交互式多媒体多点触控采矿工艺自主学习平台建设

陈建宏，钟福生，周智勇

(中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083)

交互式多媒体多点触控采矿工艺自主学习平台建设

陈建宏，钟福生，周智勇

(中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083)

教学效果;人机交互;触屏技术;虚拟现实;采矿工艺教学

针对传统采矿工艺教学过程中存在的诸多问题和缺陷，提出交互式的多媒体多点触控采矿工艺自主学习平台来改进教学效果。平台采用触屏技术、三维动画制作技术和虚拟现实技术构建了交互式的教学系统。在该系统中，教师和学生均能够自主地控制动画模型的运动，完成学习对象的三维展示，形成多功能、多感官的学习。和传统的教学模式相比，人机交互触屏式教学平台能够有效地提高学生的学习热情、减轻教师的授课负担，从而改进教学效果。

作为一个资源生产和消费大国，我国对资源的需求越来越强烈，矿山企业对采矿工程专业人才需求若渴，如何培养出的优秀的采矿专业人才已成为了一个十分紧迫的议题。在采矿工程专业的教学中，采矿方法作为采矿专业的核心主干课程，它的教学质量好坏与否对合格的采矿专业人才培养有着举足轻重的作用［1-2］。

由于采掘工业的特殊性，尤其是地下矿山的开采，对学生的空间立体感的要求较高［3］，很多学生反映难以通过静态的平面媒体(如课本)来理解采场等采矿构筑物的空间结构。许多教师在耗费了很大的精力来讲解矿山开采过程中的细节之后，达到的教学效果仍不尽人意。近年来，随着多媒体技术和计算机技术的发展，矿体的三维空间结构和采掘过程的模拟成为了可能，并且很多教师已经开始制作多视频来展示三维的矿体和采场等构筑物了［4-6］，虽然展示的三维空间仍然是静态的，但达到教学效果却有一定的改善。

不管是静态的纸面媒体，还是单一的三维空间展示，都难以形成交互的教学模式，缺乏学生和讲授内容之间的交互。传统的教学方法多是老师讲、学生听［7］，是一种被动式的灌输，学生的学习热情普遍不高。如果要真正转变这种教学模式，变“传授”为学生主动“探索”、“发现”，就必须实现讲授内容的动态三维展示，以实现交互式教学，图1展示了三种教学模式的特点。笔者认为，可以将目前在电子展示、手机应用等行业广泛采用的触屏技术、三维动画制作技术和虚拟现实技术相结合一起，带进课程教学中，形成交互的触屏式教学平台，激发学生的学习热情，提高教学效果。

图1 三种教学模式对比

一、建设的目标和内容

交互式多媒体多点触控采矿方法自主学习平台建设的目标是开发金属矿采选主要工艺过程三维动漫演示系统，目的是为采矿与岩土工程专业的核心课程《金属矿地下开采技术》《露天采矿技术》提供自主学习平台，同时也为地质工程、选矿工程、安全工程、地下工程等相关专业的《采矿概论》《选矿概论》选修课程提供自主学习平台，强化学生感性知识学习，减轻现场参观实习的困难，进行室内交互式动态模拟实验。项目建设对培养学生的动手能力、空间思维能力及矿山工业现场整体概念具有重要的意义。

通过把演示的对象安装到对应的载体，即高清液晶触控一体机上就行互动操控展示。主要内容包括:(1)建立立式多媒体多点触控一体机交互式学习平台;(2)研发金属矿地下开采技术动漫展示系统，包括:全尾砂水平分层充填法、无底柱分段崩落法、阶段空场嗣后充填法、分段空场嗣后充填法、自然崩落法、中深孔房柱法;空场法;(3)研发金属矿露天采矿工艺过程动漫展示系统;(4)研发金属矿选矿工艺过程动漫展示系统。

二、触屏技术在教育行业的应用

如果说1964年鼠标的发明，把电脑操作带入了一个新的时代;那么触摸屏的出现，则使图形化的人机交互界面变得更为直观易用。1971年，SamHurst发明的世界上第一个触摸传感器，被视为触屏技术研发的开端。经过四十年的发展，触屏技术已经广泛应用于公共服务领域和个人娱乐设备，人们已经习惯于用触摸的方式在卡拉OK机上点播歌曲，在银行、图书馆、机场查询自己需要的信息，在手机上选择需要的菜单。几年来，触屏技术已经开始进入了教育行业。触摸屏以其图文并茂、简单易用等优点在教学中也得到了广泛的应用。利用触屏技术进行教学具有以下几个优点:

(1)传统的教学方式多为黑板手写授课方式，对于空间立体感要求较高的内容，如采矿方法教学，不仅学生学起来会非常吃力，教师也要花很大功夫在平面上绘制三维模型。虽然可以通过投影设备进行辅助教学，此效果也大有改善，但是要作很多前期工作，比较麻烦。而触屏互动教学可轻松解决这一问题，不需要其他辅助设备，可让授课内容以图文并茂的方式通过屏幕显示终端直接灵活多样的人为控制的展示在学生面前，省时省力。

(2)课程内容手写演示、绘画:触屏互动系统可支持课程内容手写演示、绘画等功能，利用此系统我们只需用手指轻轻地碰大屏幕显示器的图符或文字、或直接进行手写就能使教学内容化难为易，化抽象为具体，从而让抽象的教学内容变得形象逼真、容易被每一位学生接受。

三、三维动态仿真技术

地下矿体的开采过程是一个极其复杂的过程。施工条件复杂，工序繁多，不仅各工序配合与相互干扰错综复杂，而且还受到众多因素影响与限制。在课程上单凭口述和板书是难以解释清楚各个工序之间的关系的。有必要采用先进的技术手段让教学内容更清晰、更加立体的方式展示在学生面前;而三维动态仿真技术则可以解决这一问题。

在采矿方法教学中，矿房的采准、切割、回采和地压管理是在时间、空间和逻辑上前后相互衔接的过程。其中涉及到众多不同类型的巷道、硐室的挖掘，为学生讲清楚这些采矿构筑物在空间上位置关系，在时间上的先后掘进关系需花费较大的精力。采用三维建模软件构建三维数字模型可以直观立体地反映这些内容。当然，这些数字模型也需要专业人员耗费很大精力去构建，但是建立的模型可以反复在课程上运用，可以减轻教师的重复工作。

四、虚拟现实技术

虚拟现实(VR)是信息科学领域一类新兴的工程技术，是在计算机图形学、计算机仿真、传感技术和多媒体技术、网络通信、面向对象技术和智能决策支持系统的基础上发展起来的一门交叉学科［8］。利用该技术可以运用于采矿工艺教学中，以实现矿山设备和人员作业的实时模拟，从而帮助人们了解和感受矿山的实际作业环境。

(一)虚拟现实技术特征

1.多感知性

在虚拟系统中，用户可以体验到视觉、听觉、力觉、触觉、甚至味觉和嗅觉感知等.理想的虚拟现实系统应具有人的一切感知功能，目前由于传感器技术的限制，现有的虚拟现实技术所能提供的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉和触觉等。

2.投入性

由于虚拟系统为体验者提供了各种感知，高度逼真地模拟了客观世界，使得用户如同置身于真实的场景之中，有身临其境之感。

3.交互性

指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力，它是人机和谐的关键因素。用户通过自身动作与虚拟世界中的“物体”进行交互，并获得反馈;同时，“物体”将获取的动作信息传递给系统，系统发出指令使“物体”作出相应的反馈动作。这个过程中最重要的因素是实时性，实时性使得系统拥有了能够响应用户的输入并立即改变虚拟场景状态的能力。

(二)虚拟现实技术在矿业培训和教学中的应用

应用虚拟现实系统虚拟井下各种复杂的作业环境，供采矿工程技术人员的实习训练，可降低培训费用，缩短培训时间［9］。使用虚拟现实系统进行矿山安全培训时，受训者被置于同样存在大量危险的相似环境下，当接近危险处时，危险的对象不是被强调显示，而是由用户主动通过点击鼠标或操纵杆按钮确定所存在的危险，并进一步选择一系列的选项以评价其潜在的严重性和危险发生的概率。

交互式多媒体多点触控式采矿工艺自主学习平台

(一)教学平台的搭建

为了适应目前的互动仿真科技发展的潮流建立的数字化采矿教学，从根本上解决了采矿实习和实验教学的基本需求，可建立互动触控数字化采矿教学平台，如图2所示。

1.设计原则

(1)三维空间可视化

采矿是一个复杂的生产系统，人们仅靠图纸不容易清楚地了解矿物生产，运行等状况。传统的矿山设计，地质，测绘人员等习惯于依赖信息的二维表示。如:平面图，剖面图，等高线程图等。工程人员在使用这些图纸时，要在大脑中“构想”出相应的三维模型，这常常使某些重要的信息表达疏漏或根本考虑不到。为了更直观清晰地表达三维对象，动态地模拟采矿工艺施工过程，系统应具有三维可视化功能。

(2)交互性

这里的交互性不仅是指教师与学生之间的交互，还包括授课内容与师生之间的交互。教师通过系统向学生授予一定的权限，让学生在平台上完成指定的学习和操作任务;学生通过系统向教师发出交互请求，让老师来帮助解决问题。授课内容与师生之间的交互主要通过多点触控技术来实现，即通过触屏来实现画面的缩放、暂停、旋转、画面切换等功能。

(3)易扩展性

为了实现虚拟现实功能，系统应当有足够的接口来实现功能的扩展，例如接入操纵杆来模拟对采矿设备的控制，佩戴3-D眼镜实现画面的立体特效等。

图2 互动触控数字化采矿教学系统方案

(2)软硬件设备及平台搭建

表1列出了该平台的建设需要的主要设备和软件。根据图3显示的各主要设备之间的连接关系，平台的搭建步骤如下:

表1 平台搭建所需的软硬件设备

(1)教师电脑通过VGA连接到高清液晶触控一体机上面;

(2)学生电脑通过校园的无线WIFI局域网，实现与教师笔记本的链接，通过第三方的软件，适合教师与学生在课堂的互动，包括教室下发习题、提问，学生的答题、上交作业等等;

(3)实物投影仪通过使用USB线实现与教师笔记本的连接，将投影画面置于电脑，教师电脑将画面实现到高清液晶触控一体机上;

(4)实物投影仪也可以通过使用VGA线连接到高清液晶触控一体机，把画面直接投影到电视上。

图3 采矿互动教学系统搭建

(二)平台应用

1.教学内容的三维展示

该系统能够完全满足教学、矿业培训的基本需求。通过立体显示系统以及立体生成系统软件，可以全方位的对露天及地下矿山开采进行仿真虚拟，这些系统包括:露天采装、运输、选冶工艺，地下矿山的地面系统(选矿厂、地面车场)、开拓系统、井下通风、井下运输、采场工作面等，完全可以满足学生、采矿工作者对于多媒体互动仿真教学的要求。图4～8显示了在露天开采过程中从采装、运输、破碎和废石运输的几个主要过程。通过对露天矿开采工艺过程的模拟，教师和学生可以在系统上实现画面的连续播放和间断式播放，暂停播放时，还可实现画面的缩放、旋转和漫游，方便教师进行讲解和学生观察。

2.虚拟实验室

根据不同的需求，该系统还可适时地进行扩充来实现虚拟实验室的功能。例如，可以在系统中扩充视觉输出设备—液晶开关的体视眼镜，以及手动输入设备—操纵杆，来实时模拟露天运输设备的操控。将事先设计好的三维动画模型导入教师电脑中，并在液晶触控显示屏上输出，学生可以带上这种眼镜即可以真实地感知被虚拟三维空间;学生手动触屏还可以转换视觉，从不同的角度来观察体验;导入动画后，启动系统的虚拟实验室功能，通过操纵杆实现对运输设备的控制。图9展示了系统在虚拟矿石运输过程中的画面。如果配上听觉输出设备和触觉输出设备，则将有更加真实场景可以进入课程教学中。这样的平台在矿井安全培训、设备操作培训等实践要求很高的课程中是非常有用处的。

图9 虚拟矿石的运输

六、结 语

采矿是一门实践性、应用性很强的学科，为了提高教学质量，可以适当采用先进的技术来提高教学水平。人机交互的触屏式采矿教学平台能够促进立体教育的实现，使学生主动地参与到教学过程中，成为学习的主体，化被动的灌输式教学为“教师—教学内容—学生”的双向交互式教学。该平台的实现，能够真正地减轻教师的授课负担，激发学生的学习热情，从而提高教学质量。

当然，教学平台只作为辅助教学的一种手段，教师和学生才是教学过程中的真正主体，不能只注重教学形式而忽视了教学方法的运用。对于晦涩难懂的教学内容而言，可以通过该平台帮助老师更好地讲解及学生的理解，而简单易懂的内容则完全可由普通的教学手段进行教学。另一方面，作为新兴的应用技术，虚拟技术和三维仿真技术在教学中应用案例仍非常少，还需要进一步的实践检验。

［1］ 孙光华，吕广忠.采矿学I课程教学体系建设［J］.河北理工大学学报(社会科学版)，2009，9(4):97-98.

［2］ 孙光华，李占金.“采矿学”课程教学改革研究［J］.教育与职业，2011，(2):147-148.

［3］ 王 超，陈世江，赵自豪.矿山立体模型在采矿教学中的应用［J］.科教论坛，2011，(1):127.

［4］ 姜谙男，孙豁然，郑建明.无底柱崩落采矿法的MCAI课件的开发［J］.矿业研究与开发，2002，22(3):44-46.

［5］ 宁 芳，范 军，蔡大林，等.基于Maya和Virtools的采矿虚拟现实教学系统开发［J］.实验技术与管理，2011，28(6):82-85.

［6］ 李俊道，谢 理.多媒体计算机技术在采矿教学中的应用［J］.金属矿山，1997，(5):46-47.

［7］ 刘洪涛，马念杰.采矿教学中存在的问题及其对策［J］.广西教育C(职业与高等教育版)，2010，(3):103-104.

［8］ 佟大威.基于虚拟现实的截流施工动态可视化仿真研究［J］.中国工程科学，2011，13(2):80-83.

［9］ 宁芳，范军，蔡大林，等.基于Maya和Virtools的采矿虚拟现实教学系统开发［J］.试验技术与管理，2011，28(6):82-85.

Key words:teaching effectiveness;human–machine interaction;touch-screen technology;virtual reality;mining technology teaching

Abstract:Considering the deficiencies in traditional mining technology teaching，a autonomous mining technology learning platform based on human-machine interaction and multi-touch technology is presented to improve the teaching effectiveness.This platform uses touch-screen，3-D animation and virtual reality technologies to construct a interactive teaching system.In this system，the learning objects can be shown in 3-D way，and both teachers and students are able to freely control the movement of the animation model.Thus a multi-functional，multi-sensory teaching mode is shaped perfectively.Compared with the traditional teaching mode，this presented platform can stimulate students’enthusiasm for learning and reduce teachers’teaching burden effectively，so that teaching effectiveness is improved.

A autonomous Mining Technology Learning Platform Based on Human-machine Interaction and Multi-touch Technology

CHEN Jian-hong，ZHONG Fu-sheng，ZHOU Zhi-yong
(TheResources＆Safety Engineering School of Central South University，Changsha Hunan 410083，China)

G642.4

A

2095-2708(2012)04-0105-05

2012-05-10