基于云空间技术的煤矿机电设备操作的虚拟实景教学研究

刘月琴 张玉梅 胡春芳

【摘要】本文为了解决煤矿机电设备操作实践教学的困境，利用虚拟仿真现实环境进行教学，基于云空间、互联网、3D虚拟交互技术等，将矿井中的煤矿设备的工作过程虚拟再现，这样大大提高了教与学的质量，由此弘扬了高职特色、培养了学生职业能力，同时对推动高职教学改革也具有重要意义。

【关键词】云空间技术 煤矿机电 设备操作 虚拟实景

【基金项目】内蒙古自治区高等教育科学研究“十三五”规划项目（NGJGH2016208）；内蒙古自治区高等高校创新创业教育科学研究项目：煤矿机电设备操作虚拟实景教学的优势与应用研究；内蒙古机电职业技术学院高等教育研究课题（NJDZJRW1807）。

【中圖分类号】G710 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）46-0197-02

从虚拟现实技术提上日程，发展迅速，2018年1月工业和信息化部、国家发展和改革委员会正式印发的《信息产业发展指南》中将支持虚拟现实产品研发及产业化作为发展重点，未来将建立虚拟现实产业发展公共服务平台，探索开展在设计制造、健康医疗、文体娱乐等领域的应用示范。

一系列的政策密集出台，将虚拟现实放在了超前发展的战略位置，从中也可以窥探虚拟现实在我国经济发展中的战略定位及产业路径。职业教育是推动产业发展的前提，所以应该抓住关键时机，利用虚拟现实技术改革教学方法和模式，促进我国虚拟现实产业生态，正当其时。

一、煤矿机电设备操作实践教学的困境及其解决办法

高职教育在结合社会和行业实际，为实践教学创造了有利条件[1]，某些行业或专业的特殊性，例如煤矿机电设备的操作和采掘，图1所示煤矿机电设备采掘过程中，让大量学生直接进入工作现场进行实践教学会给安全生产带来很大隐患，而大量昂贵设备买进学校也不可能；当然这类高危行业企业进行培训也存在同样的问题。因此使进不去、看不见、难再现、多污染、高消耗、不安全、设施设备不足等高危实践的教学和培训成为一个难题。

着眼于上述难题，通过虚拟仿真现实环境进行教学和培训，这样既可实现立体化教学视角，又可实现虚拟化的实际环境[2，3]。特别是有矿山、煤炭类专业的职业院校，能够深入现场的岩层和煤层内部，实现开采、设备操作、现场事故处理等。仿真实训避免了设备损坏、人身安全和环境污染。对不可直观展示的井下巷道空间位置及其关系进行三维直观展示。它解决了实操实训进不去、看不见、难再现、多污染、高消耗、不安全、设施设备不足等诸多难题；同时将趣味性、现场氛围等融入教学和培训中，创新出智能化、信息化、现代化的实训环境[4-6]。

二、煤矿机电设备操作的虚拟实景的关键技术

1.环境建模技术，虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，环境建模的目的是获取实际三维环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。

以煤矿机电设备的工作过程为例，如图1所示是矿井中的煤矿设备拆解演示，煤矿设备展现愈加形象、有直观精巧的3D动画，比本来单纯的文字说明愈加形象、直观。打破时刻、地域、空间的约束性。

2.系统集成技术，由于虚拟现系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、识别和合成技术等。

3.感知技术，以计算机为工具，将现实世界在虚拟环境下再现的技术，为了解决虚实融合的问题，感知是需要攻克的核心技术。如何实现交互的准确和自然，除了传统的触摸屏、多点触控之外，还包括语言识别、手势识别、情感识别的关键技术都需要突破。

三、云空间平台搭建

为了让学生享受现有的教学资源，探索开展了煤矿井下操作领域的应用示范。利用云空间技术建立了虚拟现实公共服务云平台，云空间平台搭建如图2所示。

步骤一：部署服务运行环境平台。

步骤二：搭建运行服务器。部署源码包，建立数据库、表，调整配置文件。

步骤三：完成初始化安装。根据网页安装向导进行安装，将源码包部署至网站目录，部分源代码见图3所示。建立数据库、表结构部分源代码见图4所示，然后编辑配置文件。

步骤四：完成初始化安装。调整配置，访问网站， 初始化用户名通过注册进入。

云平台的搭建使虚拟教学资源全天开放，方便维护，完全不用担心气候、时间、人员的维护，仅需登录网站即可查看。煤矿机电设备操作的虚拟实景教学将现实生产世界在虚拟环境下再现，以智能化、信息化、数字化的虚拟环境进行教学，学者似乎是身临其境，对学习内容越来越兴奋，越来越新奇。提高学生的学习兴趣，促进教与学的互动性。

四、总结

煤矿机电设备操作这门课由于其所在专业的特殊性，必须通过虚拟实景的教学方法实现实践教学环节，由此利用3D制图软件结合虚拟现实技术，虚拟再现了矿井中的煤矿设备的工作过程，基于云空间+互联网技术，学生只要一个链接就能克服时空限制进行现场学习。这样的教学大大提高了学生的学习兴趣和教师的教学质量，同时对弘扬高职特色、培养学生职业能力、开展教学改革等具有重要意义。

参考文献：

[1]周振军，张庆秀，马彦华.虚拟教学技术教学应用分析[J].内蒙古师范大学学报（教育科学版），2005（05）：102-104+130.

[2]张进.网上虚拟教学学习资源中心的建设[J].电化教育研究，2005（04）：77-80.

[3]王士勇. 虚拟现实技术在医学教学中的应用研究[D].第二军医大学，2007.

[4]罗虹，王士勇.基于Virtools技术的虚拟教学系统的设计与实现[J].现代教育技术，2007（10）：57-60.

[5]韩军堂，边萌萌，王丽，刘剑，刘媛.一种基于仿真资源包的虚拟教学训练系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2015（08）：2813-2816.

[6]梁德福.三维虚拟仿真技术在汽车维修教学中的应用[D].深圳大学，2017.

作者简介：

刘月琴（1977-），女，内蒙古察右前期人，内蒙古机电职业技术学院副教授，博士研究生。研究方向为机电一体化教学的智能化与信息化。

张玉梅（1971-），女，内蒙古呼和浩特市人，内蒙古机电职业技术学院实验师，本科，研究方向为机电设备管理。

胡春芳（1966-），女，内蒙古巴彦淖尔市人，内蒙古机电职业技术学院副教授，本科，研究方向为机械制造与自动化。