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

侯運炳 楊大鵬 張勇 孫振明

摘要為推進采礦工程專業(yè)教學內容、方法、技術、手段及實踐教學模式的改革，建成地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦虛擬礦山實習基地。體系化全方位建設大型復雜、高度仿真的三維可視化沉浸感知和交互操作的采礦虛擬仿真教學項目。同時研發(fā)線上采礦虛擬仿真實驗項目，形成線上、線下虛擬仿真教學相結合的完整教學體系，在教學中廣泛應用，解決了礦山實習難、實習及教學實驗效果不佳的教學難題，改變了傳統(tǒng)的礦山實習模式和采礦工程實踐教學方法，提高了教學質量，為培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力提供了有力保障。

關鍵詞 采礦工程 虛擬仿真教學 虛擬實習基地 地下煤礦 露天煤礦

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.19.013

Study and Practice of the Systematic and All-round Virtual Reality Teaching Method for Mining Engineering

HOU Yunbing， YANG Dapeng， ZHANG Yong， SUN Zhenming

（SchoolofEnergyandMiningEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology（Beijing），Beijing100083）

AbstractTo promote the reforming on the teaching contents， methods， technologies， measures and experimental teaching modes for mining engineering，F(xiàn)urthermore， the virtual mine site fieldwork bases regarding underground coal mines， undergroundmetalminesandopen-pitcoalmines，wereestablished.Large-scaleandhighlyvividminingvirtualrealityteaching project that has three-dimensional visualization immersing perception and mutual operation， were systematically established. Meantime，theonlineexperimentalprojectregardingthevirtualrealityofminingwasdeveloped.Therefore，thecomprehensive teachingsystemwiththeonlineandofflinevirtualrealityteachingcombined，wasformed.Itwaswidelyappliedintheteaching andsolvedtheteachingissuesincludingthedifficultminesitepractice，poorpracticeeffectandpoorexperimenteffect.Italtered thetraditionalminesitepracticemodeandtheteachingmethodforminingengineering.Theteachingqualitywasimproved.Last， itprovided powerfulguaranteeforcultivatingtheinnovation andpracticeabilitiesofstudents.

Keywordsmining engineering； virtual reality teaching； virtual mine site fieldwork bases； underground coal mines； open-pit coal mines

采礦工程專業(yè)教學培養(yǎng)具有專業(yè)綜合性強、礦井（山）生產(chǎn)特色顯著和實踐性要求高的特點，礦山認識實習、生產(chǎn)實習、畢業(yè)實習及課堂實踐教學、實驗室實驗、大學生創(chuàng)新實踐是重要的實踐教學培養(yǎng)環(huán)節(jié)，礦山智能化開采對采礦工程專業(yè)教學實踐提出了更高要求。由于實驗室無法還原需要大型昂貴設備配套作業(yè)的礦井（山）生產(chǎn)工藝系統(tǒng)和生產(chǎn)環(huán)境，現(xiàn)代化礦井（山）因為受危險環(huán)境、繁忙生產(chǎn)以及生產(chǎn)系統(tǒng)大多布置在井下復雜環(huán)境等因素影響無法提供充分的實驗、實踐條件，長期以來一直存在礦山實習難、礦山實習及教學實驗效果不佳的教學難題。

深化人才培養(yǎng)過程中的教學改革、加強實踐教學環(huán)節(jié)，是國家實施“素質教育”和高等教育“質量工程”、全面提高教育質量的重要內容。國家極為重視虛擬仿真等信息技術在實踐教學中的改革作用，2013年，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，2017年，教育部啟動了國家級示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作，有力促進了實踐教學水平的提高。[1]

為進行采礦工程專業(yè)教學內容、方法、技術、手段及實驗實踐教學模式的改革，根據(jù)專業(yè)教學特點和存在的問題，深化信息仿真技術與采礦工程教育教學深度融合，推進采礦工程專業(yè)體系化全方位虛擬仿真教學方法改革與創(chuàng)新，對于加強學生實踐能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)、提升辦學水平和教育質量具有極其重要的作用。[2]

1采礦工程專業(yè)體系化全方位虛擬仿真教學方法

采礦工程專業(yè)體系化全方位虛擬仿真教學方法涵蓋以下5個方面內容。

（1）建設地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦三維虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，全方位覆蓋地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦三種采礦專業(yè)的虛擬仿真教學。

（2）建設以沉浸式立體顯示和實時交互為主要功能的高水平虛擬仿真硬件實驗室。采用先進的虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通訊等技術，建設虛擬仿真硬件平臺，為采礦三維虛擬仿真教學系統(tǒng)提供虛擬仿真實驗環(huán)境和交互功能能的硬件支持。和采礦虛擬仿真教學軟件系統(tǒng)相配套，建成以沉浸式立體顯示和實時交互為主要功能的采礦虛擬仿真數(shù)字媒體教學實驗平臺。[3]

（3）建設地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦虛擬礦山實習基地。礦山認識實習、生產(chǎn)實習、畢業(yè)實習是采礦工程專業(yè)極其重要的實踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)。但現(xiàn)代化礦井（山）由于安全、生產(chǎn)繁忙等原因難以提供充分的實踐條件，且由于復雜的生產(chǎn)系統(tǒng)大都布置在井下，短時間內也無法系統(tǒng)學習和認識，學生實習成本也很高，這些客觀因素給現(xiàn)場實踐教學造成很大困難。發(fā)揮虛擬仿真技術優(yōu)勢，解決教學中的關鍵難題是主要的攻關目標。虛擬仿真教學系統(tǒng)要既能滿足各門課程及各項實驗、知識點學習的要求，同時能滿足學生認識實習和生產(chǎn)實習對礦山開采整體結構和生產(chǎn)工藝學習實踐的要求，把地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦三維虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，建設成三個礦井（山）虛擬實習基地。

（4）建立系統(tǒng)的模塊化三維虛擬仿真教學項目體系。根據(jù)培養(yǎng)方案和課堂教學對虛擬仿真教學的要求，按照礦山地質、地面系統(tǒng)、開拓方式、準備方式、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，采掘生產(chǎn)系統(tǒng)、災害事故、安全環(huán)保、設備設施等礦山系統(tǒng)結構進一步劃分采礦虛擬仿真教學系統(tǒng)的學習項目單元模塊。

學習單元有明確的學習目標，嚴格遵守礦山安全規(guī)程，實習內容要系統(tǒng)完整并和課堂教學內容有機聯(lián)系，有重點詳細的作業(yè)環(huán)境、工藝流程、實習環(huán)節(jié)和知識點的三維逼真仿真展示過程，學習結束對學生掌握程度進行試題考核。

根據(jù)教學需要，一些重要的學習單元如綜掘工藝、錨網(wǎng)支護工藝、綜采工藝、綜放工藝、采煤設備、礦井安全等學習單元，建設大型復雜逼真的交互式操作訓練虛擬仿真模型，滿足學生對工藝技術、設備操作訓練的要求。

（5）建立PC端網(wǎng)絡訪問和虛擬仿真實驗室學習相結合的教學模式。研發(fā)線上采礦虛擬仿真教學項目，建立PC端網(wǎng)絡訪問和虛擬仿真實驗室學習相結合的教學模式，方便校內外學生自主學習，方便不同專業(yè)教師授課應用，擴大受眾面。

2地下煤礦三維虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)和虛擬實習基地

以實際現(xiàn)代化地下煤礦為原型，根據(jù)礦井地質、地面工業(yè)、開拓、采準、輔助生產(chǎn)、采掘生產(chǎn)、設備設施、災害事故、安全環(huán)境等系統(tǒng)構成和教學要求，劃分學習單元，建立虛擬仿真實驗教學模型，建成地下煤礦三維虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)和虛擬實習基地，系統(tǒng)實現(xiàn)的三維仿真教學功能。學生可以通過知識點展示、真實環(huán)境沉浸感知、交互操作訓練，掌握地下煤礦開采相關學習實踐內容。[4]

3地下金屬礦三維虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)和虛擬實習基地

以實際地下金屬礦為原型，根據(jù)礦山地質、礦山開采方式、輔助生產(chǎn)、采掘生產(chǎn)、災害事故、安全環(huán)境等系統(tǒng)構成和教學要求，劃分學習單元，建立虛擬仿真實驗教學模型，建成地下金屬礦礦三維虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)的三維仿真教學功能見圖1。

4露天煤礦三維虛擬仿真教學系統(tǒng)和虛擬實習基地

以實際露天煤礦為原型，根據(jù)礦田井地質、地面總圖、生產(chǎn)裝備、生產(chǎn)工藝、開采工藝、邊坡監(jiān)測、安全環(huán)保、排土場生態(tài)等系統(tǒng)構成和教學要求，劃分學習單元，建立虛擬仿真實驗教學模型，建成露天煤礦三維虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)。[5]系統(tǒng)實現(xiàn)的三維仿真教學功能見圖2。

5線上虛擬仿真教學項目建設

為了更好服務教學，打造線上線下虛擬仿真教學模式，研究開發(fā)了網(wǎng)絡版綜采放頂煤虛擬仿真教學實驗項目。

實驗項目通過沉浸式顯示和交互式操作實驗平臺引導學生完成綜采放頂煤工藝實驗。實驗由場景認知、設備學習、綜放工藝交互操作訓練、實驗考核4個部分，29個步驟組成。通過構建礦井生產(chǎn)系統(tǒng)、綜采放頂煤工作面生產(chǎn)系統(tǒng)和采煤設備虛擬仿真模型，構建礦山虛擬工作環(huán)境，模擬工作面采煤機的割煤、推刮板輸送機、移架、液壓支架放煤的整個作業(yè)過程，引導學生在對綜放理論知識掌握基礎上和對采煤設備結構、工作原理及操作方法了解基礎上，按照作業(yè)規(guī)程和工藝參數(shù)，操作采煤設備進行割煤、放煤作業(yè)，模擬綜放工藝流程和工藝循環(huán)過程，系統(tǒng)掌握綜采放頂煤工藝技術知識，提高實踐能力。

6應用

（1）虛擬仿真教學系統(tǒng)廣泛應用于采煤學、采礦系統(tǒng)工程、金屬礦開采、露天礦開采、地下工程等十多門課程的課堂和實驗教學中，應用于大學生創(chuàng)新實踐活動。（2）線上虛擬仿真教學項目“綜采放頂煤虛擬仿真教學實驗”，為面向全校所有專業(yè)開設的“采礦概論”提供實驗平臺，同時為全國礦業(yè)類院校提供教學資源支持。（3）多屆采礦工程、工業(yè)工程專業(yè)本科生利用虛擬礦山實習基地進行礦山認識實習和生產(chǎn)實習、畢業(yè)實習。和實際礦山現(xiàn)場實習虛實結合，極大提高了實習實踐教學質量。

7結論

長期以來由于安全、生產(chǎn)繁忙、井下生產(chǎn)環(huán)境十分復雜等因素的影響，采礦專業(yè)一直存在礦山實習難、實習效果不佳的教學難題。地下煤礦、地下金屬礦、露天礦虛擬實習基地的建立和應用，改變了傳統(tǒng)的實習模式和方法，和礦山現(xiàn)場實習虛實結合，有助學生更系統(tǒng)全面扎實的掌握相關知識，極大提高實習效果和質量，解決了長期困擾教學的實習難題，促進了礦山實習模式和方法的改革。

系統(tǒng)全面的地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦三維虛擬仿真教學系統(tǒng)，實現(xiàn)了地下煤礦、地下金屬礦、露天煤礦從井上到井下立體化的整個采礦生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)系統(tǒng)和工藝流程的仿真，為教學提供體系化全方位的大型復雜的三維可視化和交互操作訓練的虛擬仿真教學項目，解決課堂教學無法立體真實感知、實驗室和現(xiàn)代化礦井無法提供實驗實踐條件的教學難題，提高教學效果和學生創(chuàng)新實踐能力，改變了采礦工程專業(yè)傳統(tǒng)的教學模式，促進了教學方法和手段的改革。

線上采礦虛擬仿真實驗項目實現(xiàn)了“以學生為中心”的實驗實踐教學理念，同時打破了實踐教學時間和地域的限制，實現(xiàn)優(yōu)質教學資源廣泛共享。線上與線下相結合的虛擬仿真教學體系和方法，改變教師傳統(tǒng)的注入式教學方式，在老師指導下發(fā)揮學生自主學習、創(chuàng)新能力，提高培養(yǎng)質量。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFC0804303）

參考文獻

[1]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.

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

[3]李平.推進虛擬現(xiàn)實技術應用，提高高校教育教學質量[J].實驗室研究與探索，2018，37（01）：1-4.

[4]王衛(wèi)國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實驗室研究與探索，2015，34（5）：214-219.

[5]李震彪.本科教學虛擬仿真實驗之思考[J].實驗技術與管理， 2019，36（9）：5-7.