基于VR技術構建強化采礦實踐能力的教學模式探討

陳結 劉莉 牟俊惠 劉偉 王亮

[摘 要] 采礦工程作為傳統(tǒng)工科專業(yè)，實踐教學是人才培養(yǎng)的重要組成部分。由于采礦專業(yè)的特殊性，現場的專業(yè)實踐會耗費較大的人力、物力、時間，甚至會影響到學生的人身安全。為此，提出了基于VR（虛擬現實）技術的強化采礦工程學生實踐能力的教學模式。首先分析采礦工程專業(yè)傳統(tǒng)實踐教學模式存在的問題，在此基礎上對VR技術構建強化采礦實踐能力的交互式教學模式進行了探討和分析。虛擬教學模式可與傳統(tǒng)模式形成互補，提高采礦工程專業(yè)實踐的教學效果和效率。

[關鍵詞] VR技術;專業(yè)實踐;教學模式

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）41-0265-02? ? [收稿日期] 2020-07-09

一、前言

為深入貫徹落實“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略，推動智能化技術與煤炭產業(yè)融合發(fā)展，提升煤礦智能化水平，國家發(fā)展改革委等八部委共同制定頒發(fā)的《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》指出：“支持和鼓勵高校加強煤礦智能化相關學科專業(yè)建設，推動專業(yè)交叉融合，培育一批具備礦業(yè)工程、軟件工程、信息工程、機器人工程、人工智能等知識技能的復合型人才。”建設適應當前新形勢的采礦工程專業(yè)人才培養(yǎng)新模式，是各礦業(yè)院校改革的重要內容[1]。未來虛擬實驗教學建設將會成為高等院校實驗教學改革的必然發(fā)展方向，要遴選和開發(fā)一批具有較強推廣適應性的虛擬仿真實訓實驗系統(tǒng)[2]。近幾年，全國各高校大力組織申報國家級虛擬仿真實驗教學中心/項目，建成了一系列優(yōu)質的線上虛擬實訓內容。謝廣元等相關專家在各自的國家級虛擬實驗教學平臺開展了大量的創(chuàng)新教學工作，通過利用國家級虛擬實驗教學平臺，為大學生提供科技訓練計劃，成為非常好的第二課堂活動。

重慶大學資源與安全學院采礦工程專業(yè)于2016年獲批國家級礦山開采與安全國家級虛擬仿真實驗教學中心，近幾年通過與礦山企業(yè)的合作，在教育部等相關部委的指導下，開設了一批優(yōu)質的線上仿真教學資源。中心在建設發(fā)展過程中發(fā)現，采礦工程作為傳統(tǒng)的工程學科，其工作環(huán)境和工作性質給學生的初期印象不理想，而且這種形象沒有隨著經濟的快速發(fā)展而得到改變，導致全國各礦業(yè)院校的采礦工程專業(yè)招生數量逐漸萎縮，畢業(yè)后學生在礦山相關企業(yè)就業(yè)的比例大幅下降。如何改變學生對采礦工程的認識，提升學生對專業(yè)的認知和認同感極為重要。本文提出結合現代化虛擬技術建設更具體驗感和科技感的VR（虛擬現實）教學資源。

二、采礦工程專業(yè)實踐教學面臨的問題

1.實踐教學學時不足。對于大多數高校而言，采礦工程專業(yè)的理論教學比重遠大于實踐教學，表面上看是因為課程設計缺陷造成的重理論輕實踐，實際上是高校缺乏足夠的經費把學生送到礦山企業(yè)實訓。所以，采礦工程專業(yè)在設計教學大綱時，只能在總課時增加適量可在室內開展的部分常規(guī)實驗課程，最大限度確保基本實踐教學。采礦工程專業(yè)實踐教學可分為三部分（不同的學校現場實踐安排會有一定的差異），認識實習1周，生產實習2周，畢業(yè)實習3周。在實踐教學過程中，認識實習、生產實習和畢業(yè)實習總學時看似很多，但真到了礦山，企業(yè)考慮到生產工期問題，只能確保1～2次的井下學習，全面了解礦山的機會仍然不夠充分。

2.學生現場實踐存在安全隱患，缺乏學習興趣。即使在當前信息化發(fā)展迅速，礦山環(huán)境得到極大改進，采礦工程專業(yè)的工作環(huán)境較其他行業(yè)仍差很多。學生到偏遠的礦山生產基地，由礦井深入到地下工作面時，仍有一定的心理壓力，對“90后”“00后”這些極少經歷艱苦環(huán)境的青年學生來說是個極大的挑戰(zhàn)。另外，絕大部分采礦工程專業(yè)的學生都是被調劑的，一開始就很排斥專業(yè)，嚴重的專業(yè)情緒導致厭學。

3.專業(yè)實踐無法覆蓋多種礦山及多種作業(yè)環(huán)境。采礦工程專業(yè)實踐涉及煤礦、金屬礦，作業(yè)環(huán)境包含露天礦開采和地下礦開采，內容豐富、工序繁雜，采用單一的礦井實地學習并不能滿足多樣化需求。總體來看，僅有的專業(yè)實踐課程在教學時間上無法保障實習過程全面覆蓋所有內容，同時會耗費大量的專業(yè)實踐經費。

三、運用VR技術構建強化采礦實踐能力的交互式教學模式

針對采礦工程專業(yè)實踐教學存在的問題，需要探索一種新的實踐教學模式，增強學生對專業(yè)的認知和現場實踐效果。虛擬仿真技術作為當前眾多游戲開發(fā)公司的重要項目，吸引著很多學生爭相體驗，因此，利用VR技術開發(fā)與當前礦山行業(yè)發(fā)展相適應，充分體現采礦礦山特征，具有游戲感的VR教學資源將是博得學生好感的重要手段。

利用現代化技術構建采礦工程專業(yè)學生實踐新場景，基于VR技術構建強化采礦工程專業(yè)實踐能力的交互式教學模式，是強化學生理論基礎知識，增強學生礦山現場工程實踐能力的有效教學方法。基于VR技術的交互式教學模式可以分成礦山實景漫游系統(tǒng)、礦山VR交互式模擬教學、個性化競技學習系統(tǒng)三個部分。

1.礦山實景漫游系統(tǒng)。首先選擇典型目標礦井，實現礦井場景仿真再現。通過調研，可以選擇某個集聚代表性的礦區(qū)作為原型，然后將該礦井還原再現到計算機中。通過相關測量數據建立三維仿真工業(yè)廣場、洗選車間、副井、車場、石門、井下巷道、機電硐室、采掘工作面等場景。在此基礎上，融合新的技術形成3D漫游功能。主要有全景、行走、飛行、查看模式。工業(yè)廣場場景主要包含礦井介紹、生產單位、生產系統(tǒng)、二維導航、快速導航等多個功能模塊。

2.礦山VR交互式模擬教學。基于VR技術建立全三維數字模型表達對象，采用數字多媒體講解培訓知識;簡化學生對礦井復雜生產系統(tǒng)的理解和認知。通過這種方式建立的教學資源，無需想象，直觀呈現。交互作為體驗感的重要組成部分，基于現代化的通信技術，進一步構建三維交互礦山模型，視口與操作互動，所見即所得，所得及所見。檢索靈動，導航自由，能充分體現虛擬現實技術交互式的特性，實現交互式課件的教學應用模式。

3.個性化競技學習系統(tǒng)。利用數據庫技術，形成針對每個學生的個性化競技學習系統(tǒng)。競技場景根據學生當前的薄弱環(huán)節(jié)和歷史成績有針對性地進行競技模塊設置。對于全體學生來說，競技的情節(jié)設置基本相似，考核學生在VR交互式場景中完成指定動作或任務的正確方式及所用時間，最終得出成績。

四、結語

本文調研了當前礦業(yè)工程學科發(fā)展趨勢，分析了傳統(tǒng)采礦工程實踐教學存在的普遍問題。隨著礦山對智能化礦山建設的需求，需要培養(yǎng)更具綜合能力的礦山企業(yè)復合型人才，而目前的教學條件很難有效激發(fā)學生的學習熱情。主要問題是現有的培養(yǎng)方案實踐教學學時不足，學生缺乏學習興趣，實踐環(huán)節(jié)缺乏趣味性，專業(yè)實踐涉及多種礦山及多種作業(yè)環(huán)境等。

文章提出運用VR技術構建強化采礦實踐能力的交互式教學模式。該教學模式分為礦山實景漫游系統(tǒng)、礦山VR交互式模擬教學、個性化競技學習系統(tǒng)三個部分。新的教學模式可以有效彌補傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)實踐存在的不足，極大地調動了學生的學習積極性，提高了采礦工程專業(yè)實踐的教學效果和效率，讓學生全面了解礦山，為以后工作奠定堅實的基礎。

參考文獻

[1]季林丹，朱劍瓊，徐進.國家級實驗教學示范中心十年建設工作總結[J].實驗室研究與探索，2014，33（12）：143-146.

[2]鐘凌云，楊明，劉紅寧，朱衛(wèi)豐，簡暉，葉耀輝，謝衛(wèi)華，黃藝，祝婧.中藥學類國家級實驗教學示范中心的建設實踐[J].實驗技術與管理，2015，32（07）：144-147.