虛擬仿真技術在采礦人才培養中的應用研究

宋欣 王麗敏 屈年華 閆玉彪 程瞳

摘 要：在當前的采礦人才培養中，虛擬仿真技術體系的教學是必不可少的。在構建虛擬仿真采礦工程實驗體系，完善虛擬仿真技術資源的教學資源的同時，如何提高采礦人才的專業理念和水平，如何在教學課程中落實虛擬仿真技術實驗等等問題是當下采礦工程專業課程教學中思考的重點。

關鍵詞：虛擬仿真;采礦工程;課程教學;實踐

采礦是一個非常復雜的多維生產過程，在傳統的理論教學課堂中，學生單靠課本教材圖紙和教師言語表達是無法準確了解真實的采礦體系。因此實驗教學在采礦工程專業課程的學習中是非常重要的，但就像上面談到的一樣，諸多限制使實驗教學在采礦工作專業課程中的存在感并沒有那么強，學生們歸根究底還是側重理論的學習。也因此，采礦工程專業課程的革新迫在眉睫。

隨著現代科技的飛速發展，虛擬仿真技術已經日趨成熟，這對于采礦這些高危行業來說幫助十分大。在我國已經有部分高校建立起采礦工程的虛擬仿真實驗室，并將其用于采礦工程專業的課堂中。本文旨在針對虛擬仿真技術在采礦工程專業教學課程中的應用以及在此助力下如何培養采礦人才的方法進行探究。

一、當期采礦工程專業的教學現狀

歷來采礦工程專業的課程通常包含兩部分，即理論與實踐。理論課程自然包含采礦專業的基本理論知識、采礦方式、礦井開采設計等等諸多方式原理內容。理論課程的目的就是培養學生對采礦行業有一個全面徹底且系統化的認知。對于采礦工程專業來說，理論是基礎，采礦作為一個實踐性、交叉性都非常強的專業，要求學生在學習過程中更要掌握實際的技術能力。但是在當前的多數專業課程中普遍存在學生缺乏專業技能，沒有礦區實際的工作經歷，對于教學課程中所提到的采礦工具與機械停留在教材內容上，對于如何使用采礦機械卻一無所知。另外在采礦工程專業課程中的一個重點就是看懂并利用巷道布置圖，但是學生在校的學習多數情況下只是學習平面二維的圖紙，對于巷道沒有現場的實質感受，要想憑空想象出其具體形態實屬困難。再者，采礦工程是一個非常復雜的專業，其生產系統中又包含許許多多的細化的子系統，每一個子系統都能夠通過巷道系統來完成其所負責部分的工作，而每個子系統間的聯系也至關重要。因此，本就缺少對巷道實感的學生再去憑想象理清系統間的關系更是難上加難。

采礦工程專業是一個實踐性很強的專業，長期以來，采礦工程專業的課程不僅缺乏人力物力的支持，同時受限制于實驗教學場地的匱乏。在各個高校中，采礦工程專業的課程實踐通常分為兩種，一種是室內實驗，另一種則是校外礦區的現場實踐。無論哪一種都有其不可規避的缺點，以室內實驗來說，采礦工程專業課程中的實驗通常周期都比較長，但實驗設備不僅價格昂貴，而且維修起來費用也不低，對于高校教學來說負擔比較重。而分配學生到礦區現場去實踐，雖然能夠真實接觸到當前的采礦行業內部情況，但是采礦現場通常存在潛在安全問題，學生安全得不到保障，同時，學生外宿實習時的食宿也是一大問題。

在采礦行業的不斷發展過程中，綠色、安全和高效的采礦理念在行業中逐級被廣泛認可。為了能夠讓采礦行業更加持久的發展下去，應采礦行業需求，各個高校應該培養出不僅理論基礎扎實的高素質專業采礦技術人才，同時應該鼓勵學生加強實踐力度和創新能力。在此要求下，傳統的高校采礦工程專業課程必須做出改變。而考慮到傳統課程中實踐活動所存在的缺陷，尋求實踐新途徑迫在眉睫。

二、虛擬仿真技術在采礦人才培養中的可行性

虛擬仿真技術是上世紀80年代所開始研究的一種綜合性集成技術，它可以通過計算機硬件和軟件，以及傳感器的組合構成一個立體的三維虛擬環境。隨著研究的不斷深入，虛擬仿真技術在當下已經能夠非常逼真地虛擬出現實世界，人們在虛擬出的現實世界中可以看到非常具體的事物，并通過模擬器與虛擬環境互動。其實這項技術早已用在航空飛行員的技術培訓中，隨著虛擬仿真技術的發展，其普及程度也大大增加，已經不局限于課程教學的應用，日常生活的娛樂中也能看到它的身影。

若在采礦工程專業的課程中運用虛擬仿真技術，相較于其他實驗實踐活動，一個很大的優點就在于虛擬仿真技術不僅安全環保，同時價格低廉，又能夠多次重復使用。這很大程度上突破了原有實踐教學模式的限制。一方面學生們能夠通過虛擬的采礦實踐認識采礦作業過程中有可能發生的爆炸、火災等突發事故，掌握礦井在各種情形下的表現狀況，另一方面解決了學生在企業實踐中表面實習的窘狀，使學生又幾乎切實地熟悉礦井下的作用環境和工作流程等實際內容。

對于教師來說，虛擬仿真技術能夠協助其更加深入透徹地講解采礦專業課程內容，是專業知識可視化，大大提高了教師的教學效率。而對于學生來說，虛擬仿真技術使專業課程不再如傳統教材講解的那般枯燥深奧，提高了他們學習的積極性和專注度。可以說虛擬仿真技術為高校和企業培養高素質、專業能力強、創新能力突出的采礦人才提供了切實可行的技術手段。

三、虛擬仿真技術在采礦專業課程中的應用

3.1構建適合課程需求的虛擬仿真環境

我國的礦物地址條件非常復雜多變，因此將其簡單講解對于學生理解來說幫助不大。而采礦系統本身也非常復雜。若是能夠建立起完善的虛擬礦井環境，對于教師教學和學生學習兩者來說都是非常有用的。將礦井環境打破時空限制，以更加直觀的方式展現出來，不僅僅是教學課程的革新，對于培養采礦人才來說又多了一層保障，學生能夠在正式進入采礦行業之前不限次數地重復熟悉采礦作業，在進入采礦行業工作時就能夠更快的上手，專心投入到采礦作業中去。

3.2在課程中引入完善的虛擬仿真教學模式

在采礦專業課程中，針對不同的教育版塊，教師要能夠分門別類地靈活運用虛擬仿真技術。比如對于基礎理論中的難點重點，教師可以運用此將實驗過程可視化，如文字、圖片都可轉化成立體的三維環境，以此加強學生的理解。而對于需要礦井現場的實踐部分，教師可以通過下虛擬技術手段模擬再現礦井作用日常及突發災難等，提高學生對礦井作用和認知和安全意識。

3.3虛擬仿真教學要以學生為本

在課程中利用虛擬仿真技術最主要就是為了讓學生有礦井作用的實感。教師在引導學生進行虛擬仿真活動時，可以通過分組以及分配不同工作來鍛煉學生的實際操作能力，同時培養他們的合作能力。學生在通力合作后，再一起對采礦作用模擬中出現的問題進行總結討論，使學生們能夠重視并深刻理解理論基礎內容，激發學生不斷探索的求知欲和好奇心。

四、結束語

將虛擬仿真技術運用到采礦工程專業的教學課堂中，將理論學習中的難點重點通過模擬環境再現的方式，不僅能夠強化學生的理論基礎學習，為采礦人才的實踐和創新能力的提高提供支持，同時解決長久以來采礦專業課程在教學中的難題，促進教學效率的提高，為采礦工程專業的教學課程提供技術改革支持。

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黑龍江省教育科學“十三五”規劃2018年度備案課題，課題名稱“新工科背景下虛擬仿真技術在采礦工程中的應用研究”，課題編號“GJC1318092”。

（黑龍江工業學院 ?黑龍江 ?雞西 ? 158100）