虚拟现实技术在采矿专业教学中的应用

李建忠

(太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024)

虚拟现实技术在采矿专业教学中的应用

李建忠

(太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024)

虚拟现实;采矿专业;教学

虚拟现实技术作为计算机技术中的热点之一，已经应用到教育教学领域，并取得了显著效果。在介绍了虚拟现实技术的基础上，着重探讨其在采矿专业教学中的应用。

多媒体技术、网络技术的推广给传统教育教学注入新的活力，掀起了教学方式改革的高潮，同时也为高等教育的现代化带来新的机遇、需求和挑战。二十一世纪是信息化、智能化的时代，虚拟现实技术进入高校教学能形象生动地表现教学内容，有效地营造一个跟随技术发展的教学环境，提高学生掌握知识、技能的效率，达到优化教学过程，提高教学质量的目的。

一、虚拟现实技术简述

虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术是目前计算机领域中引起广泛关注的研究前沿和热点之一，它利用计算机生成逼真的三维空间环境，通过视、听、触觉等作用于用户，使之与环境直接交互，产生身临其境的感觉。该技术是计算机图形学、传感器技术、多媒体技术、人机接口技术以及人工智能技术等多种学科技术的交叉与综合。虚拟现实的特征可归纳为三个“I”，即沉浸(Immersion)、交互(Interaction)、构想(Imagination)［1］。一个虚拟现实系统必须具备沉浸感，用户在虚拟环境中具有身临其境的感觉，能够自由的运动，观看风景，就和真实的世界一样。虚拟现实与通常CAD系统所产生的模型以及传统的三维动画是不一样的，它不是一个静态的世界，而是一个开放、互动的环境，虚拟现实环境可以通过控制与监视装置影响或被使用者影响，这是VR的第二个特征，即交互性。构想性是指虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具，它以视觉形式反映了设计者的思想，达到所看即所得的完美境界。

虚拟现实技术复杂，而且构成系统的设备比较昂贵，投资巨大，所以最初只在军事、航天等少数领域得到发展。近年来，随着计算机性能的提高和价格的下降，虚拟现实技术已广泛应用于医学、建筑和工程、科学、金融、电子商务、游戏和教育等方面。虚拟现实的三个基本特征沉浸感、交互性和构想性使之在教学上具有特殊优越性，其在教育教学领域中的应用前景非常广阔。

二、虚拟现实技术在教学中的应用

虚拟现实技术与多媒体技术的主要区别在于不仅仅把图片、文字、声音和动画结合在一起，更主要的是它为用户创造了一个虚拟环境，用户不再是被动地接受知识，而是主动的、多方位的和虚拟环境直接交互，从而获得知识。正是这一特点改变了以往学生的学习方式，使虚拟现实技术进入课堂成为当前研究热点。目前，国外已经开发出许多针对教学的虚拟现实系统。利用此技术可以建立“虚拟物理实验室［2］”，学生在虚拟实验室里可以作各种实验，亲身体验失重的感觉，使学生对物理概念和定律有了更深的理解;在“化学虚拟系统［3］”中，学生可以通过数据手套操作虚拟环境中的化学分子的运动，观察分子结合的化学反应，由此学到现实教学中无法感受的知识;在医学院的教学中，虚拟现实技术更是发挥巨大的作用，利用“虚拟手术台［4］”使学生无需通过病人就可以迅速安全地掌握各种复杂的手术操作;军事院校学生利用飞行模拟器进行飞行训练是一种最安全高效的训练方式。此外，虚拟现实技术和网络技术的结合产生了“虚拟学校”、“虚拟教

室”，使网络学习成为一种新的学习模式。

三、虚拟现实技术在采矿专业教学中的应用

(一)采矿专业教学特点

采矿工程专业在我国属于艰苦专业，而且实践性要求比较高，专业课程主要有《矿山测量学》、《矿山压力与控制》、《采掘机械》、《井巷工程》、《通风与安全工程》、《煤矿开采学》等，在学习阶段先后有三个实习环节，认识、生产及毕业实习。采矿专业的特点要求在教学中必须与生产实际相联系，所设置的三个实习环节也是为这一目的服务。通过上课和实习，学生应该对采矿专业知识有比较深入的理解，能够完成矿山规划设计，但通过毕业设计环节我们认识到学生对专业知识的理解不够透彻，尤其涉及到实际生产环节的设计，达不到预想效果，这说明我们的专业教学存在不足。首先，在以往采矿专业教学中采用传统的教学方式，课堂教学以黑板为工具，以单纯教师教授的方法，向学生灌输知识，课堂教学结合采矿实际不够，学生的学习主动性、积极性不高，对专业知识的理解不够深入;其次，采矿专业实习地点在矿山，条件一般比较艰苦，下井实习具有一定的危险性，学生实习兴趣不高。同时，由于受井下实际生产的限制或者实习经费不足的影响，学生真正深入现场的机会不多，由此引发学习和实际相脱节，最终造成采矿专业的教学往往达不到大纲要求。为此我们必须改进传统的教学方法，结合专业特点，将现代计算机技术引入教学，发挥学生学习的主动性、积极性和创造性，提高采矿专业教学质量。

(二)虚拟现实技术的应用

虚拟现实技术在教育领域应用的显著效果已得到国内外教育界的肯定，它的三个基本特征决定了将其引入教学必然会提高学生学习的积极性，给传统教学注入新的活力。采矿专业教学主要有课堂教学和实习教学两个环节，针对这一特点，利用虚拟现实技术可以分别开发“采矿专业课程虚拟教学”和“虚拟实习”系统，其中包括各门课程子系统和各种实习场景子系统。

在《采掘机械》课中主要学习矿山机械设备工作原理和实际应用，其中的大型设备只能从书本中看到图片，很难看到实际模型。应用虚拟现实技术可以开发出“矿山机械设备虚拟系统”，学生在这个系统中不仅可以看到设备的结构，了解工作原理，还可以身临其境亲自操作这些设备;针对《井巷工程》课程开发“虚拟巷道系统”，学生可以进入巷道自由漫游，了解各种巷道的结构、用途以及支护方式等，同时可以发挥自己的想象性，设计各类巷道，完成之后立即进入巷道检查设计是否合理，完成交互式设计，图1所示为矩形巷道虚拟环境;《煤矿开采学》是采矿专业最主要的课程，也是与实习环节联系最紧密的，“虚拟矿山系统”的开发，既能满足课堂教学要求，又为学生实习提供虚拟环境。图2所示为综采工作面虚拟现实系统［5］，学生进入虚拟环境如同真正走入井下综采工作面，不仅可以自由漫游，而且可以在工作面亲自操作开动采煤机割煤、移液压支架和推动刮板输送机，这些内容在书本中是学不到的，即使在井下实习的时候也很难有机会如此近距离观察，更不可能亲自操作。图3、图4所示为采场覆岩垮落动态虚拟系统，通过该系统，学生可以设置采场顶板参数，计算顶板的初次垮落步距和周期垮落步距，模拟各类顶板的垮落过程，在了解矿山压力的各类假说的同时，掌握顶板来压规律，为将来的实践操作打下扎实的基础。

四、结 论

虚拟现实技术在采矿专业教学中的应用将有助于优化教学过程、激发学生学习的积极性、提高专业教学质量，并可解决实习教学中的经费不足、实习环境危险和学生难以深入现场等问题。它的研究对探索和发展现代教育思想、提高教育技术水平、改善实验实训环境、培养具有创新意识和创新能力的人才具有深远的影响。

［1］ 汪成为，高文，王行仁.灵境(虚拟环境)技术的理论、现实及应用［M］.北京:清华大学出版社，1996.

［2］ 张景川，石鲁珍.大学物理虚拟实验实践教学与理论分析［J］.高等理科教育，2009.(2):79-82.

［3］ 杨景琴，陈坚.VRML中粒子系统在虚拟化学实验室构建中的应用研究［J］.计算机光盘软件与应用，2012.(4):102-103.

［4］ 罗伟，李珊珊.仿真手术刀在虚拟外科手术系统中的应用与研究［J］.生物医学工程学进展，2010.(3):149-152.

［5］ 李建忠，陈鸿章，隋刚.基于虚拟现实的综采工作面仿真系统研究［J］.系统仿真学报，2007.(9):4164-4167.

Key word:virtual reality;mining specialty;teaching

Abstract:As one hotspot of computer technique，virtual reality technology has been used in the field of education and teaching，and acquires remarkable effect.On the basis of introducing to virtual reality technology，the writer discusses mostly its application in Mining Specialty Teaching.

Application of Virtual Reality Technology on Mining Specialty Teaching

LI Jian-zhong
(College of Mining Technology of TUT，Taiyuan Shanxi 030024，China)

G642.4

A

2095-2708(2012)04-0110-03

2012-05-03