采礦概論B 實驗教學方式探索

陳見行，劉 鵬，張 村

（中國礦業大學（北京）能源與礦業學院，北京 100083）

采礦概論B 是中國礦業大學（北京）為非采礦工程和非安全工程專業開設的一門通識教育必修課，其目的是幫助本校內非采礦和非安全專業的學生們了解中國煤炭的開采現狀及世界煤炭開采的發展狀況。目前，該課程已經在中國礦業大學（北京）多個專業開展授課，包括土木工程、工業工程和法學專業等。但該課程在授課過程中也存在一些問題，例如所授課的對象為外專業學生，學生對于煤炭開采和煤礦地質沒有前期的理論知識基礎，因此在學習該課程時對礦井的開拓、采煤方法及煤層產狀等專業知識理解不清，造成學習上的困難。為了解決該問題，本文提出在實驗課程中將三維物理模型試驗和虛擬仿真實驗進行結合，以增強學生對理論知識的理解，達到提高學習效果的目的。

一、實驗教學體系

在實驗教學過程中，通過對物理模型進行講解，并讓學生動手操作這些物理模型，讓學生們熟悉采礦工程中的巷道及采煤設備等；在此基礎之上，通過對虛擬仿真系統進行講授，并讓學生親自操作虛擬仿真系統中的采礦設備，讓學生掌握采礦工程中的工序和流程，從而可以更好地與理論知識相結合，強化所學習的理論知識。下面分別從物理模型實驗和虛擬仿真實驗操作兩方面進行闡述。

（一）物理模型實驗

為了幫助本科生更好地熟悉和掌握采礦工程專業的相關知識，中國礦業大學（北京）采礦工程專業建設了采礦工程實驗室，在該實驗室中布置了井田開拓和采礦設備等傳統模型；此外，為了開拓學生視野，還布置了太空采礦模型、煤礦地下水庫模型及煤炭地下氣化模型等。

在講授完課堂的理論之后，授課教師帶領學生來到采礦實驗室，圍繞物理模型進行講解。在模型講解時，首先圍繞煤的形成過程進行講解。在講解過程中，對照物理模型，圍繞歷史上的聚煤期展開講授，讓學生們了解煤炭的由來。由于物理模型中還專門做出了成煤植物的效果，如圖1 所示，教師在講解過程中，對照這些成煤植物，向學生們講解蕨類植物、裸子植物和被子植物演變為煤炭的過程。

圖1 煤炭由植物的遺骸轉變而來

在了解了煤炭的形成歷史之后，結合實驗室內的中國煤炭資源分布圖，向學生們講解煤炭資源在我國東部、中部及西部的分布狀況，在講解過程中對我國東部礦區所面臨的“三下壓煤”問題及深部開采問題進行闡述，并對中部礦區和西部礦區的發展趨勢進行解釋，從而可以讓學生更直觀地了解煤炭資源在我國的分布狀況及各個區域的煤炭資源開采現狀。

隨后，圍繞井田開拓的問題進行講解。由于實驗室中，分別設置了煤層在淺埋、深埋及埋藏在山體中的模型，對照這些模型，分別為學生講解斜井開拓、立井開拓和平硐開拓的布置方式，對照模型讓學生了解各種開拓方式的特點及適用范圍。此外，由于物理模型中布置了不同顏色的燈泡，當通電后，燈泡可以發出不同的顏色，用以表征運煤、運料及通風等系統的路線，從而可以在講解開拓系統時，對照講解煤礦開采中的三大系統路線圖。與課堂講解相比，依托物理模型并結合模型中不同顏色的燈泡進行講解，更容易讓學生掌握井田開拓的特點并能強化學生對煤礦三大系統的認識。

在對開拓的模型講解完之后，緊接著圍繞階段的劃分進行講解。在課堂理論知識講解時，給學生講解了當煤層傾角大于12°時可以按照采區式進行劃分；而煤層傾角小于12°時可以按照帶區式進行劃分。但這種講解不便于學生進行形象的對比，也不便于學生理解兩者的差異。而通過模型講解，可以有效解決這一問題。在采礦實驗室內，分別布置了傾角大于12°和傾角小于12°的煤層開采模型，針對這兩種模型，分別布置了對應的階段劃分方式，即采區式劃分和帶區式劃分，如圖2 所示。學生通過直觀對比，就可以看出兩種不同劃分方式的區別。此外，教師在進行講授時圍繞兩種不同的劃分方式，對其中的井巷名稱及巷道布置關系進行講解，能讓學生清晰認識到采區式和帶區式的區別。

圖2 階段的劃分方式

煤炭的開采離不開現代化的采煤設備，而采礦實驗室中一個重要的組成成分便是采礦的相關設備模型。在對該部分模型進行講解時，根據采煤工藝的不同，分別對普通機械化采煤工藝（普采）及綜合機械化采煤工藝（綜采）所需要的設備進行講解。例如，在對普采設備進行講授時，分別對采煤機的切割過程及單體支柱的工作原理進行講解，讓學生更為直觀地學習普采工藝中的裝備及其工作過程。在對綜采設備進行講授時，圍繞采煤機、刮板輸送機及液壓支架之間的配合關系進行講解，從而讓學生能夠更形象地認識綜采工藝中的“三機配套”原理。在采煤設備的模型中，還專門設置了開關按鈕和割煤按鈕等，在講解過程中讓學生動手操作這些按鈕，從而可以直觀看到采煤機割煤動作等，以加深對采煤設備工作原理的認識。

在模型展示的最后環節，教師圍繞海洋采礦模型、月球采礦模型和煤炭地下氣化模型等新興方向進行講解，從而讓學生對未來采礦的發展趨勢和方向有一定的了解和認識。

（二）虛擬仿真實驗

雖然模型展示可以有效幫助學生直觀認識到采礦中各種巷道布置方式及采礦設備等，但學生對煤礦井下的開采環境仍然沒有直接的體會。考慮到中國礦業大學（北京）采礦工程專業剛剛建設了虛擬仿真實驗教學系統，因此本文提出將該虛擬仿真教學系統應用在采礦概論B 實驗課中，以補充模型教學的不足，增加學生們對井下環境的切身體會。

該虛擬仿真教學系統依托“虛擬仿真實驗教學課程共享平臺”進行搭建，通過在該共享平臺上搜索“綜采放頂煤虛擬仿真教學實驗”便可以直接定位到該虛擬仿真教學系統，進入該教學系統，便可以開展虛擬仿真實驗。

在進行虛擬仿真實驗時，教師首先對該虛擬仿真系統的基本概況進行講授，包括場景認知、設備學習及綜放工藝等。在場景認知的環節，教師可以向同學們展示礦山環境的基本概況，利用該環節內的動畫向同學講解礦山地面工業廣場內的組成部分。在設備學習的環節，對虛擬仿真實驗系統中的采煤機和液壓支架等裝備進行講解。該虛擬仿真系統可以將各種裝備進行拆分，以液壓支架為例，其拆分后的效果如圖3 所示。利用這種方法可以讓學生更為詳細地了解采礦裝備的內部構造，并更清晰地認識到采礦裝備中構件的裝配關系。

圖3 液壓支架結構圖

此外，在設備學習環節中，由于系統設置了各采礦設備的功能屬性并配備控制面板，因此可以通過操作這些動作按鈕，讓采礦設備完成相應的規定動作。在教師演示完采礦設備的各種功能之后，可以讓學生進行上機實驗，并要求學生操作這些動作按鈕以了解和學習采礦設備的工作過程。

隨后教師便可以圍繞綜放工藝展開教學。而綜放工藝環節也是該系統的亮點所在，該虛擬仿真系統能夠真實地還原煤礦井下的環境，因此能夠讓學生“沉浸式”體驗煤礦井下各種巷道的位置關系，以及井下各種設備的工作狀態。當進入綜放工藝模塊之后，教師可以首先播放虛擬仿真系統中的工藝視頻，讓學生了解該虛擬仿真系統所反映的綜采放頂煤開采狀況。當學生們熟悉了所模擬的綜采放頂煤開采的基本概況之后，便可以展開工藝實踐和工藝循環部分的實驗。

在工藝實踐環節，學生以第一視角進入虛擬仿真系統，從而可以身臨其境地感受到井下的開采環境。此外，該虛擬仿真系統也配置了專門的按鍵，用以模擬在井下巷道中行走，例如通過點擊鍵盤上的“W”鍵，可以讓視角前移，模擬井下人員向前行走。

在工藝循環部分，學生同樣以第一視角進入所模擬的井下環境，在此環節，學生可以根據系統提示完成一套完整的綜采放頂煤工藝循環，如圖4 所示，包括泵站的開機、采煤機的開機、割煤、移架及放頂煤等。在完成了放頂煤的模擬之后，學生可以按照系統提示，對采煤機、刮板輸送機和膠帶輸送機關機。經過這一套工藝循環的實驗，學生對綜采放頂煤工藝能有更清晰的認識。

圖4 綜采放頂煤開采工藝

當完成了以上虛擬仿真實驗之后，學生可以點擊“實驗考核”，此時，系統會隨機出題，學生根據實驗環節所學習的內容進行作答，當作答完成后便可以提交，待提交后，該虛擬仿真系統會自動打分并公布正確答案，學生對照正確答案查看自己作答錯誤的原因，從而可以查缺補漏。

二、學生反饋討論

在物理模型實驗中，教師圍繞物理模型進行講解，并讓學生操作物理模型以加深對采礦知識的理解；在虛擬仿真實驗中，教師依托虛擬仿真系統進行講解，并安排學生們進行實踐操作，以學習采礦設備及工藝流程。但只采用這種方式，仍然是教師對學生的單向知識輸出，教師并不能很好地了解學生的學習效果。因此，在兩次實驗結束之后，教師均設置與學生的反饋討論環節。

在反饋討論環節中，教師與學生圍繞實驗過程中的內容展開討論，學生就實驗過程中的疑問進行提問，并由教師進行解答。此外，學生還可以圍繞實驗中的不足進行建議，以便于教師了解實驗教學中需要改進的地方，從而可以在后續的實驗教學中進行不斷地完善。

三、實驗結果評價機制

由于實驗教學是課程教學中的重要組成部分，所以實驗教學也需給出對應的成績。本門課程設定實驗成績的原始分為100 分，并由物理模型實驗成績和虛擬仿真實驗成績兩個部分構成，每個部分原始分均為100 分，匯總后兩部分成績各占最終分的50%。

對于物理模型實驗，分別從物理模型的學習狀況和實驗報告的完成質量進行評價，其評價標準見表1。

表1 物理實驗成績的評價標準

對于虛擬仿真實驗，分別從虛擬仿真系統的學習情況及實驗報告的完成質量進行評價，其評價標準見表2。

表2 虛擬仿真實驗成績的評價標準

四、結束語

針對采礦概論B 課程的授課對象均為非采礦工程和非安全工程專業的本科生，且學生不能很好地理解采礦工程專業知識的情況，本文提出在實驗課程的教學中將物理模型實驗和虛擬仿真實驗進行結合的方法。

在物理模型實驗中，教師圍繞實驗室內的井田開拓模型、采煤設備模型及未來采礦模型等進行講授，同時讓學生動手操作一些模型，以充分理解采煤設備的工作方式；在虛擬仿真實驗中，教師圍繞虛擬仿真系統中的各種模塊展開講解，并讓學生在個人電腦端親自操作虛擬仿真系統里的設備并完成相應的工藝流程，讓學生身臨其境地感受到井下作業環境。在實驗課程結束之后，依托學生反饋討論機制，探討學生的實驗學習狀況，并聽取學生們針對實驗課程的建議，以便進一步改進實驗課程。針對這種將物理模型實驗和虛擬仿真實驗結合教學的方法，提出了對應的評價機制，從而能夠針對學生的學習狀況進行評判和打分。