虚拟仿真技术在采矿学课程教学中的应用初探

吕文玉+曾佑富

摘要：分析了虚拟仿真技术在采矿工程专业课程教学中的应用现状，针对传统采矿学课程教学中存在的问题，提出了采矿学课程虚拟仿真教学方法，使学生把理论学习和生产实践相结合，更好地领会和掌握专业知识，旨在实现提高课程教学质量的目的。

关键词：虚拟仿真；采矿学；课程教学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）01-0147-02

虚拟仿真教学是指利用计算机软件和具体实物共同模拟出现场的真实场景，使学生处于一种虚拟的情境下进行学习。该种教学方法可以利用接近于现实的工作场景进行教学，教学方法生动形象，有利于提高学生的学习兴趣和加深对知识的理解。采矿学是采矿工程专业的主干课程和重要的专业必修课。该课程应用实践性强，需紧密结合现场生产。将传统的采矿学课程教学和虚拟仿真技术结合起来，发挥各自的优点，使学生不受设备和场地的影响，能够掌握更多的知识和技能，对于采矿学课程教学具有重要的意义。

一、虚拟仿真技术在采矿工程专业课程教学中的应用

在采矿工程专业方面，东北大学针对采矿中围岩岩体失稳数值模拟计算、岩土力学实验和采矿工艺优化设计等所需的大型复杂实验用的物理设备价格昂贵，且维护费用高和安全性差等缺点，建立了虚拟仿真教学中心，包括：采矿优化设计虚拟仿真实验室、岩石破裂过程与大规模并行计算数值模拟实验室、矿山测量及数字矿山仿真实验室和安全环境及装备虚拟仿真实验室，用于服务于全校本科生教学和研究生的课题研究。中国矿业大学构建了“层次化、模块化、多元化”的虚拟仿真实验教学体系，即“理论学习、工程训练和科研活动”3个模块与“综合与设计仿真实验、创新与前沿仿真实验和演示仿真实验”3个层次，彼此相互交叉，融合渗透。建立了适合教学用的综合性虚拟仿真实验平台，从而实现了虚拟仿真教学的网络化管理和教学资源的智能化。在此基础上，学生可以根据教学安排自由地选择实验内容和实验时间，自主地搭配实验器材进行实验，从而为提高采矿专业大学生的创新和实践能力提供了一条新路。

二、传统采矿学课程教学存在的问题

采矿学课程主要以讲述煤矿地下开采为重点，包括煤矿开采的基本理论、采煤方法、矿井开拓和准备方式以及开采设计的主要方法和基本原理，目的是使学生能够对煤矿开采的生产环节、生产系统和开采方式有一个比较全面和系统的了解。由于采矿学课程教学中存在实践性强、交叉性强、内容概念多和时空关系强的特点，使得传统教学存在以下难点：

1.采矿学课程教学实践性很强，学生因为没有现场工作经验，对于采煤机械的操作过程，例如采煤机割煤、装煤、挂板输送机运煤、移架、掘进机掘进和锚杆支护等过程缺少认识。

2.采矿学中重要的是巷道布置图，且都是由平剖面图组成的，由于学生缺少对现场的认识，使对图纸物化成为一个立体图变得十分困难。

3.采矿学研究的对象之一是煤矿的生产系统，其中大的生产系统又包含很多子系统，每个子系统又需要依靠于矿井巷道系统来实现其功能，使得在教与学过程中理清各个系统之间的关系变得很困难。

4.采矿学课程研究内容之间具有独立性，同时也具有依存性。使得教与学存在很大的难度。

三、采矿学课程虚拟仿真教学方法

针对采矿工程专业的教学现实和专业特点，利用虚拟仿真技术应用于采矿学课程教学环节，通过建立煤矿地下开采虚拟仿真系统，将教学中存在的难点重点内容通过演示的方式实现虚拟和仿真化，加强学生对课程内容的理解和掌握。

1.创建和完善煤矿开采虚拟仿真系统。在采矿学课程教学过程中，采用一或者多种教学方法结合，使学生沉浸于学习过程中。为了增强学生对煤矿开采的认识和理解，针对我国煤矿地下开采的特点，利用虚拟仿真实验平台，根据矿山巷道的特点，对所有巷道分类和功能逐一展示给学生，共同构建煤矿地下开采巷道虚拟仿真。主要讲述的巷道包括：开拓巷道（井筒、井底车场、水仓、中央变电所和大巷等）、准备巷道（上下山、采区变电所和采区车场等）、回采巷道（运输巷、回风巷和开切眼）、井筒方式（立井、斜井、平硐）和巷道分类（煤巷、岩巷和半煤岩巷道）等。根据巷道的用途以及围岩等因素综合考虑，将以上内容相互联系、交叉布置，统一构成整个巷道系统。煤矿地下开采重要的一部分是矿井的生产系统，而传统的教学中是通过平剖面图体现，学生理解困难。通过虚拟仿真环境可以使学生对生产系统产生立体式的认识，提高教学效率。主要生产系统包括：运煤系统、运料系统、排矸系统、通风系统和排水系统等。可以通过平面展示利用不同颜色的箭头表示不同的生产系统，辅以立体图像演示。利用动态的虚拟仿真技术替代静态的图片教学，可以让学生在场景和声音的引导下，了解采煤工艺和巷道掘进的全过程。采煤工艺包括：采煤机割煤、移架、推挂板输送机等过程。巷道掘进按照掘进方式不同，分别演示巷道爆破的基本工序，亲身体验炮眼的设计和布置工作，通过计算机模拟向学生展示爆破效果。以及综合机械化掘进机作业工序，让学生自主操作，加深对所学知识的理解和认识。在仿真系统中，考虑巷道类型和功能，分别展示选用金属支架支护、锚杆支护及联合支护等支护方式和支护效果。采煤方法是采矿学课程中重要的一部分，传统的教学只能依靠教师讲述、平剖面图和固定模型进行讲解，无法达到满意的效果。因为中国煤矿地质条件复杂，采煤方法多种多样，通过传统讲述，学生很容易弄混，理解不清。通过虚拟仿真环境，可以使学生犹如处于煤矿生产中，可以加深对采煤方法的理解和认识，并能在学习中发现问题并解决问题。采煤方法的内容包括：单一走向长壁采煤法、倾斜长壁采煤法、放顶煤采煤法等。利用虚拟仿真技术构建的煤矿地下开采系统，使用计算机，图文并茂，能够打破时空限制，一方面可以将采煤生产过程通过立体形式展示出来，另一方面可以较大范围的将不可见空间直观展示出来，提高学生的感知水平和学习兴趣。

2.探索采矿学课程虚拟仿真教学模式。该模式由“课程导入”、“制定计划”、“实施计划”和“总结完善”四个环节组成：（1）在“课程导入”环节，主要包括二个内容：一是借助虚拟仿真系统，导入教学任务及计划目标，让学生在学习前有一个直观的认识；第二是利用虚拟仿真环境，让学生明确自己需要完成的具体任务以及可以得到的知识和达到的水平。（2）在“制定計划”环节，首先通过分析该课程的任务目标，确定任务所涉及的各种要素，基于虚拟仿真系统，明确教学任务的实施步骤，制定出具体的教学方案，做好课程讲授前的准备工作。（3）在“实施计划”环节，教师借助虚拟仿真系统对学生进行指导。（4）在“总结完善”环节，根据虚拟仿真教学过程中的学生反馈，查找问题，边教学、边总结，不断改进教学方法和方案。endprint

3.堅持“以学生为主体，教师加以引导”的方针。在采矿学课程教学过程中，坚持“以学生为主体，教师加以引导”的方针。教学中教师应尊重学生的认知规律，尽量避免讲述内容的理论化，做到理论与生产实践相结合，使学生在虚拟的生产实践环境中，体会理论的重要性，提高教学效率。使学生参与到煤矿生产和技术改进的过程中，通过全新的教学环境和模式，使学生从被动接受变为主动获取，从而培养学生的专业素养，理解煤矿生产的内涵。通过理论学习，使学生在虚拟环境中不断发现和解决问题。在学生学习的过程中，教师要对重要的问题予以指导解答，引导学生去利用所学知识来参加实践，实现学思结合和实现理想现实一体化，从而挖掘出学生的学习潜力，力争使学生的理论学习和工程实践能力得到提高。

4.培养学生的团结协作能力。采矿学课程教学除向学生传授专业知识外，还培养学生的综合能力。在虚拟仿真环境中，可以将学生分为几个小组，使不同的学生负责不同的模块。例如在煤矿开采工艺中，可以使不同的学生负责采煤、推挂板输送机和移架工作，锻炼学生的团结协作能力。要求学生在实施过程中记录存在的问题，进行总结分析。学生通过不同的分工参与到整个生产过程中，有利于激发学生的学习兴趣，提高对煤矿生产过程的理解。

在了解传统采矿学课程教学存在的问题基础上，可通过坚持以“学生为主体，教师加以引导”的方针、建立和完善煤矿开采虚拟仿真系统、改进教学方法和培养学生的团结协作能力，充分发挥教与学两个方面的积极性和创造性，最终实现提高采矿工程专业采矿学课程教学质量的目的。

参考文献：

[1]沈学利，张纪锁.虚拟仿真在煤矿安全培训教育中的应用[J].计算机系统应用，2010，19（11）：176-179.

[2]徐永圻.煤矿开采学[M].中国矿业大学出版社，2009.

Abstract：Based on the analysis of application of virtual simulation technology and problems in mining course teaching，the virtual simulation teaching method was proposed，which lets students combine theory study with production practice，better understands and masters professional knowledge and achieves the purpose of improving teaching quality.

Key words：virtual simulation；mining；course teachingendprint