礦山電工虛擬仿真教學(xué)探討

韓森，劉萍，吳桂義，王沉

（貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025）

礦山電工課程是采礦工程、安全工程本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課，通過本課程的教授，使學(xué)生掌握煤礦電工技術(shù)及安全的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，了解煤礦電工技術(shù)及電氣安全的最新進(jìn)展和發(fā)展動(dòng)態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生具有一定的實(shí)踐動(dòng)手能力和應(yīng)用能力，為從事工程技術(shù)工作打下良好基礎(chǔ)。

1 礦山電工課程特點(diǎn)

傳統(tǒng)的礦山電工課程主要通過理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課程來進(jìn)行，課程教學(xué)存在以下特點(diǎn)[1-2]：

（1）課程內(nèi)容較多。

本課程共7章內(nèi)容，包括礦山供電系統(tǒng)、供電系統(tǒng)短路電流計(jì)算、礦山供電設(shè)備、安全用電及保護(hù)、采掘機(jī)械設(shè)備電氣控制、采區(qū)供電設(shè)計(jì)計(jì)算以及礦井照明。課程內(nèi)容覆蓋面廣，概念較多，學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容繁多。另一方面，除了采區(qū)供電設(shè)計(jì)需要應(yīng)用前述各章知識(shí)點(diǎn)外，其余章節(jié)之間聯(lián)系不太緊密，且課程知識(shí)內(nèi)容涉及概念、計(jì)算、設(shè)備選型、電路圖分析等，需要學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容調(diào)整學(xué)習(xí)思路，對(duì)于學(xué)生掌握課程知識(shí)點(diǎn)提出了更高要求。

（2）部分內(nèi)容抽象，不易理解。

本課程部分內(nèi)容比較抽象，單純通過文字說明和平面圖片不易理解，比如各級(jí)采區(qū)變電所內(nèi)設(shè)備布置以及設(shè)備間的連接、低壓配電開關(guān)和檢漏繼電器配合使用、多臺(tái)磁力起動(dòng)器之間的連鎖控制等內(nèi)容，在教學(xué)過程中都需要安排較多時(shí)間來講解，學(xué)生也需要花費(fèi)較多時(shí)間和精力才能基本掌握。對(duì)于這些內(nèi)容，部分安排實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，但一方面，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相關(guān)礦山電工設(shè)備種類和數(shù)量有限，無法大范圍覆蓋教學(xué)難點(diǎn)，另一方面，學(xué)生在電工實(shí)驗(yàn)操作過程中，需要?jiǎng)邮诌B接一些電路，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的安全問題也必須考慮。

（3）與現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)系不夠緊密。

隨著礦山智能開采和安全高效開采的不斷深入，礦井現(xiàn)場(chǎng)的電氣控制技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展，課程教材及教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況脫節(jié)。另外對(duì)于礦井的整體供電系統(tǒng)、各級(jí)變電所的設(shè)置以及內(nèi)部設(shè)備布置，包括變壓器、配電開關(guān)等具體設(shè)備，通過傳統(tǒng)教學(xué)，很難生動(dòng)形象地使學(xué)生接受并理解。雖然學(xué)生有機(jī)會(huì)去礦山實(shí)習(xí)，但由于電氣系統(tǒng)設(shè)備的危險(xiǎn)性和特殊性，一般只會(huì)安排參觀變電所，學(xué)生往往只能走馬觀花地看個(gè)表面，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)礦山電器設(shè)備的了解十分有限，對(duì)礦山電工知識(shí)難以形成深層次的認(rèn)識(shí)和理解。

（4）學(xué)生難以發(fā)揮主觀能動(dòng)性。

在課程教學(xué)過程中，雖然有互動(dòng)，但受到學(xué)時(shí)限制，加之課程內(nèi)容較多，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中仍多處于被動(dòng)接受的狀態(tài)，雖然有一些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但限于實(shí)驗(yàn)室硬件條件，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)占比較小，學(xué)生不能充分發(fā)揮自身主觀能動(dòng)性，使得學(xué)習(xí)參與程度不夠深入，教學(xué)效果往往事倍功半。

針對(duì)礦山電工課程教學(xué)特點(diǎn)，為在教學(xué)過程中有效地解決這些問題和難點(diǎn)，進(jìn)行課程教學(xué)方法的改進(jìn)十分必要，考慮到目前虛擬仿真技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，因此探討在傳統(tǒng)礦山電工理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充和改進(jìn)。

2 礦山電工虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是國(guó)家信息化教育戰(zhàn)略的重要實(shí)踐內(nèi)容[3-4]。虛擬仿真技術(shù)，簡(jiǎn)稱VR，是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，同時(shí)，也是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域[5]。隨著VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式的不斷成熟，其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，其中就包括高校實(shí)踐教學(xué)。以VR技術(shù)為代表的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)方式，因其廣泛的跨學(xué)科適應(yīng)性、良好的沉浸式體驗(yàn)效果、系統(tǒng)搭建的快速性和基本不受場(chǎng)地和資金限制的特點(diǎn)，為高校虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)提供了一種建設(shè)性的解決方案，尤其在理工科實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)等教學(xué)中的應(yīng)用范圍和應(yīng)用價(jià)值很大[6-9]。

礦山電工虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)可以完善和彌補(bǔ)傳統(tǒng)理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，一方面可以最大限度地共享實(shí)驗(yàn)資源，降低實(shí)驗(yàn)成本；另一方面可以突破時(shí)空限制，豐富教學(xué)的內(nèi)容和形式。對(duì)于礦山電工的教學(xué)，可以結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，提高課程的生動(dòng)性和趣味性，促使學(xué)生主動(dòng)參與其中，提高教學(xué)效果。主要可在以下幾個(gè)方面體現(xiàn)[10]：

（1）礦井供電系統(tǒng)及供電設(shè)備。

通過虛擬仿真技術(shù)，結(jié)合具體礦井供電條件，建立從礦井地面變電所到井下中央變電所，再到采區(qū)變電所、移動(dòng)變電站、采掘工作面配電點(diǎn)直至具體用電設(shè)備的一整套礦井供電系統(tǒng)，使各級(jí)變電所內(nèi)設(shè)備的布置以及各電器設(shè)備，比如高壓配電開關(guān)、變壓器、低壓饋電開關(guān)、磁力起動(dòng)器、檢漏繼電器等主要電器元件的內(nèi)部主要元件能夠具體生動(dòng)地展示出來。通過虛擬仿真教學(xué)軟件，把礦井使用的先進(jìn)電器設(shè)備和用電負(fù)荷具體生動(dòng)地展示出來，使學(xué)生沉浸在整體礦山供電系統(tǒng)的虛擬環(huán)境中，了解整個(gè)礦井供電系統(tǒng)以及井下各場(chǎng)所使用的安全和生產(chǎn)設(shè)備，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

（2）短路電流計(jì)算。

常規(guī)短路電流計(jì)算是在確定短路計(jì)算點(diǎn)后繪制等值計(jì)算圖，然后把從系統(tǒng)到短路點(diǎn)的總阻抗計(jì)算出來，利用總阻抗計(jì)算三相短路電流值，再通過三相短路電流計(jì)算兩相短路電流、短路電流的沖擊值、沖擊電流的有效值和短路容量。在對(duì)高低壓開關(guān)保護(hù)裝置整定時(shí)，可以通過最大三相短路電流來校驗(yàn)保護(hù)裝置的承載能力，利用最小兩相短路電流校驗(yàn)保護(hù)裝置動(dòng)作的靈敏性。利用虛擬仿真教學(xué)軟件，可以顯示從系統(tǒng)到短路點(diǎn)的各處電器元件以及電纜的電阻和電抗值，一方面可以切換短路點(diǎn)的位置，使學(xué)生可以計(jì)算各處短路點(diǎn)的短路參數(shù)，對(duì)各位置的短路參數(shù)有個(gè)縱向的比較，另外對(duì)于最大三相短路電流和最小兩相短路電流的位置也可以通過虛擬仿真互動(dòng)，讓學(xué)生操作選擇，加深學(xué)生對(duì)保護(hù)裝置動(dòng)作整定校驗(yàn)的理解。

（3）安全用電及保護(hù)。

煤礦井下三大保護(hù)：漏電保護(hù)、保護(hù)接地和過流保護(hù)。通過虛擬仿真軟件展示發(fā)生漏電故障以及可能造成人身觸電的原因，通過人機(jī)互動(dòng)，模擬礦井發(fā)生漏電的各種情況（包括單相漏電、兩相漏電和三相漏電以及發(fā)生人身觸電）時(shí)，檢漏繼電器和低壓開關(guān)漏電保護(hù)裝置的動(dòng)作，以及選擇性漏電保護(hù)動(dòng)作的發(fā)生順序。對(duì)于保護(hù)接地，通過對(duì)全礦井保護(hù)接地系統(tǒng)的展示，讓學(xué)生直觀地了解整個(gè)礦井井下接地網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，對(duì)于接地保護(hù)對(duì)人身觸電安全的作用也可以通過人機(jī)互動(dòng)，模擬有保護(hù)接地和無保護(hù)接地條件下，發(fā)生人身觸電時(shí)流過人身的電流，更加深入地反映保護(hù)接地的作用。對(duì)于過流保護(hù)，可以將各種過流保護(hù)元件的動(dòng)作原理以及在過流保護(hù)中起到的作用通過動(dòng)畫形象具體地體現(xiàn)出來。

（4）采掘機(jī)械設(shè)備的電氣控制。

機(jī)械設(shè)備的電氣控制主要是通過磁力起動(dòng)器來控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止和正反轉(zhuǎn)，以及通過聯(lián)鎖控制實(shí)現(xiàn)滿足一定操作程序的控制，比如風(fēng)電閉鎖、多臺(tái)膠帶運(yùn)輸機(jī)的連鎖起動(dòng)等。通過虛擬仿真可以把磁力起動(dòng)器控制電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作原理，特別是各個(gè)元器件的動(dòng)作順序生動(dòng)具體地展示出來。另外可以讓學(xué)生自己進(jìn)行磁力起動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)及電源間的線路連接，學(xué)生可以進(jìn)行嘗試，給了學(xué)生犯錯(cuò)和多次嘗試的機(jī)會(huì)，使學(xué)生能更深入、有效地掌握設(shè)備電氣控制原理。

（5）礦井供電設(shè)計(jì)計(jì)算。

礦井供電設(shè)計(jì)部分，是對(duì)前面知識(shí)的總結(jié)和實(shí)際應(yīng)用。由于設(shè)計(jì)過程中，需要合理利用礦井的開采方案和設(shè)備選型結(jié)果，通過人機(jī)互動(dòng)，讓學(xué)生結(jié)合礦井實(shí)際情況，按照礦井供電設(shè)計(jì)步驟，完成礦井供電設(shè)計(jì)的每一部分內(nèi)容，比如礦井各級(jí)變電所以及工作面配電點(diǎn)的位置的確定、供電方案的確定，礦井各級(jí)變電所內(nèi)變壓器、高壓開關(guān)柜、低壓配電裝置以及各段電纜的選型和校驗(yàn)，使學(xué)生通過人機(jī)互動(dòng)掌握整個(gè)礦井各部分的設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)內(nèi)容。

3 礦山電工虛擬仿真教學(xué)實(shí)施

（1）礦山電工虛擬仿真教學(xué)方案制定。

首先對(duì)礦山電工教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行修改，根據(jù)課程章節(jié)增加虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)，把虛擬仿真教學(xué)融入課前預(yù)習(xí)、課程教學(xué)、課后作業(yè)、成績(jī)考核等教學(xué)計(jì)劃中。

（2）礦山電工虛擬仿真教學(xué)過程[11-14]。

①在開展虛擬仿真教學(xué)前，先在傳統(tǒng)課堂上對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，并且結(jié)合下節(jié)課虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容布置相應(yīng)的預(yù)習(xí)任務(wù)，這樣有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)相關(guān)知識(shí)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，從而在虛擬仿真學(xué)習(xí)過程中有的放矢、更加高效。通過目標(biāo)任務(wù)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)思考的習(xí)慣和能力，提高課堂學(xué)習(xí)效率。

②在虛擬仿真教學(xué)開始時(shí)，對(duì)學(xué)生的課前學(xué)習(xí)情況進(jìn)行檢查，并對(duì)學(xué)生預(yù)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行解答。指導(dǎo)學(xué)生開啟教學(xué)設(shè)備，進(jìn)入相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容界面，并確定本節(jié)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的操作。學(xué)生開始學(xué)習(xí)后，認(rèn)真回答學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的疑問，爭(zhēng)取將相關(guān)難點(diǎn)和疑問當(dāng)堂解決。

③課程結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容和學(xué)習(xí)效果進(jìn)行總結(jié)，以加深學(xué)生對(duì)本節(jié)課程知識(shí)內(nèi)容的理解與掌握，同時(shí)加強(qiáng)與學(xué)生的交流，了解虛擬仿真教學(xué)過程中應(yīng)該加強(qiáng)和改善的部分，以便更好地完善仿真系統(tǒng)內(nèi)容，提高虛擬仿真教學(xué)效果。

④另外，對(duì)于要進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)實(shí)操的相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以先對(duì)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)理論知識(shí)的講解，使學(xué)生知曉實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟等，再指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入虛擬仿真系統(tǒng)操作界面進(jìn)行操作，獲得相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

（3）礦山電工虛擬仿真教學(xué)考核。

礦山電工虛擬仿真教學(xué)的考核主要表現(xiàn)在平時(shí)課堂實(shí)操階段和期末操作考核階段，通過平時(shí)成績(jī)和期末考核成績(jī)，從學(xué)生專業(yè)知識(shí)掌握、技能操作水平以及學(xué)習(xí)態(tài)度等多方面綜合評(píng)判學(xué)生在虛擬仿真教學(xué)過程中的整體表現(xiàn)[15]。通過教學(xué)考核，督促學(xué)生認(rèn)真投入學(xué)習(xí)，積極思考，最終充分掌握教學(xué)內(nèi)容，提升綜合能力。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，通過利用虛擬仿真教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生更加深入地參與到課程教學(xué)過程中，提高學(xué)生對(duì)整個(gè)礦井供電系統(tǒng)的整體認(rèn)知水平，加深學(xué)生對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)和理解，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，從而提高課堂效率，使學(xué)生真正地理解所學(xué)課程內(nèi)容，并能結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況運(yùn)用所學(xué)知識(shí)技能。