采礦工程虛擬仿真實驗實踐教學系統應用研究

李少波 朱傳奇 王磊 胡浩

摘? 要：采礦工程專業課程是一門專業性、實踐性較強的課程。傳統的采礦工程專業實驗、實踐教學模式比較單一，缺乏真實感和互動性，實驗、實踐教學模式需要創新。為了提升教學水平和效果，基于虛擬仿真技術，建立采礦工程專業課程虛擬仿真教學系統，應用到采礦工程實驗實踐教學中，為采礦工程專業課程提供實踐教學平臺。通過采用互聯網+虛擬仿真技術進行線上實踐教學，可以實現較好的教學成果，不僅減少了教師、學生的工作量，降低了現場實踐的安全風險，而且還提高了教學效果和管理水平。

關鍵詞：虛擬仿真? 采礦工程? 實踐教學? 系統

中圖分類號：TD80-4;G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（b）-0109-03

Application Research of Virtual Simulation Experiment Practice Teaching System in Mining Engineering

LI Shaobo*? ZHU Chuanqi? WANG Lei? HU Hao

（State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines， Anhui University of Science and Technology， Huainan， Anhui Province， 232001? China）

Abstract： The course of mining engineering is a professional and practical course. The traditional experimental and practical teaching mode of mining engineering specialty is relatively single， lack of authenticity and interaction， and the experimental and practical teaching mode needs innovation. In order to improve the teaching level and effect， based on virtual simulation technology， a virtual simulation teaching system for Mining Engineering courses is established and applied to the experimental and practical teaching of Mining Engineering， so as to provide a practical teaching platform for Mining Engineering courses. Through the Internet+ virtual simulation technology， online practice teaching can achieve better teaching results， not only reduce the workload of teachers and students， reduce the safety risks of field practice， but also improve the teaching effect and management level.

Key Words： Virtual simulation; Mining engineering; Practice teaching; System

采礦工程專業本科學生需要參加專業課程實驗教學以及現場生產實踐實習，然而，當前采礦工程專業課程實驗教學模式存在學生興趣低、互動性差、耗時長、費用高、安全性差等問題[1-2]，改進教學模式迫在眉睫。近年來，隨著科技的進步，虛擬仿真技術被廣泛應用于各高校學科專業的實驗教學實踐中[3-6]，在實驗教學中表現出巨大優勢。虛擬仿真是可以創建和體驗虛擬世界的計算機模擬系統，虛擬仿真教學具有沉浸式、可互動、高效率、可重復、無危險、易共享等優點，教師可以利用虛擬仿真技術創新教學方法，提高教學水平和效果。

目前，虛擬仿真實驗教學系統被越來越多專業如土木工程、巖石力學等應用到實驗教學課程中，采礦工程專業也在探索虛擬仿真教學，取得了較好的效果，受到了高校專業課師生的關注和廣泛好評[7-10]。虛擬仿真技術不僅能很好地幫助高等學校教師開展實驗和實踐教學，同時可以推廣應用到中小學教學課程中，具有高效率、可互動、節約成本、教學效果顯著的特點。

1? 采礦工程實驗實踐教學現狀與存在問題

1.1 采礦工程專業課程實驗實踐教學現狀

采礦工程是一門系統性、專業性、復雜性的工程，采礦工程涉及采煤、掘進、運輸、支護、通風等環節，采礦工程專業涉及煤礦開采、巷道掘進、巷道支護等專業，其中需要學習的專業理論課程包括《煤礦開采學》《井巷工程》等。目前實驗課教學方式主要是教師先講解課程實驗原理，然后講臺上示范實驗過程和儀器使用步驟，學生分組進行操作，得出實驗數據，填入實驗報告，學生動手參與的機會很少，互動性較差，教學效果不好。

現場實踐教學環節部分，學生需要在指導教師陪同下深入煤礦一線實地學習，目前實踐教學環節模式比較單一，主要是由于礦井一線條件比較復雜，進入一線采煤工作面后，基于學生安全考慮，學生在現場無法操作設備，僅僅是參觀，更不能互動，學習效果較差。

學習這門專業課程不僅僅要掌握理論知識，更需要培養學生的綜合能力，尤其是創新能力，但是目前采礦工程專業課程實驗實踐教學模型比較單一，學生興趣普遍不大，因此，教師在實驗、實踐學習環節更要創新方法，讓學生能夠互動參與到課程中，增加學生學習興趣，提高教學管理水平和質量。

1.2 采礦工程專業課程實驗實踐教學存在的問題

1.2.1 教學模式比較單一

實驗室教學環節中，學生在指導教師講解后按照實驗要求開展實驗，一般采礦工程專業課程實驗教學是參觀模型，大部分是教師講解，學生聽課，實驗教學方法與實驗內容相對單一，學生的學習興趣無法得到充分的調動。

1.2.2 學生參與感較低

采礦工程實驗課程的授課模式目前主要以教師為主、學生為輔，教師在講臺上講課、示范，學生被動地聽，簡單地模仿，教學過程中師生缺少交流、討論，沒有活躍的學習氛圍，學生要參與感較低。

1.2.3 安全風險大

現場實踐環節中，學生要深入煤礦一線實地學習，但由于目前礦井一線條件比較惡劣，基于學生安全考慮，且學生未經過專業的培訓，面對井下復雜的環境，學生安全風險較大，因此學生僅僅能參觀，無法參與，更不能互動，學習效果較差。

2? 采礦工程專業課程虛擬仿真教學系統

2.1 虛擬仿真技術簡介

本校虛擬仿真實驗室為實驗教學提供了一個大場景寬視野的3D教學環境，通過虛擬現實技術以及三維建模技術，創造出一個1∶1的虛擬場景。教師采用交互設備，模仿真實世界的實驗、實踐教學過程，學生佩戴3D立體眼鏡，通過操作VR手柄，仿佛置身于真實的操作環境中。

通過虛擬仿真實踐操作系統、動作捕捉系統，以人機交互方式進入虛擬場景，使學生親身體驗采礦全過程，以及在教師指導下通過動作捕捉系統包括3D立體眼鏡、VR手柄操控工作面大型機械設備如采煤機、掘進機等，互動性較好。

2.2 采礦工程虛擬仿真教學系統

采礦工程虛擬仿真實驗教學系統依托高端的硬件設備環境，結合學校采礦工程專業課程設置與虛擬仿真實驗教學需求，提供多種不同的教學環境，為教學提供了一個高分辨率、寬視角的立體顯示環境，搭配立體擴音系統，可以滿足不同形式的立體教學和多媒體教學，該環境同時布置了動作捕捉系統、虛擬仿真教學應用平臺，用于完成各項教學工作。

根據采礦工程現場實際情況，通過LED小間距立體顯示系統、動作捕捉系統、虛擬仿真系統平臺、音響系統、集中式設備管理系統等建立采礦工程虛擬仿真教學系統，逼真還原礦井工業廣場、井筒、主要大巷、采煤工作面、大型設備如采煤機、掘進機等。

本系統實驗步驟步驟如下。

（1）登錄開放式虛擬仿真實驗教學平臺。系統提前分配教師及學生賬號，教師賬號具有管理員特權，可以實時掌握學生實驗進展情況。

（2）選擇進入虛擬仿真實驗項目。通過輸入賬號密碼進入系統后，選擇進入虛擬仿真實驗項目，目前已開發的實驗模塊包括采煤工作面采煤機操作、掘進工作面掘進操作、采煤工作面超前支護等。

（3）選擇不同教學科目（包含地面廣場及井下采煤工作面、掘進工作面等）并使用鼠標、鍵盤，以及VR手柄、3D立體眼鏡進行操作，學習該教學科目內容。

（4）根據提示要求進入情景教學。采礦工程虛擬仿真教學系統設置了情景教學，情景包括首次來到礦井實踐實習、首次進入采煤工作面等，對學生進行全方位指導，幫助學生完成教學任務。

3? 采礦工程虛擬仿真實驗實踐教學系統建立意義

通過建立采礦工程虛擬仿真實驗實踐教學系統，打破了傳統教學模式，創新了教學方法，對采礦工程專業課程實驗教學具有積極的意義，主要意義如下。

3.1 拓展實驗實踐空間和時間

虛擬仿真實驗能夠充分利用互聯網和采礦工程數值虛擬仿真軟件資源，彌補了傳統實驗、實踐教學的不足，極大地擴展了采礦工程實驗實踐的空間和時間，這種學習模式有著較大的優勢。

3.2 豐富實踐教學模式

虛擬仿真實驗教學豐富了實驗的教學方法和實驗內容，實現了采礦工程實驗和實踐教學的虛實結合。現代虛擬仿真教學中，可以充分展示礦井工業廣場、各個井筒，使學生足不出戶便能學習到煤礦地面及井下各系統的配合及運作，增進學生對煤礦的全面了解。

3.3 提高學生學習主動性

通過虛擬仿真實驗實踐教學，使學生對采礦工作專業及日后從事的專業工作環境有了深刻、系統的理解，可增強學生對專業的認識，提高學生學習的主動性，為學生今后的工作打下堅實的基礎。

4? 結語

通過本虛擬仿真實驗教學系統，將采礦工程專業課程理論教學和實驗教學進行有機融合，將采礦工程專業理論、大型采礦設備操作和科研探索集成于虛擬仿真互動系統中，實現理論、實踐和創新的有機結合，實現理論學習、知識探索和科技探索的互補結合。本虛擬仿真系統使得采礦工程這門復雜、系統的學科能夠直觀、立體地展示在學生眼前，有利于培養學生的知識綜合應用能力及分析問題和解決問題的能力，激發學生學習的主動性和創造性，提高學生的學習積極性和學習效率。

參考文獻

[1] 李永武.采礦工程專業實驗教學模式的改革與探索[J].科技創新導報，2017，14（6）：230-231.

[2] 王少勇，周勃，孫金海，等.采礦工程實驗教學探索——科研型實驗室向教學型實驗室轉化[J].科教文匯，2018（4）：59-60.

[3] 毛繼澤，曲嘉，夏培秀.SHPB虛擬仿真實驗教學項目的研究與開發[J].實驗技術與管理，2021，38（1）：187-190.

[4] 徐文彬，王曉純，李品德.基于虛擬仿真技術的金屬礦開采仿真教學系統設計與構建[J].金屬礦山，2021（3）：169-175.

[5] 王曉蕾.基于互聯網的采礦虛擬仿真教學模式研究[J].呂梁學院學報，2020，10（2）：78-80.

[6] 侯博程.基于安卓的虛擬仿真實驗教學資源管理系統的設計與實現[D].呼和浩特：內蒙古大學，2019.

[7] 郭恒寧，賀志啟，劉艷，等.土木工程實驗教學的虛擬仿真平臺設計[J].實驗技術與管理，2019，36（3）：143-145.

[8] 姚旭龍，孫光華，張亞賓.虛擬仿真實驗教學資源建設與探索——以采礦工程巖石力學實驗室為例[J].教育教學論壇，2020（52）：385-386.

[9] 趙伏軍，王海橋，葉洲元，等.礦業工程“一橫一縱”虛擬仿真實驗教學體系建設與實踐探索[J].當代教育理論與實踐，2017，9（5）：31-34.

[10] 徐明，劉艷，陸金鈺，等.土木工程虛擬仿真實驗教學資源的建設[J].實驗技術與管理，2015，32（12）：116-119.