虛擬現(xiàn)實技術(shù)在采礦專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

呂存英

摘 要：通常來講煤礦企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)重且安全事故責任重大，所以在對采礦專業(yè)學(xué)生展開教學(xué)時無法深入到一線崗位去進行實習，而傳統(tǒng)的采礦專業(yè)教學(xué)手段由于存在局限，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習中難以收獲良好效果。因此引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)去研發(fā)出采礦專業(yè)教學(xué)中所需要用的虛擬系統(tǒng)，對真實采礦工作進行模擬，進而在教學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮著重要價值。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù) 采礦專業(yè) 教學(xué) 應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要是指利用計算機軟件與實物對真實場景進行模擬，從而讓學(xué)生能夠身處于虛擬出的場景中去展開學(xué)習，這種教學(xué)方法的優(yōu)點便在于還原現(xiàn)實工作場景，提高了教學(xué)的形象性以及學(xué)生對知識的理解。而采礦專業(yè)是一門實踐性極強的專業(yè)，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用能夠與采礦現(xiàn)場生產(chǎn)場景進行融合，讓學(xué)生無須親身前往礦區(qū)便能開展實踐學(xué)習，對于提高采礦專業(yè)教學(xué)效果而言有著重要作用。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在采礦專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用價值

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)基于多項技術(shù)發(fā)展而成，能夠?qū)θ嗽谧匀画h(huán)境中的視覺、聽覺、觸覺進行逼真模擬，以高性能的計算機軟硬件與各種傳感器去為參與者營造身臨其境的感覺^[1]。隨著科技水平的提高，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在采礦專業(yè)教學(xué)的中的應(yīng)用也從最初的展望發(fā)展到如今的實際應(yīng)用，有著重要的應(yīng)用價值。具體來講，主要表現(xiàn)為如下幾點：

1.提高理論教學(xué)效率

采礦專業(yè)屬于復(fù)雜性和系統(tǒng)性均較強的專業(yè)，正因為這一特點的存在也導(dǎo)致采礦專業(yè)教學(xué)有一定的難度，對教師的教學(xué)方式提出更高要求。傳統(tǒng)的采礦專業(yè)教學(xué)模式并不能對其中許多內(nèi)容進行良好的解析，導(dǎo)致許多空間想象能力不足的學(xué)生對理論知識理解不足。而應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)去展示礦山模型，基于虛擬模型去講解理論知識，便能讓學(xué)生對礦山開采流程及方法有更深刻的理解。

2.提高教學(xué)實踐性

采礦專業(yè)知識概念多、系統(tǒng)性強且不易于理解，而傳統(tǒng)教學(xué)方式講述多而實踐少，難以取得良好的教學(xué)效果。而應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠明顯提高教學(xué)實踐性，教師可將書本中的二維模型轉(zhuǎn)化為立體化的三維模型，特別實在講解井巷結(jié)構(gòu)時更能講清楚不同井巷間的聯(lián)系與區(qū)別，從而對這一關(guān)鍵知識點有更為深入的把握。與此同時，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用還能對采礦生產(chǎn)中發(fā)生的安全事故進行模擬，讓學(xué)生親身經(jīng)歷爆炸、中毒、塌陷等事故，給予其最直接的安全教育，從而通過提高教學(xué)實踐性去培養(yǎng)學(xué)生井下操作的科學(xué)嚴謹態(tài)度。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在采礦專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

在教育領(lǐng)域應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)早已有了研究先例，并且取得了顯著效果，受到教育界的廣泛肯定，不僅能夠調(diào)動學(xué)生的學(xué)習積極性，同時也能為傳統(tǒng)教學(xué)注入全新活動。采礦專業(yè)教學(xué)通常可分為課堂教學(xué)與實習教學(xué)兩大部分，結(jié)合采礦專業(yè)實踐性較強的特點，我們可以應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)去開發(fā)出課程虛擬教學(xué)系統(tǒng)以及實習虛擬教學(xué)系統(tǒng)，將采礦專業(yè)中的各個工作場景融入其中展開教學(xué)。

1.采礦機械設(shè)備

在《采掘機械》課程當中主要要求學(xué)生掌握采礦機械設(shè)備的工作原理與操作技能，但是對這些大型設(shè)備學(xué)生往往只能夠從教材中看到圖片，模型都很難看到，更談不上實物。而應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)便能夠讓學(xué)生在礦山機械設(shè)備的虛擬系統(tǒng)中去感受，不但能夠看到相關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與工作原理，甚至還能夠置身其中去動手操作^[2]。比如可模擬出常見的井下設(shè)備，包括采掘設(shè)備、運輸設(shè)備、提升設(shè)備以及輔助設(shè)備等，還能夠?qū)ΦV井開采的生產(chǎn)系統(tǒng)展開動態(tài)化、三維化、實時化的模擬。

2.礦山內(nèi)部環(huán)境

《煤礦開采學(xué)》屬于采礦專業(yè)的主要課程，通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對整個礦山內(nèi)部環(huán)境進行模擬，不僅能夠滿足課堂教學(xué)要求，還能為學(xué)生的實習通過虛擬環(huán)境。在對礦區(qū)環(huán)境進行模擬時，需要將礦山生產(chǎn)服務(wù)系統(tǒng)全盤呈現(xiàn)，其中包含生活區(qū)、辦公區(qū)、機修區(qū)、選煤區(qū)、主副井、風井等等。同時進入到綜合開采工作面的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，學(xué)生便能夠真實感受到走在井下綜采工作面的狀態(tài)，不但能夠自由行走，還能夠在工作面去啟動與操作采煤機、移動液壓支架以及推動刮板輸送機等等，而這些知識僅僅依靠書面理解難以獲得良好的學(xué)習體驗，即便是下到真實礦井中去實習也未必有如此近距離的觀察，更談不上親自動手去操作^[3]。又如在對采場覆巖垮落動態(tài)的虛擬系統(tǒng)中，學(xué)生能夠利用這一虛擬系統(tǒng)通過預(yù)設(shè)采場頂板參數(shù)，從而推算出頂板的初次垮落步距與周期垮落步距，對不同類型頂板的垮落過程進行真實模擬，從而對各種礦山壓力假說有所了解，掌握頂板來壓規(guī)律，為今后的工作實踐奠定堅實基礎(chǔ)。

3.礦井巷道結(jié)構(gòu)

《井巷工程》同樣是采礦專業(yè)教學(xué)中的主要課程，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)我們能夠開發(fā)出對礦井巷道的虛擬系統(tǒng)，重點構(gòu)建井下主要巷道和硐室的模型，其中包含水泵房、井底車場、中央變電所、運輸巷、回風巷等等，對巷道中的結(jié)構(gòu)以及各種支護方式、不同斷面形狀、交叉點進行展示，形成全方位的礦井巷道空間布置立體模型。學(xué)生通過進入系統(tǒng)，能夠從地面下井開始，乘坐罐籠下降到井底車場，在中央泵房、中央變電所進行漫游參觀，觀察各類設(shè)備與設(shè)施，通過人機交互的方式進入模擬的井下巷道，帶上VR眼鏡以行走的方式完成在巷道的漫游全過程，從而產(chǎn)生身臨其境之感。同時，學(xué)生還可充分結(jié)合所學(xué)知識以及發(fā)揮想象，利用虛擬系統(tǒng)對井下各類巷道進行設(shè)計，設(shè)計完畢后可通過虛擬系統(tǒng)進入到巷道去進行檢查，驗證其設(shè)計的合理性與可行性。

結(jié)語

綜上所述，在采礦專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠?qū)虒W(xué)過程進行有效優(yōu)化，同時調(diào)動學(xué)生的學(xué)習積極性以及提高專業(yè)教學(xué)質(zhì)量，有效改善了該專業(yè)實習教學(xué)需要耗費大量經(jīng)費以及面臨大量安全風險的情況。如此一來，學(xué)生能夠通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中去感受采礦現(xiàn)場環(huán)境以及相關(guān)設(shè)備的操作，對專業(yè)學(xué)習中的理論進行實踐理解，大大提高了采礦專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

參考文獻

[1]李建忠.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在采礦專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].華北理工大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2012.

[2]趙自豪.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在采礦工程課程體系教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2011.

[3]郭兵兵，陳國祥，王國際.虛擬現(xiàn)實在采礦工程教學(xué)中的開發(fā)應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2011.