礦山電工虛擬仿真教學探討

韓森，劉萍，吳桂義，王沉

（貴州大學 礦業學院，貴州貴陽 550025）

礦山電工課程是采礦工程、安全工程本科生的專業基礎課，通過本課程的教授，使學生掌握煤礦電工技術及安全的基本理論、基本知識和基本技能，了解煤礦電工技術及電氣安全的最新進展和發展動態，培養學生具有一定的實踐動手能力和應用能力，為從事工程技術工作打下良好基礎。

1 礦山電工課程特點

傳統的礦山電工課程主要通過理論教學和實驗課程來進行，課程教學存在以下特點[1-2]：

（1）課程內容較多。

本課程共7章內容，包括礦山供電系統、供電系統短路電流計算、礦山供電設備、安全用電及保護、采掘機械設備電氣控制、采區供電設計計算以及礦井照明。課程內容覆蓋面廣，概念較多，學生學習內容繁多。另一方面，除了采區供電設計需要應用前述各章知識點外，其余章節之間聯系不太緊密，且課程知識內容涉及概念、計算、設備選型、電路圖分析等，需要學生根據學習內容調整學習思路，對于學生掌握課程知識點提出了更高要求。

（2）部分內容抽象，不易理解。

本課程部分內容比較抽象，單純通過文字說明和平面圖片不易理解，比如各級采區變電所內設備布置以及設備間的連接、低壓配電開關和檢漏繼電器配合使用、多臺磁力起動器之間的連鎖控制等內容，在教學過程中都需要安排較多時間來講解，學生也需要花費較多時間和精力才能基本掌握。對于這些內容，部分安排實驗學時，但一方面，實驗室內相關礦山電工設備種類和數量有限，無法大范圍覆蓋教學難點，另一方面，學生在電工實驗操作過程中，需要動手連接一些電路，學生實驗過程中的安全問題也必須考慮。

（3）與現場聯系不夠緊密。

隨著礦山智能開采和安全高效開采的不斷深入，礦井現場的電氣控制技術得到長足發展，課程教材及教學內容與現場實際生產情況脫節。另外對于礦井的整體供電系統、各級變電所的設置以及內部設備布置，包括變壓器、配電開關等具體設備，通過傳統教學，很難生動形象地使學生接受并理解。雖然學生有機會去礦山實習，但由于電氣系統設備的危險性和特殊性，一般只會安排參觀變電所，學生往往只能走馬觀花地看個表面，對于現場礦山電器設備的了解十分有限，對礦山電工知識難以形成深層次的認識和理解。

（4）學生難以發揮主觀能動性。

在課程教學過程中，雖然有互動，但受到學時限制，加之課程內容較多，導致學生在學習過程中仍多處于被動接受的狀態，雖然有一些實驗內容，但限于實驗室硬件條件，實驗學時占比較小，學生不能充分發揮自身主觀能動性，使得學習參與程度不夠深入，教學效果往往事倍功半。

針對礦山電工課程教學特點，為在教學過程中有效地解決這些問題和難點，進行課程教學方法的改進十分必要，考慮到目前虛擬仿真技術在高校教學中的應用越來越廣泛，因此探討在傳統礦山電工理論教學和實驗教學的基礎上，利用虛擬仿真實驗教學手段對課程教學進行補充和改進。

2 礦山電工虛擬仿真教學內容

虛擬仿真實驗教學是國家信息化教育戰略的重要實踐內容[3-4]。虛擬仿真技術，簡稱VR，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，同時，也是一門富有挑戰性的交叉技術前沿學科和研究領域[5]。隨著VR技術實現方式的不斷成熟，其在各個領域的應用越來越廣泛，其中就包括高校實踐教學。以VR技術為代表的虛擬仿真實踐教學方式，因其廣泛的跨學科適應性、良好的沉浸式體驗效果、系統搭建的快速性和基本不受場地和資金限制的特點，為高校虛擬仿真實踐教學提供了一種建設性的解決方案，尤其在理工科實驗實訓實習等教學中的應用范圍和應用價值很大[6-9]。

礦山電工虛擬仿真教學平臺可以完善和彌補傳統理論實驗教學的不足，一方面可以最大限度地共享實驗資源，降低實驗成本；另一方面可以突破時空限制，豐富教學的內容和形式。對于礦山電工的教學，可以結合虛擬仿真技術，提高課程的生動性和趣味性，促使學生主動參與其中，提高教學效果。主要可在以下幾個方面體現[10]：

（1）礦井供電系統及供電設備。

通過虛擬仿真技術，結合具體礦井供電條件，建立從礦井地面變電所到井下中央變電所，再到采區變電所、移動變電站、采掘工作面配電點直至具體用電設備的一整套礦井供電系統，使各級變電所內設備的布置以及各電器設備，比如高壓配電開關、變壓器、低壓饋電開關、磁力起動器、檢漏繼電器等主要電器元件的內部主要元件能夠具體生動地展示出來。通過虛擬仿真教學軟件，把礦井使用的先進電器設備和用電負荷具體生動地展示出來，使學生沉浸在整體礦山供電系統的虛擬環境中，了解整個礦井供電系統以及井下各場所使用的安全和生產設備，增強學生學習興趣，提高學習效率。

（2）短路電流計算。

常規短路電流計算是在確定短路計算點后繪制等值計算圖，然后把從系統到短路點的總阻抗計算出來，利用總阻抗計算三相短路電流值，再通過三相短路電流計算兩相短路電流、短路電流的沖擊值、沖擊電流的有效值和短路容量。在對高低壓開關保護裝置整定時，可以通過最大三相短路電流來校驗保護裝置的承載能力，利用最小兩相短路電流校驗保護裝置動作的靈敏性。利用虛擬仿真教學軟件，可以顯示從系統到短路點的各處電器元件以及電纜的電阻和電抗值，一方面可以切換短路點的位置，使學生可以計算各處短路點的短路參數，對各位置的短路參數有個縱向的比較，另外對于最大三相短路電流和最小兩相短路電流的位置也可以通過虛擬仿真互動，讓學生操作選擇，加深學生對保護裝置動作整定校驗的理解。

（3）安全用電及保護。

煤礦井下三大保護：漏電保護、保護接地和過流保護。通過虛擬仿真軟件展示發生漏電故障以及可能造成人身觸電的原因，通過人機互動，模擬礦井發生漏電的各種情況（包括單相漏電、兩相漏電和三相漏電以及發生人身觸電）時，檢漏繼電器和低壓開關漏電保護裝置的動作，以及選擇性漏電保護動作的發生順序。對于保護接地，通過對全礦井保護接地系統的展示，讓學生直觀地了解整個礦井井下接地網絡，同時，對于接地保護對人身觸電安全的作用也可以通過人機互動，模擬有保護接地和無保護接地條件下，發生人身觸電時流過人身的電流，更加深入地反映保護接地的作用。對于過流保護，可以將各種過流保護元件的動作原理以及在過流保護中起到的作用通過動畫形象具體地體現出來。

（4）采掘機械設備的電氣控制。

機械設備的電氣控制主要是通過磁力起動器來控制電動機的起動、停止和正反轉，以及通過聯鎖控制實現滿足一定操作程序的控制，比如風電閉鎖、多臺膠帶運輸機的連鎖起動等。通過虛擬仿真可以把磁力起動器控制電動機的動作原理，特別是各個元器件的動作順序生動具體地展示出來。另外可以讓學生自己進行磁力起動器、電動機及電源間的線路連接，學生可以進行嘗試，給了學生犯錯和多次嘗試的機會，使學生能更深入、有效地掌握設備電氣控制原理。

（5）礦井供電設計計算。

礦井供電設計部分，是對前面知識的總結和實際應用。由于設計過程中，需要合理利用礦井的開采方案和設備選型結果，通過人機互動，讓學生結合礦井實際情況，按照礦井供電設計步驟，完成礦井供電設計的每一部分內容，比如礦井各級變電所以及工作面配電點的位置的確定、供電方案的確定，礦井各級變電所內變壓器、高壓開關柜、低壓配電裝置以及各段電纜的選型和校驗，使學生通過人機互動掌握整個礦井各部分的設計方法以及設計內容。

3 礦山電工虛擬仿真教學實施

（1）礦山電工虛擬仿真教學方案制定。

首先對礦山電工教學大綱和教學計劃進行修改，根據課程章節增加虛擬仿真教學內容和學時，把虛擬仿真教學融入課前預習、課程教學、課后作業、成績考核等教學計劃中。

（2）礦山電工虛擬仿真教學過程[11-14]。

①在開展虛擬仿真教學前，先在傳統課堂上對相關知識點進行講解，并且結合下節課虛擬仿真教學內容布置相應的預習任務，這樣有利于學生認識相關知識的難點和重點，從而在虛擬仿真學習過程中有的放矢、更加高效。通過目標任務的驅動機制，培養學生自主學習、主動思考的習慣和能力，提高課堂學習效率。

②在虛擬仿真教學開始時，對學生的課前學習情況進行檢查，并對學生預習過程中發現的問題進行解答。指導學生開啟教學設備，進入相應的教學內容界面，并確定本節課程的學習內容，指導學生進行相應的操作。學生開始學習后，認真回答學生在學習過程中的疑問，爭取將相關難點和疑問當堂解決。

③課程結束后，引導學生對課程內容和學習效果進行總結，以加深學生對本節課程知識內容的理解與掌握，同時加強與學生的交流，了解虛擬仿真教學過程中應該加強和改善的部分，以便更好地完善仿真系統內容，提高虛擬仿真教學效果。

④另外，對于要進行虛擬仿真教學系統實操的相關實驗內容，可以先對學生進行相關理論知識的講解，使學生知曉實驗目的、實驗原理、實驗步驟等，再指導學生進入虛擬仿真系統操作界面進行操作，獲得相關實驗數據，并進行數據處理和分析。

（3）礦山電工虛擬仿真教學考核。

礦山電工虛擬仿真教學的考核主要表現在平時課堂實操階段和期末操作考核階段，通過平時成績和期末考核成績，從學生專業知識掌握、技能操作水平以及學習態度等多方面綜合評判學生在虛擬仿真教學過程中的整體表現[15]。通過教學考核，督促學生認真投入學習，積極思考，最終充分掌握教學內容，提升綜合能力。

4 結語

總之，通過利用虛擬仿真教學，激發學生學習的興趣，使學生更加深入地參與到課程教學過程中，提高學生對整個礦井供電系統的整體認知水平，加深學生對各個知識點的認識和理解，充分發揮學生學習的主觀能動性，從而提高課堂效率，使學生真正地理解所學課程內容，并能結合現場實際情況運用所學知識技能。