采矿工程实验实践教学虚拟仿真软件的开发与应用

徐剑坤 王晓振 周蕊 王珂 李颖

摘要：为解决采矿工程人才培养中存在的高危极端作业环境、实践基地建设困难、大量高成本高消耗不可逆操作的实验、高水平科研成果及优秀工程案例转化困难等问题，文章采用虚拟仿真技术开发教学软件。围绕实验教学、安全培训、认识实习、生产实习四个教学环节，准确定位软件功能，设计软件架构，制定开发技术体系及步骤，最终成功研制了采矿工程实验实践教学虚拟仿真软件。该软件依托各种终端在教学中得到了广泛应用，并表现出显著优势与效果，获得了较高认可。

关键词：实验实践教学;虚拟仿真;软件开发;教学平台

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）37-0109-02

教育部《教育信息化“十三五”规划》指出：“当前，云计算、大数据、物联网、移动计算等新技术逐步广泛应用，经济社会各行业信息化步伐不断加快，社会整体信息化程度不断加深，信息技术对教育的革命性影响日趋明显。”基于这一认识，国家不断推进信息技术与教育教学的深度融合。作为信息技术的一种，虚拟仿真技术近年来在高等教育中得到了快速的普及与应用[1-4]，该技术对解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题[5]具有显著优势。

一、开发背景

采矿工程专业旨在培养具备固体（煤、金属及非金属）矿床开采的基本理论和方法，具备采矿工程师的基本能力，能够从事矿区开发规划、矿山设计、矿山安全技术及工程设计、监察、生产技术管理及科学研究的高等工程技术人才。人才培养中涉及大量工程案例、工程实践、实验与综合训练，教学实践中存在以下问题[6]：（1）高水平科研成果及优秀工程实践案例转化为教学资源，周期长、成本高;（2）工程实践及综合训练涉及高危极端的作业环境，受制于高危作业环境及生产任务压力，实践基地建设困难;（3）实习实践中，学生往往集中于矿山庞大生产系统的某一环节，对生产全貌认知有限;（4）安全生产专业知识及技能教育培训环节缺失;（5）涉及大量高成本、高消耗、不可逆操作的实验，实验教学开展困难。虚拟仿真技术有助于解决这些问题。因此，本文依托矿业工程国家级实验教学示范中心、采矿工程国家级虚拟仿真实验教学中心、江苏省矿业工程虚拟仿真教学资源共享平台，研发采矿工程实验实践教学虚拟仿真软件。

二、软件设计与开发

1.软件功能定位。采矿工程实验实践教学虚拟仿真软件以采矿工程专业知识的学习与综合应用为目的，利用虚拟现实、仿真技术与计算机技术重构虚拟空间，再现实验室与矿山生产场景，在高度逼真的环境中实现系统认知、设备仿真操作、专业知识学习、过程跟踪与考核评价等。本软件既要作为理论环节的示教工具，也要作为实验、实习环节的教学平台与资源，实现任意时间、任意地点、任意内容、任意人员的定制化学习。

2.软件架构。基于功能定位，围绕采矿工程人才培养的实验教学、安全培训、认识实习、生产实习四个教学环节，对软件内容架构进行了如下设计。

虚拟实验室部分：以中国矿业大学矿业工程实验教学中心为蓝本，根据仪器设备运行原理及规律开发仿真仪器，根据实验过程及可能结果开发虚拟实验，可进行岩石力学、相似物理模拟、探测监测技术、分析测试技术、采矿模型认识等五大类实验;安全生产教育培训部分：以原国家安全生产監督管理总局发布的《煤矿安全规程》及相关规范为依据，总结大量真实的工程实例，根据灾害事故发生机理、致灾规律及专家组认定意见，制作煤矿安全生产规程视频教程、煤矿典型灾害警示教程、煤矿事故案例教育教程等一套完整的可视化教程;矿井生产系统漫游部分：以麦垛山煤矿、南梁煤矿等现代化生产矿井为蓝本，运用虚拟现实、仿真技术，重构高度逼真的三维场景，学生可以直观、形象、全面地了解回采、掘进、运输、调度、监测监控等矿山生产系统及其运行过程;虚拟矿山工程实践部分：在以现代化矿井为蓝本重构的虚拟环境中，学生可以在回采工作面与掘进工作面开展生产工艺设计、生产装备选型与操作、矿压观测等工程实践活动。

3.软件开发。在上述架构下，采用统一的技术体系，使用3DMax制作三维模型、使用Unity3D制作三维场景、使用Visual Studio设计程序、使用MySQL制作数据库、采用PhotoShop设计界面。本软件按模块分步开发，并最后集成，为保持软件连贯与风格一致，开发过程中制定了统一的标准与接口。

三、软件应用

采矿工程实验实践教学虚拟仿真软件在理论教学、实验教学、实践教学中得到了广泛应用，既可借助大屏、环幕等终端进行班级教学，也可借助VR设备、个人终端进行个体学习，也可通过互联网平台进行任意时间、任意地点、任意内容、任意人员的定制化学习。该软件已在高校采矿工程专业教学以及矿山从业人员技能培训方面进行了推广应用，在实际应用中体现了以下优势：（1）提供了一套完整系统、直观形象、经济安全的立体化教程及虚拟仿真教学平台，解决了以往采矿工程实验教学资源紧张、工程实践教学资源短缺、生产安全教育培训环节缺失等问题。（2）打破了实验实践教学对场地、设备、师资、经费的依赖，通过互联网实现了任意时间、任意地点、任意内容、任意人员的定制化学习，改变了传统的实验实践教学方法。（3）将实验教学、实践教学、安全培训及所涉及的理论知识统一规划、统一建设，并纳入统一平台管理，保证了理论教学—实验教学与实践教学的相互衔接与贯通，实现了对学生实践能力的动态跟踪与考核。（4）借助虚拟仿真技术将高水平科研成果及优秀工程案例转化为教学资源，并纳入本软件平台，加快了科研成果向教学资源的转化速度，降低了转化成本。

参考文献：

[1]狄海廷，董喜斌，李耀翔，辛颖，石金龙.高校虚拟仿真实验教学资源的可持续发展机制研究[J].实验技术与管理，2018，35（05）：236-238，242.

[2]杜彥敏.基于虚拟仿真技术的实验教学中心建设研究[J].教育教学论坛，2018，（15）：273-274.

[3]贺占魁，黄涛.虚拟仿真实验教学项目建设探索[J].实验技术与管理，2018，35（02）：108-111，116.

[4]李平.推进虚拟现实技术应用 提高高校教育教学质量[J].实验室研究与探索，2018，37（01）：1-4.

[5]教育信息化“十三五”规划[Z].【教技[2016]2号】

[6]熊祖强，欧阳凯，韩亚峰.煤矿开采虚拟仿真实验教学技术研究[J].中州煤炭，2015，（03）：80-82，88.

Development and Application of Virtual Simulation Software for Experiment and Practice Teaching of Mining Engineering

XU Jian-kun1，WANG Xiao-zhen1，ZHOU Rui2，WANG Ke3，LI Ying4

（1.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China;

2.Advanced Analysis & Computation Center，China University of Mining & Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China;3.School of Computer Science & Technology，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China;4.Department of Educational Administration，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Abstract：In the training of mining engineering talents，there are many problems such as the extreme risk working environment，a large number of experiments with high cost，high consumption and irreversible operation，difficulties in construction of practice base and transformation of high level scientific research achievements and excellent engineering cases and so on.In this paper，a teaching software is developed by virtual simulation technology to solve the problems，focusing on four teaching parts：experimental teaching，safety training，cognition practice and production practice.By determining accurately software functions，designing software structure，developing technical system and steps，finally，the virtual simulation software of mining engineering experiment practice teaching is successfully developed.The software is widely used in teaching relying on various terminals，showing remarkable advantages and effects and achieving highly recognition.

Key words：experiment and practice teaching;virtual simulation;software development;teaching platform