數字化虛擬礦山實習課程建設及實踐

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2025）14-0038-04

Abstract：Fromthetop-leveldesignofdigitalteachingreformforthecultivationofinovatietalentsinintellgentmining，the courseobjectivesandinovativepracticecontentsofthefistdigitalvirtualminingintershipcoursewereestablished.Usingdigital simulationtechnologyandinformationtechnologythreevirtualsimulationteachingsystemsforundergroundcoalmines，undergound metal minesandopen-pitcoalminesweredevelopedandconstructed，andanonlineminingvirtual simulationpracticeteaching programandmanagementplatformweredevelopedandconstructed.Animmersiveandinteractiveminingvirtualsimulation laboratoryhasbeenbuilt，andspecialinstructionalmaterialsforvirtualminepracticehavebeenpublished.Thecoursereates practiceconditionsthatcannotbeprovidedbymodernandrealisticmines，andguidesstudentstoleamandpracticeinahighly simulatedvirtualmineenvironment，breakingthroughtraditionalteachinglimitations，expandingthedepthandbreadthofpractical teaching，transfomingcognitiveexperimentationintoinovativepractic，andcultivatingstudents’innovativeandpracticalsils throughimmersiveandinteractiveoperationaltraining，aswellasonlineandoflinehybrid，guided，independentinquiryand collaborativeapproaches.Thisprogamisdesignedtotransfomcogntiveexperimentationintoinnovativepractice.Thenewodelof digitalvirtualminepracticeanddigitalteachingmethodsforhetrainingofinovativetalentsininteligentmining，consitigof specialteachingmaterials，onlineandoflineminingvirtualsimulationteachingresources，virtualsimulationlaboratoriesand courses，providesanewwaytosolvetheworldwideteaching problemof dificultminepracticeand innovative practice.

Keywords：digitalteaching；vitalsimulation；mingingenginering;digitalvitual mininginternshipcourse；experimental teaching

習近平總書記在黨的二十大報告中特別強調要“推進教育數字化”。教育數字化是我國開辟教育發展新賽道和塑造教育發展新優勢的重要突破口。2021年7月《教育部等六部門關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》，提出推動教育數字轉型；2022年2月印發的《教育部2022年工作要點》，提出實施教育數字化戰略行動。推動高等教育與數字技術的融合已成為實現高等教育高質量發展的迫切需求[1-3]。

一課程改革思路和要解決的重點問題

礦山實習是采礦工程專業實踐教學的重要環節，其主要目的是將課堂理論教學和現場實踐教學結合起來，通過礦山現場實習，使學生對采礦生產環境、生產系統、工藝技術、設備設施、安全環保、企業管理和運作等有真切感知和深入了解，掌握主要采礦設備及工藝技術的實際操作技能，提高礦山系統設計和優化能力，提高創新實踐能力。礦山實習從認識層面、基本技能訓練層面到解決復雜工程問題層面進行多層次實踐教學，培養大學生的工程視野，綜合性、實踐性和創新性的專業素質，樂于奉獻艱苦礦業的高尚情懷。由于礦井（山）生產系統及環境極其復雜，實驗室無法還原大型昂貴設備配套作業的礦井（山）生產工藝系統和生產環境，現代化礦井因為受危險環境、繁忙生產以及生產系統大多布置在井下復雜環境等因素影響無法提供充分的實習、實踐條件，也由于傳統礦山實習及實踐教學模式的局限性，長期以來一直存在礦山實習實踐難、創新實踐教學效果不佳的世界性教學難題。蓬勃發展的智能采礦融合了信息、控制、人工智能等多學科高新技術，其實踐教學更是抽象復雜。采礦工程專業智能化發展對傳統實踐教學方法提出了迫切的改革要求[4-10]。

虛擬礦山實習課程是首創的數字化虛擬仿真礦山實習實踐課程，其改革宗旨是根據采礦智能化專業教學特點和存在的問題通過數字技術改革傳統教學方法，以思政為引領，以培養智能采礦人才創新實踐能力為目標，通過系統的數字化虛擬仿真實踐教學，解決長期存在的礦山實習難和智能采礦創新人才培養實踐教學難的世界性教學難題，支撐專業建設發展，提高人才培養質量，促進采礦工程實踐教學數字化的創新發展。

二 課程建設及發展歷程

虛擬礦山實習課程的創建始于2017年，在重大教改項目、國家重點研發專項、教育部產學育人重大項目支持下，持續進行了課程的仿真教學資源、仿真虛擬實驗室、虛擬礦山實習課程、專用教材等的建設和改進提高工作。

（一）地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦采礦虛擬仿真教學資源建設

煤礦井工開采、地下金屬礦開采和露天礦開采是固體礦物開采的三種形式，為滿足教學培養需要，從智能采礦創新人才培養教學改革頂層設計，根據數字化實踐教學改革目標，采用主動立體顯示技術、VR頭顯技術、傾斜攝影測量技術、透明化礦區構建技術、虛擬仿真實操系統數據同步技術、虛擬現實外設交互技術等先進虛擬仿真技術，以大型現代化地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦為原型背景，首次體系化全方位建成地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦三大虛擬仿真教學系統。采礦虛擬仿真系統邏輯構架如圖1所示，具有靈活的可修改性和擴展性，能夠在教學應用實踐中持續完善和改進提高[11-14]

為實現地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦系統化全方位的數字化虛擬仿真實習實踐的教改目標，從礦山地質、地面工業系統、開拓系統、準備系統、輔助生產系統、采掘生產系統、智能采礦系統、災害事故和安全環保等方面構建120余項大型復雜沉浸顯示和交互操作訓練的采礦虛擬仿真教學單元。

通過仿真教學單元，仿真教學系統構建了從井上到井下、從宏觀到微觀的礦井高危、極端的虛擬場景，全方位、立體化地仿真整個礦井生產環境和各工藝流程，進行不可及或不可逆的操作訓練，創建了一系列高成本、高消耗、大型或綜合創新實踐教學項目。礦井的種類也涵蓋了井工礦、露天礦和金屬礦三種，真正實現了統一平臺下的全礦井虛擬仿真教學。

虛擬仿真軟件系統采用精細化建模、實時光影、云渲染等技術[15-17提高仿真模型的逼真度，為教學創造高度逼真的礦山現場沉浸式感知學習和交互操作訓練虛擬仿真實踐平臺。

（二）線上虛擬仿真教學資源建設

為拓展教學領域和空間，研發了線上采礦虛擬仿真教學項目和教學管理平臺，線上采礦虛擬仿真教學項目已獲評國家級一流虛擬仿真本科課程[18]。

線上教學項目為學生提供了自主探究式的創新訓練平臺。通過沉浸式顯示和交互式操作實驗平臺引導學生建立礦井生產系統真實感認知；掌握綜放工作面主要設備的結構、工作原理及操作方法；掌握綜采放頂煤工藝各作業工序的技術要點和實際操作能力；掌握綜放工藝技術、流程、方法和循環作業過程，培養綜采放頂煤現場生產組織、管理能力。

（三）沉浸交互式虛擬仿真實驗室建設

采用先進虛擬仿真技術建成沉浸顯示和交互式采礦虛擬仿真實驗室硬件環境系統。虛擬實驗室的建設遵循技術先進性、穩定性、開放性、可擴展性和高性能價格比原則，突出沉浸式顯示和實時交互操作功能。系統總體組成包括：三維可視化工作站系統、虛擬仿真軟件系統、圖像生成與渲染系統、沉浸式投影顯示系統、6自由度三維交互系統、數字圖像邊緣融合與幾何校正系統以及頭盔顯示器、井下模擬設備、3D立體眼鏡和3D音響系統等輔助系統，階梯式布置虛擬仿真終端設備[]。

（四） 教材建設

2021年由冶金工業出版社出版了第一部57萬字的采礦虛擬仿真教材《采礦虛擬仿真教程》[。該教材依托采礦虛擬仿真教學系統，以現代化實際礦井為原型背景，還原了礦井作業環境、工業場景、生產系統、技術工藝、設備設施、智能采礦和災害事故管理等的真實場景和生產過程，以虛擬仿真三維可視化方式系統介紹了煤炭開采地面工業系統、開拓方式、準備方式、輔助生產系統、采掘生產系統、智能采礦系統、災害事故、安全環保和露天開采等方面的虛擬仿真教學內容和相關基礎理論知識。

（五） 師資隊伍建設

組建了結構合理、力量雄厚的師資隊伍。課程團隊為高校優秀本科育人團隊、第二批全國高校黃大年式教師團隊核心成員。團隊承擔多項教改項目，推動課程建設縱深發展。

（六） 不斷改革提高

以社會需求為導向，深化課程建設。先后邀請國家應急管理部、教育部教指委、專業認證專家以及煤炭和冶金礦山企業專家、相關高校同行專家進行指導，在教學實踐中不斷改進提高。

三 課程目標和課程內容

（1） 課程目標

目標1：在三維虛擬仿真環境里，系統學習和掌握地面工業系統、開拓系統和準備方式、各種輔助生產系統、掘支工藝系統、各主要采煤工藝和方法、智能采礦系統、災害事故和安全環保、金屬采礦和露天采礦等礦山系統和生產工藝知識，建立礦山開采整體系統概念。

目標2：通過交互操作訓練，學習采煤機、液壓支架、刮板輸送機和綜掘機等采煤設備的設備結構和操作方法，學習綜掘工藝、錨桿錨索支護工藝、綜采工藝、綜放工藝、智采工藝實踐操作流程和方法，培養創新實踐能力。

目標3：通過課程思政學習，提高工程視野和礦山開采系統分析能力，了解相關安全生產法規，培養礦業奉獻精神和環境保護責任意識，建立職業道德和社會責任意識以及團隊協作精神。

（二） 課程內容

依托地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦三維虛擬仿真實驗教學系統和線上教學資源，引導學生全方位學習地下煤礦開采、地下金屬礦開采和露天礦開采知識和創新實踐。以真實場景沉浸感知和交互操作訓練方式，使學生系統感知和學習礦井真實環境、工業場景、設備設施、工藝技術流程等礦山知識和生產工藝技術及設備操作技能，達到虛擬礦山實習、創新實踐的教學目的。主要虛擬實習實踐內容如下。

① 礦山地質：煤的知識、地質勘探、煤巖層、地質構造、采礦地測圖件。 ② 地面工業系統：虛擬礦井簡介、工業廣場、工業建筑、設備及設施、行政辦公樓、主井提升系統及設備、副井提升系統及設備、地面煤流系統、主通風機房、壓風機房、注漿注氮機房、礦井地面主變電所、坑口發電廠、瓦斯抽放泵站、選煤廠、機修車間、救護隊綜合樓、調度室。 ③ 開拓方式：立井開拓、斜井開拓、綜合開拓、平確開拓、多井筒分區域開拓。 ④ 準備方式：上下山采區準備工藝系統、盤區準備工藝系統、帶區準備工藝系統。 ⑤ 輔助生產系統：主井提升系統、副井提升系統、主運輸系統、輔助運輸系統、通風系統、供電系統、排水系統、壓風系統、防滅火（消防、注漿、注氮）系統、瓦斯抽采系統、灑水防塵系統。 ⑥ 采掘生產系統：綜掘工藝系統、錨網索支護工藝、綜采系統、綜放系統、充填采煤工藝、柱式采煤法、三下一上采煤法。 ⑦ 智能采礦系統：智能采礦系統、三維礦山建模技術，智能采礦數字孿生、基于TGIS的可視化管控技術、透明化智能綜采系統。 ⑧ 災害事故：礦井水災、頂板事故、沖擊地壓、礦井火災、瓦斯爆炸事故、煤塵爆炸事故、煤與瓦斯突出、機電運輸事故。 ⑨ 安全環保：安全監測監控系統、人員井下定位及動態監管系統、壓風自救系統、隱患排查、安全行為管理、采煤塌陷區治理。 ⑩ 地下金屬礦開采：工業廣場布置、開拓系統、采場準備、采礦方法、提升運輸、掘進工藝、爆破工藝、支護工藝、采礦工藝、遠程控制無人采礦工藝。①露天采礦：采場構成、地面布置方式、生產作業過程、生產設備、間斷開采工藝、連續開采工藝、典型半連續開采工藝。

四教材引導的線上線下混合式虛擬礦山實習教學模式及實踐

課程在專用教材引導下，采用線上線下混合式虛擬實習教學模式。

為拓展教學領域和空間，構建學生自主探究式學習機制，本課程采用線上線下混合教學模式。線上學時為 25% ，線下學時為 75% 。

依托的線上教學資源主要為國家級采礦虛擬仿真實驗教學一流課程，學生通過國家實驗空間網絡平臺（www.ilab-x.com）進行自主探究式學習和創新訓練，教師通過網絡平臺在線上進行答疑和指導。

線下主要依托地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦三大采礦虛擬仿真教學系統和虛擬仿真實驗室以及相關實體實驗室和設備展開虛實結合的實習實踐活動。

虛擬礦山實習突破傳統教學“參觀式\"實習模式，制定系統性、全方位、立體化的礦山虛擬實習教學日歷和教學計劃。學生通過教材預習相關基礎知識和實習單元的內容，在逼真的虛擬環境中，在老師指導下進行沉浸式感知學習、交互操作訓練、課堂討論、分組探究實踐和創新實踐。

從2018年起，本課程就承擔了采礦工程專業虛擬礦山實習實踐線上線下教學任務，課程深受學生喜愛并獲得高度評價，極大激發學習熱情和自主創新實踐能力，取得良好教學效果，尤其是在新冠感染疫情期間發揮了重要的教學支撐作用，保障了學生培養質量，如圖2、圖3所示。

五結論

1）構建了高度仿真的虛擬礦山教學環境，突破了受限于現實礦井空間、安全及資源條件所帶來的實踐教學局限。通過沉浸式體驗與交互式操作相結合的訓練方式，實施了線上線下混合教學，同時融合引導式、自主探究式與協作協同式的教學策略，實現了從認知實驗向創新實踐的有效轉化。在提升學生實踐能力與工程素養的同時，推動了實踐教學的系統化、透明化與數字化發展。

2）課程內容緊密結合智能采礦領域的最新科研進展，借助沉浸式數字孿生技術，將高度抽象與復雜的理論知識可視化與操作化，顯著降低了學生的理解門檻，提高了學生對智能采礦關鍵技術的掌握程度與實際應用能力。

3）構建了集專用教材、虛擬仿真實驗平臺、線上線下一體化教學資源與核心課程于一體的智能采礦人才培養數字化教學體系。形成了以“虛擬實習一技術訓練一創新實踐\"為核心鏈條的實踐教學新范式，為解決全球礦業工程教育中普遍存在的實習條件受限與創新實踐難開展等問題提供了有效路徑。

參考文獻：

[1]徐冉，陳武元.以二十大精神為指引推動高等教育數字化轉型[J].高校后勤研究，2023，23（4）：1-4.

[2]杜宜珊，馮思圓.高等教育數字化轉型實踐與未來展望—高等教育數字化轉型國際研討會綜述[J]中國教育信息化，2023，29（5） ：31-40.

[3]吳砥，李玲，吳龍凱，等.高等教育數字化轉型的國際比較研究[J].國家教育行政學院學報，2023，23（4）：27-36.

[4]陳冬冬，謝生榮，吳仁倫，等.采礦工程專業課程虛實結合教學模式探索[J].科教導刊，2023，23（3）：78-80.

[5]劉鵬，鞠楊，毛靈濤.可視化實驗方法在采礦工程實踐教學中的應用[J].高教學刊，2023，23（18）：126-129.

[6]趙興東，曹建立，陳松.采礦工程專業本科教學體系改革與建設模式研究[J].高教學刊，2023，23（1）：151-154.

[7]趙紅澤，孫振明，閆寧，等.疫情背景下虛擬仿真教學在采礦工程中的應用模式研究[J].高教學刊，2022，22（24）：89-93.

[8]趙興東，陳松，徐世達，等.采礦工程專業實習創新模式研究[J].高教學刊，2020，20（14）：35-39.

[9]王石，王玉杰，鐘文，等.工程教育認證背景下采礦工程專業畢業實習教學改革探索[J].高教學刊，2021，21（11）：84-87.

[10]朱衛兵，王曉振.基于學科優勢的采礦工程專業生產實習改革探討[J].煤炭高等教育，2016，3（3）：113-115.

[11]侯運炳，楊大鵬.采礦體系化全方位虛擬仿真教學方法和虛擬實習基地研究與實踐[J].科教導刊，2021，21（17）：38-40.

[12]侯運炳，姜喜迪，權偉隆.采礦與安全虛擬仿真實驗教學系統的搭建[J].教育現代化，2019，6（46）：40-43.

[13]姜喜迪，侯運炳.采礦安全虛擬仿真教學系統在采礦工程教學中的應用[J].科教導刊，2019，10（23）：131.

[14]薛黎明，張藝，王豪杰.高校采礦工程虛擬仿真實驗平臺建設研究[J].中國現代教育裝備，2021，21（5）：16-19.

[15]孫振明，侯運炳，王雷.基于云渲染的虛擬仿真實驗教學實踐分析[J].實驗科學與技術，2022，20（6）：38-42.

[16]孫振明，侯運炳，王雷.實時光影技術在虛擬仿真實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2022，39（2）：78-81，109.

[17]孫振明，侯運炳，王雷.云渲染技術在虛擬仿真教學系統中的應用[J].實驗技術與管理，2020，37（7）：136-139.

[18]侯運炳，楊大鵬，張勇，等.綜采放頂煤工藝技術虛擬仿真實驗教學[J].實驗技術與管理，2020，37（11）：151-155.

[19]侯運炳，樊靜麗.采礦虛擬仿真教程[M].：冶金工業出版社，2021.