基于虛擬現實技術的采礦工程專業教學改革

侯晨 朱萬成 劉洪磊 張鵬海

[摘 要] 采礦工程是一門緊密結合生產實際、實踐性很強的基礎學科，但新冠肺炎疫情期間，學生的現場實習受到了極大的限制，教學效果大打折扣。以東北大學金屬礦山巖石力學與安全開采國家級虛擬仿真教學平臺為基礎，構建了面向地下采礦工程的虛擬仿真系統，通過虛擬現實技術及數值仿真技術為學生再現地下采礦的設備儀器、巷道布置、井下環境和施工過程，極大地激發了學生的學習興趣，提高了學生的創新能力，增強了教學效果。

[關鍵詞] 虛擬現實;采礦工程;本科教學;實習

[基金項目] 2020年度中央高校基本科研業務費資助項目“尾砂膏體與圍巖界面剪切特性細觀機理研究”（N2001010）;2019年度國家自然科學青年基金項目“膠結充填體與圍巖粗糙接觸面剪切特性研究”（51904055）

[作者簡介] 侯 晨（1989—），男，河南焦作人，博士，東北大學資源與土木工程系實驗師，主要從事巖石力學研究;朱萬成（1974—），男，新疆呼圖壁人，博士，東北大學資源與土木工程系教授（通信作者），主要從事巖石類介質損傷與破裂過程數值模擬方法研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）21-0073-04? ?[收稿日期] 2020-12-30

礦業是我國的第一產業，礦產資源是工業發展的基礎。采礦工程是工科領域的重要基礎學科，是一門緊密聯系生產實際、實踐性與理論性結合很強的課程[1，2]。相關實習實踐活動可以讓學生將課堂上所學的基礎理論與現場實際應用聯系起來，也是學生畢業設計認識和獲取現場資料的重要途徑[3]。因此，工程實習是采礦工程專業本科學習的關鍵環節，在采礦人才培養中具有舉足輕重的地位和作用[4]。

然而大量事實表明，采礦工程專業實習活動存在實習質量低下、學生實踐熱情不高、實習經費不充分、實習內容安排不合理等問題[5-7]。2020年，突如其來的新冠肺炎疫情極大地限制了學生相關實習實踐活動的開展，讓時間本就不充裕的實習活動陷入停滯狀態，一些學生甚至沒有看過現場狀況就著手進行畢業設計，嚴重影響了采礦工程本科的教學效果。另外，采礦工程涉及門類繁多，與采礦直接相關的學科就包括地下采礦、露天采礦、井巷工程、巖體力學、礦井通風與安全等，這些學科相互聯系緊密，交叉性強，內容還具有一定的抽象性，如礦井開拓采準巷道之間的三維位置關系、巖體周圍應力場模型，以及隨著開挖后應力場的遷移和演化規律。若僅僅以傳統的平面圖或者剖面圖進行表示，學生往往難以理解，并嚴重影響教學效果。而虛擬現實技術因交互性、沉浸性和構想性等特點，可以讓參與者進行沉浸式的體驗，所形成的信息環境也具備交互效能多維化的特點[8，9]，使學生對采礦工程課程的教學內容有身臨其境的感覺，并為學生的學習提供更好的學習環境。因此，本文主要探討虛擬現實技術在采礦工程專業教學中的應用。

一、采礦工程教學存在的問題

（一）教學手段有限

傳統的平面圖、立面圖、剖面圖讀圖較難，且相關圖表不夠生動形象，學生對模型的認識也停留在二維階段，導致對金屬礦山地上地下整體結構缺乏直觀認識。盡管多媒體教學配合教師的講解，以及相關計算機3D模型的展示已經極大地豐富了教學內容，但是反映的內容仍比較片面，與現場實際還有較大的差別[1]。

（二）教學內容顯示度不足

采礦工程涉及的開拓采準、運輸等系統十分復雜，除了在采區的水平和傾斜巷道、平硐和豎井采用運輸工藝外，周邊配套的溜井、井底車場、礦倉、水倉也都各具特色，系統之間相互交錯，層次立體感強[ 10 ]，一個簡單的平面圖或者3D圖很難對其進行全面的描述。另外，采礦是一個復雜的動態地質工程問題，礦山開挖及開采活動貫穿于礦山服務期限的始終，礦山自始至終處于復雜的動態開挖、回采過程之中，一個靜態的模型很難將地下采礦活動的時空關系進行有機的展示，學生很難對整體系統有一個準確的把握。

（三）教學過程交互性不強

學生是學習的主體，教學效果的優劣取決于能否充分發揮師生的積極性。求知欲是推動學生進行主動學習的源動力。學生無法直接參與互動，會直接影響教學效果。但目前的教學方法仍是教師起主導作用，學生僅僅是被動地看和聽，無法對課堂知識的掌握情況進行實時反饋，降低了學生的學習效率。

（四）教學方法的局限性

采礦工程中許多教學內容由于受到場所、安全性等多種因素的影響，無法給學生進行直接的演示。例如，爆破工程中炸藥的連接過程、起爆過程等具有危險性的過程[2];又如，講解礦山應力場估算時，巷道開挖后的應力場的遷移和演化規律也無法使學生產生直觀的印象。

（五）實習效果不佳

采礦工程的實習活動面臨著聯系實習地點困難、經費短缺、實習內容不全面和過程簡化等問題[6]。例如，一個采礦班的學生標準人數大約為25人，由于地下礦山往往處于半封閉環境，且一般是通過教師的講解和演示來進行授課的，大部分學生只能在旁觀看，導致學生對實驗過程印象不深，更談不上對相關問題的獨立思考和分析。另外，礦山實習不同于常規的其他學科的現場實踐，現場實習活動具有一定的危險性，往往無法直接深入一線工作環境中，導致學生走馬觀花，無法保障實習效果。

二、虛擬現實平臺的開發方法

（一）數據資料的收集

相關虛擬圖像的建立首先需要相關的數據資料，搜集資料越多，虛擬場景的逼真程度越高[1]。例如，鉆孔三維數據，包括收集孔口數據結構、測斜數據結構、采樣信息數據結構、巖性信息數據結構等，并指定三維視圖中顯示的內容，包括孔口符號及顏色、孔口文字及顏色、鉆孔軌跡顏色、鉆孔軌跡兩側的文字標注內容及顏色，搜集到上述內容后即可繪制出鉆孔的三維軌跡模型。