煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐

宋正國 彭延軍 刁秀麗

摘要：在煤礦安全開采領域，面臨著實驗教學手段缺乏創新、優質教學與實驗資源匱乏等問題。為了解決傳統煤礦開采實踐教學與人才培養之間的一些突出矛盾，利用虛擬仿真實驗技術，結合面向工程實踐培養應用型人才的現實需要，論述煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學中心建設理念，構建煤礦安全開采“階段化、層次化、模塊化”的實踐教學體系，開發“高度仿真、虛實結合、開放共享”的虛擬仿真實驗系統與虛擬仿真實驗教學資源，以改善煤礦安全開采實驗教學環境，提升學生創新意識、實踐能力與自主學習興趣。

關鍵詞：煤礦安全開采;虛擬仿真;實驗教學中心;虛實結合

DOI：10.11907/rjdk.192225

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）012-0195-04

0引言

隨著虛擬現實技術與互聯網技術的迅速發展，互聯網+時代的學習方式發生了重大變革。用于培養學生實踐能力、創新能力以及合作解決問題能力的實驗教學是高校教育改革的關鍵之一。目前，我國傳統實驗教學面臨實驗教學手段缺乏創新、優質教學與實驗資源匱乏等問題，因此，本文嘗試利用虛擬仿真實驗技術構建虛擬實驗教學環境解決以上問題。我國自2014年設置國家虛擬仿真實驗教學中心以來，已經有幾百所實驗教學中心獲批國家級虛擬仿真實驗示范中心。通過“中國知識資源總庫”，以“虛擬仿真實驗中心”為關鍵字進行檢索，可檢索到2013年11月以來的期刊、會議論文等共237篇，主要內容包括實驗中心建設經驗、資源建設實踐探索以及實驗中心建設體系等。

目前，我國虛擬仿真實驗中心建設已卓有成效，也取得了很多成果。在實驗平臺與系統構建方面，文獻[1]構建虛擬仿真教學平臺和虛擬仿真實驗系統，平臺具有開放性、互動性，學習者可以自主設計實驗內容、調用系統實驗資源，系統具備協同模擬實驗功能;文獻[2]組建“一個導向、兩個特色、三個環境、四個階段”虛擬船舶交互實驗平臺，采用四位一體的虛擬實驗教學模式，改善實驗教學環境;文獻[3]建成開放性虛擬仿真實驗教學平臺，發揮多學科交叉優勢，并采用多元化的實驗教學資源建設模式。在實驗資源建設方面，文獻[4]開發網絡共享化和虛實結合的虛擬仿真實驗項目，并介紹了煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學系統模塊構成;文獻[5]利用三維虛擬仿真與VR教學資源開發采煤機虛擬仿真模擬實驗教學系統，學習者可以針對采煤機結構、工藝流程和自動化割煤等內容進行實驗。學者們還對虛擬仿真教學應用方面進行探討，如文獻[6]針對傳統實驗教學過程中存在的問題，探討虛擬仿真實驗在物理化學實驗課程中的應用;文獻[7]探索虛擬仿真技術在移動通信智慧課堂中的有效應用。本文針對煤礦安全開采領域，全面介紹煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學中心建設理念、實踐教學體系構建、虛擬仿真實驗系統以及實驗中心應用等。

煤炭是我國社會經濟發展最主要的能源之一，事關國家能源穩定大局。對于高校的采礦、安全、地質、測繪等煤礦相關專業而言，人才培養數量和質量對于能源供給與煤礦安全有著極為重要的意義。目前，受煤礦井下安全開采環境以及實習、實訓條件限制，一方面，學生井下實習難度較大，很大程度上影響了人才培養質量;另一方面，由于存在如煤礦開采危險程度較高、重特大安全事故不可再現及煤炭資源合理利用等諸多問題，亟需運用虛擬現實、多媒體、智能仿真等計算機技術實現煤礦安全開采虛擬仿真，為煤炭行業人才培養、煤礦企業員工培訓等創造實習實訓條件。

1中心建設理念

煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學中心依托數字礦山實驗室、虛擬現實實驗室、多媒體技術實驗室、采礦仿真實驗室、煤礦機械仿真實驗室、地質可視化技術實驗室及地理信息系統實驗室等7個實驗室，面向全校的采礦工程、安全工程、測繪工程、資源勘查工程、地理信息系統、計算機科學與技術等10個本科專業開展教學與科研工作，主要研究煤礦生產與培訓中面臨的高危環境，將地下不可見的復雜地質體、斷層、煤層進行數字化與可視化。為適應山東省綠色能源強省建設及智慧礦山的快速發展，解決煤礦開采創新人才培養面臨的實踐、實習與生產中的高危環境問題，該中心以采礦工程國家重點學科（培育）、計算機軟件與理論山東省特色重點學科為支撐，依托煤礦安全開采實驗教學中心，聯合山東藍光軟件有限公司，以應用創新型人才培養為目標，創新人才培養模式，整合校內實驗教學資源，推進實驗教學改革，開展煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學模式的創新研究。

實驗教學中心秉承“實驗是培養學生工程素質和創新能力最有效教學形式”的理念，初步形成“啟迪創新思維，培養創新能力，虛實結合，提高解決煤礦安全開采工程實際問題能力”的教學理念。緊密結合國家發展綠色能源的需要，充分利用學校在煤礦相關專業與計算機學科方面的優勢，創新煤礦安全開采虛擬仿真創新人才培養機制，推動數字礦山建設與發展。基于云計算技術，應用虛擬、仿真等實驗技術手段，突破分課程、分專業建設實驗室的局限，整合優化煤礦相關專業的實驗教學環境，打造開放共享、軟硬件一體的煤礦安全開采實驗教學平臺，開發與進一步豐富虛擬仿真實驗教學資源，實現對實驗教學資源的高效利用。基于“高度仿真、開放共享、虛實結合”的虛擬仿真實驗系統，全面改善實驗條件，同時進行實驗教學方法、實驗模式等方面的改革研究與實踐探索，以培養學生工程實踐能力，激發學生創新意識，開拓學生專業視野。

2實驗教學體系

中心以“虛擬與現實結合，提高解決煤礦安全開采工程實際問題能力”的綠色礦山安全開采教學理念為指導，以培養學生“工程實踐能力、行業適應能力、創新能力”為目標，構建“三階段、四層次、多模塊”的虛擬仿真實驗教學體系。實驗教學體系架構如圖l所示，可實現“煤礦安全虛擬仿真教學、煤礦生產虛擬仿真綜合實踐、煤礦安全生產模擬操作、校內實習礦井實習、煤礦現場實習、煤礦生產”等各階段實踐教學任務，并兼具人才培養、生產仿真、事故重現功能。其中，“三階段”是指礦山開采基本原理、生產環節虛擬仿真教學、礦山開采虛擬仿真綜合實踐3個階段，實現學生能力的全方位培養;“四層次”是指基礎性實驗、驗證性實驗、工程綜合性實驗及創新性實驗4個實驗層次，實現學生基礎與創新能力的遞進式培養;“多模塊”是指地測、采掘、機電、通風、安全、運輸等多個不同模塊，涵蓋煤礦安全開采各個相關領域，各實驗模塊根據煤礦開采技術進展不斷更新實驗項目，實現實驗教學與煤炭安全開采領域科技發展前沿的緊密結合。

實驗教學中心逐步加大校企合作力度和廣度，秉承“理論與實踐融合、虛實結合、能實不虛”的基本原則，將虛擬仿真實驗與實體實驗相結合。依托國內唯一的校內實習礦井（見圖2），該礦井包括地面工業廣場（井口房、天輪架、絞車房、井口平車場、防爆蓋、地面壓風機房、通風機房、反風道、煤礦常用小型設備拆裝車間、煤礦大型設備實習車間、井口專用教室等）與下巷道工程（斜井井筒、立井井筒、斜井井底車場、中央變電所、中央水泵房、運輸大巷、普采工作面、掘進工作面、地質巷道、平面交岔點、斜面交岔點、各種類型的巷道斷面和風門等）。礦井布局合理、功能齊全、操作流程規范、內容豐富，含采煤和掘進工作面各一個，具有采掘、機運、通風、排水、提升系統等各類設施。將虛擬仿真實驗與煤礦安全開采實驗課程中的實體實驗相結合，以豐富實驗教學手段，提高學生的綜合實踐技能。

3煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學平臺

以煤礦安全開采國家級虛擬仿真實驗教學示范中心為依托，構建豐富的實驗教學資源，打造開放共享、軟硬件一體的實驗教學管理系統與實驗平臺，如圖3、圖4所示。實驗教學管理系統可實現網上預約實驗、答疑、資料下載、網上虛擬實驗、信息發布、數據收集分析、互動交流、成績評定、成果展示等實驗教學管理功能。實驗平臺可按照煤礦安全生產規程進行煤礦井下極端復雜環境各生產環節的虛擬仿真實驗，并進行可視化遙控。

實驗教學中心依托自主研制的大型煤礦安全生產礦井模擬仿真實驗平臺和已建立的校內實習礦井，針對煤礦開采高能耗、高風險，以及事故不可逆等行業特性，綜合運用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，實現采煤、掘進、機電、運輸、通風、安全等各生產環節的虛擬仿真實驗，采用自主研發、科研成果轉化、校企合作3種模式，加強虛擬仿真實驗教學資源開發與建設，完善與擴充實驗教學項目，按照煤礦安全生產規程使用煤礦虛擬實驗儀器設備進行實驗。如綜合機械化放頂煤回采工作面虛擬仿真綜合實驗按照綜合機械化放頂煤開采實際情況，構建綜合機械化放頂煤開采虛擬仿真實驗過程與三維場景，動畫展現出雙滾筒采煤機割煤、前刮板輸送機運煤、放頂煤液壓支架放頂煤、后刮板輸送機運煤、順槽刮板輸送機運煤、液壓支架及時支護（先移架、后移溜）、供電系統展示等過程，可以直觀的方式將綜合機械化放頂煤開采工藝及工作面布置展現出來，以便讓學生掌握綜合機械化放頂煤開采工藝流程。

中心研發的虛擬仿真實驗教學平臺實現了對煤礦高溫、高熱、高濕等極端復雜環境下地測、采掘、機電、通風、安全、運輸等6大模塊的仿真，以及煤礦安全生產過程中的45個虛擬仿真實驗項目，部分虛擬仿真實驗場景如圖5所示。

同時，實驗教學中心聯合虛擬仿真科技企業和煤礦集團，注重產學研用相結合、校企聯合協同創新，實現科研設備、科研成果、研發人員、師資隊伍、實驗教學資源等資源共享，加快實現將科研成果轉化為實驗教學內容，以進一步拓展虛擬仿真實驗教學范圍、豐富實驗教學內容，開拓學生視野，完善學生知識結構，培養其綜合設計與創新能力。

4應用實踐

煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學平臺基于網絡進行仿真設計，通過終端設備進行虛擬實驗，可實現學生以不同角色在同一虛擬環境中進行實驗。

中心主要采用以下幾種教學模式進行實驗：①“網絡虛擬仿真”實驗教學模式。單純的人機互動式和演示性實驗項目堅持采用網絡虛擬仿真，實驗人員通過網絡終端進行訪問，并可以自主設計實驗項目;②虛實結合實踐教學模式。需要通過手柄、按鈕等進行操作的實驗項目將采用虛實結合的方法，并堅持能實不虛的原則，硬件操作臺設計按照實際設備外形進行設計與制作，仿真程度極高，實驗者能夠實際操控的部分力求真實，對類似礦井瓦斯爆炸場景、大型設備動作過程等存在重大隱患、高能耗、高成本問題的實驗部分才使用計算機仿真，以最大限度地提高實驗人員參與程度，提升實驗效果;③協同實驗教學模式。如工作面開采、巷道掘進、提升機提升、瓦斯抽采等均由多工種協同完成，也是由多種設備協同配合完成的。協同實驗可實現多種虛擬仿真設備的連接以及相互融合，實現學生在同一虛擬環境中以不同角色進行協同實驗。

中心作為培養學生開拓創新能力與實踐能力的重要基地，需要充分挖掘中心現有各項潛力，積極創造條件向學生開放，主要分為以下幾種類型：①科研型。主要面向高年級本科生與研究生，實驗室聘請正在主持重大項目的教師，定期發布一些科研項目中的子課題，吸收高年級優秀學生和科研能力強的研究生進入中心參與課題研究;②科技競賽型。針對每年舉辦的各類科技競賽，在導師指導下利用實驗中心設備與相關資源參與競賽活動;③自選實驗課題型。中心定期收集一些學生自擬課題，然后聘請有實踐經驗的教師對這些課題進行篩選，被選中的同學可以進人中心進行相關研究。

5結語

將虛擬仿真實驗教學應用于煤礦安全開采工程人才培養，可以解決傳統煤礦安全開采實踐教學與應用型人才培養之間的矛盾。本文依托煤礦安全開采國家級實驗教學中心，整合實驗教學資源，構建煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學平臺，開辟了煤炭安全開采實驗教學新模式，有效提升了學生的專業實踐能力、創新能力和學習興趣。在平臺后續建設過程中，還需要逐步完善系統軟件功能，加大力度開展校際合作與校企合作，開發更加豐富的虛擬實驗教學項目與教學資源，探索虛擬仿真實驗教學的新模式與新方法。