虚拟现实技术在采矿专业教学中的应用

吕存英

摘 要：通常来讲煤矿企业生产任务重且安全事故责任重大，所以在对采矿专业学生展开教学时无法深入到一線岗位去进行实习，而传统的采矿专业教学手段由于存在局限，导致学生在学习中难以收获良好效果。因此引入虚拟现实技术去研发出采矿专业教学中所需要用的虚拟系统，对真实采矿工作进行模拟，进而在教学应用中发挥着重要价值。

关键词：虚拟现实技术 采矿专业 教学 应用

虚拟现实技术在教学领域的应用主要是指利用计算机软件与实物对真实场景进行模拟，从而让学生能够身处于虚拟出的场景中去展开学习，这种教学方法的优点便在于还原现实工作场景，提高了教学的形象性以及学生对知识的理解。而采矿专业是一门实践性极强的专业，通过虚拟现实技术的应用能够与采矿现场生产场景进行融合，让学生无须亲身前往矿区便能开展实践学习，对于提高采矿专业教学效果而言有着重要作用。

一、虚拟现实技术在采矿专业教学中的应用价值

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术基于多项技术发展而成，能够对人在自然环境中的视觉、听觉、触觉进行逼真模拟，以高性能的计算机软硬件与各种传感器去为参与者营造身临其境的感觉^[1]。随着科技水平的提高，虚拟现实技术在采矿专业教学的中的应用也从最初的展望发展到如今的实际应用，有着重要的应用价值。具体来讲，主要表现为如下几点：

1.提高理论教学效率

采矿专业属于复杂性和系统性均较强的专业，正因为这一特点的存在也导致采矿专业教学有一定的难度，对教师的教学方式提出更高要求。传统的采矿专业教学模式并不能对其中许多内容进行良好的解析，导致许多空间想象能力不足的学生对理论知识理解不足。而应用虚拟现实技术去展示矿山模型，基于虚拟模型去讲解理论知识，便能让学生对矿山开采流程及方法有更深刻的理解。

2.提高教学实践性

采矿专业知识概念多、系统性强且不易于理解，而传统教学方式讲述多而实践少，难以取得良好的教学效果。而应用虚拟现实技术能够明显提高教学实践性，教师可将书本中的二维模型转化为立体化的三维模型，特别实在讲解井巷结构时更能讲清楚不同井巷间的联系与区别，从而对这一关键知识点有更为深入的把握。与此同时，通过虚拟现实技术的应用还能对采矿生产中发生的安全事故进行模拟，让学生亲身经历爆炸、中毒、塌陷等事故，给予其最直接的安全教育，从而通过提高教学实践性去培养学生井下操作的科学严谨态度。

二、虚拟现实技术在采矿专业教学中的应用

在教育领域应用虚拟现实技术早已有了研究先例，并且取得了显著效果，受到教育界的广泛肯定，不仅能够调动学生的学习积极性，同时也能为传统教学注入全新活动。采矿专业教学通常可分为课堂教学与实习教学两大部分，结合采矿专业实践性较强的特点，我们可以应用虚拟现实技术去开发出课程虚拟教学系统以及实习虚拟教学系统，将采矿专业中的各个工作场景融入其中展开教学。

1.采矿机械设备

在《采掘机械》课程当中主要要求学生掌握采矿机械设备的工作原理与操作技能，但是对这些大型设备学生往往只能够从教材中看到图片，模型都很难看到，更谈不上实物。而应用虚拟现实技术便能够让学生在矿山机械设备的虚拟系统中去感受，不但能够看到相关设备的结构与工作原理，甚至还能够置身其中去动手操作^[2]。比如可模拟出常见的井下设备，包括采掘设备、运输设备、提升设备以及辅助设备等，还能够对矿井开采的生产系统展开动态化、三维化、实时化的模拟。

2.矿山内部环境

《煤矿开采学》属于采矿专业的主要课程，通过应用虚拟现实技术对整个矿山内部环境进行模拟，不仅能够满足课堂教学要求，还能为学生的实习通过虚拟环境。在对矿区环境进行模拟时，需要将矿山生产服务系统全盘呈现，其中包含生活区、办公区、机修区、选煤区、主副井、风井等等。同时进入到综合开采工作面的虚拟现实系统中，学生便能够真实感受到走在井下综采工作面的状态，不但能够自由行走，还能够在工作面去启动与操作采煤机、移动液压支架以及推动刮板输送机等等，而这些知识仅仅依靠书面理解难以获得良好的学习体验，即便是下到真实矿井中去实习也未必有如此近距离的观察，更谈不上亲自动手去操作^[3]。又如在对采场覆岩垮落动态的虚拟系统中，学生能够利用这一虚拟系统通过预设采场顶板参数，从而推算出顶板的初次垮落步距与周期垮落步距，对不同类型顶板的垮落过程进行真实模拟，从而对各种矿山压力假说有所了解，掌握顶板来压规律，为今后的工作实践奠定坚实基础。

3.矿井巷道结构

《井巷工程》同样是采矿专业教学中的主要课程，应用虚拟现实技术我们能够开发出对矿井巷道的虚拟系统，重点构建井下主要巷道和硐室的模型，其中包含水泵房、井底车场、中央变电所、运输巷、回风巷等等，对巷道中的结构以及各种支护方式、不同断面形状、交叉点进行展示，形成全方位的矿井巷道空间布置立体模型。学生通过进入系统，能够从地面下井开始，乘坐罐笼下降到井底车场，在中央泵房、中央变电所进行漫游参观，观察各类设备与设施，通过人机交互的方式进入模拟的井下巷道，带上VR眼镜以行走的方式完成在巷道的漫游全过程，从而产生身临其境之感。同时，学生还可充分结合所学知识以及发挥想象，利用虚拟系统对井下各类巷道进行设计，设计完毕后可通过虚拟系统进入到巷道去进行检查，验证其设计的合理性与可行性。

结语

综上所述，在采矿专业教学中应用虚拟现实技术，能够对教学过程进行有效优化，同时调动学生的学习积极性以及提高专业教学质量，有效改善了该专业实习教学需要耗费大量经费以及面临大量安全风险的情况。如此一来，学生能够通过虚拟现实系统中去感受采矿现场环境以及相关设备的操作，对专业学习中的理论进行实践理解，大大提高了采矿专业人才的培养质量。

参考文献

[1]李建忠.虚拟现实技术在采矿专业教学中的应用[J].华北理工大学学报（社会科学版），2012.

[2]赵自豪.虚拟现实技术在采矿工程课程体系教学中的应用[J].中国科教创新导刊，2011.

[3]郭兵兵，陈国祥，王国际.虚拟现实在采矿工程教学中的开发应用[J].煤炭技术，2011.