位工作技術標準”中規定所有井下測量儀器必須取得煤安標志，且防爆。比如井下陀螺經緯儀，精密貴重，數量有限。該儀器采用高速馬達或激光進行尋北和定向，儀器長時間操作容易導致發熱、損壞，如果操作不當，臨時停機易導致導流絲等配件損毀。通過虛擬仿真實驗教學，學生能提前通過演示，認知、操作、熟悉儀器的操作流程，了解注意事項，為后繼的真實儀器實驗進行充分準備，可有效地減少真實實驗時熟悉儀器的時間，提高規范性操作，減少或杜絕由此導致的儀器損壞，提高真實實驗的成功率;在某種程度上解決了儀器相對不足問題，提高了儀器的使用率，其虛擬仿真實驗教學系統破解了儀器貴重、高危、實驗安全風險大等難題。

3.3 助推傳統教學創新

如在礦山測量課程學習中，教師利用礦井聯系測量虛擬仿真實驗教學系統，構建起極具現實感的虛擬場景，課堂講解更形象，效果更好。學生通過該系統，熟悉礦井聯系測量工作的原理及基本方法，助推自主學習，學生預習后帶著問題進課堂，教師在課堂上解決學生的問題，最終真正實現教學中的學生主體地位、教師的引導作用，實現課堂的翻轉。

3.4 形成了擁有自主知識產權的仿真教學資源

開發團隊成員技術力量雄厚，開發了具有自主知識產權的虛擬仿真實驗教學系統，在國內外獨樹一幟，運用效果顯著，相關成果版權明晰。已獲一井定向虛擬仿真實訓教學系統等7項軟件著作權和使用發明專利1項。依托該實踐教學模式打造的礦井聯系測量虛擬仿真實驗，獲批2018年國家虛擬仿真實驗教學項目。

4? 結語

礦井聯系測量虛擬仿真實踐教學模式研究，是一項長期的綜合系統工程，沒有現成的經驗可供參考，需經過漫長的摸索和不懈的努力，任務還十分艱巨。在虛擬仿真實踐平臺的建設過程中，需結合測繪工程類專業的特點，踏實地制定虛擬仿真實踐教學資源持續改進和建設規劃，逐步推進實踐教學虛擬仿真軟件的研發，不斷使用、改進、完善仿真軟件，逐漸在理論與實踐教學中推廣應用。針對已有的應用經驗和成果，還需要加強交互式參數的開放性功能設計、多情景環境架構和實驗參數設計、實驗參與及評價系統設計，提升用戶體驗，完善實驗教學手冊及評價標準。大力推進翻轉課堂模式與虛擬實驗教學平臺相結合的實踐教學探索。在“互聯網+教育”的時代背景下，利用虛擬仿真等技術開展礦山聯系測量等實驗教學模式改革與探索，將傳統的、單一的以“教師為主導”的模式應該變為靈活的、開放的以“學生為主體”的模式，實現從基礎訓練型、綜合設計型、研究創新型3個層次，分基礎、技術、創新3個階段全新實踐教學模式，為測繪行業培養實踐與創新人才貢獻力量。

參考文獻

[1] 龔循強，張方澤，魯鐵定，等.新工科背景下“人工智能+無人機測繪”實驗教學改革探討[J].東華理工大學學報：社會科學版，2020，39（2）：193-196.

[2] 李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

[3] 楊敏，汪云甲，余接情，等.礦山測量虛擬仿真實驗教學中心建設的創新與探索[J].礦山測量，2016，44（4）：98-102，115.

[4] 郭遲，張滬寅，左文煒，等.“以賽促學”構建測繪類實踐教學向智能時代轉變[J].創新教育研究，2019，7（3）：312-317.

[5] 文壯.汽車車身焊接機器人路徑規劃與虛擬仿真研究[D].上海應用技術大學，2020.

[6] 盛潔，劉靜.VR+虛擬現實教育下藝術設計專業教學新模式探討[J].教育教學論壇，2020（28）：192-193.

[7] 朱彬.發動機虛擬試車三維仿真教學與訓練平臺的設計與開發[D].江南大學，2020.