虚拟仿真技术在采矿工程实验教学中的应用

胡浩 王磊 张贵生

摘  要：当前采矿工程专业实践创新培养受到多方面因素的影响，难以开展实践教学及综合创新型实验。虚拟仿真技术的飞速发展为采矿工程专业实验教学改革提供了硬件支持。将虚拟仿真技术融入到采矿工程专业实验教学中，以培养采矿工程专业创新性、复合型人才为指导，最终实现对人才培养质量的进一步提高。同时虚拟仿真实验室的建成，使矿工程专业实验教学条件更优越、实验教学系统更加完善。

关键词：采矿工程  实验教学  虚拟仿真技术  实验室建设

Abstract： At present， mining engineering practice innovation training is affected by many factors， so it is difficult to carry out practice teaching and comprehensive innovative experiment. The rapid development of virtual simulation technology provides support for experimental teaching reform of mining engineering specialty. The virtual simulation technology is integrated into the experimental teaching of mining engineering specialty， and guided by the training of innovative and compound talents of mining engineering specialty， the quality of personnel training is further improved. At the same time， the construction of virtual simulation laboratory makes the experimental teaching conditions of mineral engineering specialty more superior and the experimental teaching system more perfect.

Key Words： Mining engineering; Experimental teaching; Virtual simulation technology; Laboratory construction

采矿工程专业作为典型传统学科具有多学科交叉的特点（相关学科包括地质、机械、力学、数学、计算机、安全、管理等多个专业），对学生的知识结构及综合能力具有更高的要求，因此采矿工程專业要有多的实践及实验机会[1-2]。但现阶段采矿工程专业学生实践创新培养存在以下主要问题：煤矿企业生产任务繁重、安全风险大，现场实践教学难以开展;受资金、师资、教学与科研协调等条件限制，部分传统实验教学项目不能正常进行;如今很多创新型综合实验所需大型实验设备较多，一般实验室仪器设备无法满足实验需求[3]。

计算机技术的和虚拟仿真技术的飞速发展，为采矿工程专业的实验教学改革提供了硬件支持，为上述问题的解决提供了可行的路径。基于采矿工程专业特色，建立高仿真度的实验、实践环境，可以较大程度的还原真实环境无法完成的实践活动或危险系数较高实验内容。将虚拟仿真技术为硬件基础，融入到采矿工程专业的实验、实践教学中，以培养采矿工程专业创新性、复合型人才为指导，最终实现人才培养质量的进一步提高。

1  虚拟仿真实验室建设

1.1 实验室依托条件

高等院校的实验室作为培养大学生实践实验能力的重要场所，其教学仪器设备的配置及使用状况，直接决定了实践教学育人的效果。建立虚拟仿真实验室，完善采矿工程专业实验课程体系，能够提高学生的创新能力及实验动手能力[4]。

安徽理工大学做为安徽省第一所工科高校，是安徽省重点建设的特色高水平大学。学校以工为主，地矿特色鲜明，是全国最早开展矿业人才培养的两所高校之一。采矿工程学科是学校最早设立的学科之一，历史悠久。经过数十年发展，采矿工程学科体系完整，围绕矿井安全高效回采等开展科研工作，科研条件不断改善，科研实力不断增强。结合安徽省地方经济特色、依托单位的学科优势，2002年筹建定位于深部煤矿采动灾害基础研究的安徽省现代矿业工程重点实验室。2016年实验室进入省部共建国家重点实验室立项建设序列。2018年省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室获批[5]。实验室拥有一批高性能的先进设备，现有大型实验设备 100 余台件，仪器和设备总价值 1 亿多元。依托上述平台、资源等优势，我校虚拟仿真实验室于2020年建设完成并投入使用。

1.2 虚拟仿真实验室

安徽理工大学虚拟仿真教学平台依托计算机硬件设备，结合采矿工程专业课程设置与虚拟仿真实验、实践教学需求，建设一个沉浸可交互实验室，实现计算机尖端技术与采矿工程专业的实验、实践教学的深度融合。

安徽理工大学虚拟仿真实验室为实验教学提供了一个大场景宽视野的3D教学环境，通过虚拟现实技术以及三维建模技术，创造出一个1：1的虚拟场景。LED小间距立体显示系统作为虚拟仿真教学平台关键性硬件系统，采用了国际领先的显示技术，同时融合了拼接融合技术、图像处理技术、立体显示技术、网络通讯技术等。系统具有高分辨率、超宽视野、立体显示、无缝拼接，高集成度等特点。系统在硬件、软件设计上已充分考虑到系统的安全性、可靠性、可维护性和可扩展性，存储和处理能力满足远期扩展的要求。搭配立体扩音系统，可以满足不同形式的立体教学和多媒体教学，该环境同时布置了动作捕捉系统，教师采用交互设备模仿真实的实验、实践教学过程，学生佩戴立体眼镜仿佛置身于真实的操作环境中。此外，虚拟仿真实验教学资源开放管理平台还具有信息发布、实验数据收集分析、互动交流、成绩评定、成果展示等功能。同时该平台为开放式，根据教学的需要可添加其他实验教学内容。

2  虚拟仿真设备教学优势

虚拟仿真实验室因其具有可重复使用、成本低、安全性高等有点，在欧美等发达国家已得到普遍应用，国内的航空航天、材料工程等专业的教学实践环节也选择采用虚拟仿真技术[6-7]。将虚拟仿真技术引入到传统的采矿工程专业的实验、实践教学中，能加深学生对专业知识的学习理解，拓宽科研视野。

2.1 设备利用率高

高校实验室为学生提供了实践操作平台，也是学生科研创新的重要场所 。如今很多高校都十分重视实验室建设，投入大量资金购买先进大型仪器设备。但是设备的运行维护费用较高，尤其是很多单一来源设备后期维修、维护费用高昂。因此很多学校为节约运行、维护成本，选择减少仪器设备的开放使用。同时由于学校更倾向于将仪器设备用于科研工作，进一步减少了可用于教学的仪器设备数量。如今采矿工程专业实验教学，多数高校选择采用教师演示的教学方式，从而降低学生操作大型设备存在的设备损坏风险。

针对上述问题，将虚拟仿真实验教学引入到采矿工程专业学生的实践创新培养中，可以有效解决传统实验教学面临的问题。虚拟仿真实验室涵盖多种实验教学资源，可以开展多种实验教学，减少了非必要设备的采购，提高了实验室仪器设备的使用率。利用动作捕捉系统，学生可以通过交互设备模拟真实的实验操作，从而掌握大型仪器设备的操作流程。同时采矿工程专业虚拟仿真实验室因其具有安全、低成本、可重复、形象直观等特点，在教学实践中能达到其他实验室难以达到的效果。

2.2 激发学习兴趣

相比采矿工程专业传统实验教学模式的简单、枯燥，虚拟仿真技术能够更直观、立体地展示生产现场，给学生以更直接的感官刺激。在采矿工程专业实验、实践教学中引入虚拟现实技术，能够调动学生学习的主观能动性，提高学生对于专业课学习的兴趣。利用虚拟仿真设备构建虚拟矿井场景，学生能有身临其境的感觉，如同亲身体验矿井现场。同时可以让学生全面的了解矿井工业广场、生产系统、机械装备以及各类矿井灾害。

相比以往室内矿井模拟（多为塑料材质）无法更新、损坏修复困难等问题，虚拟仿真实验室具有教学内容更新难度小、周期短等优点。因此虚拟仿真教学更能调动学生学习的动力，激发学生的学习、科研兴趣。

2.3 知识拓展性

利用虚拟仿真实验平台，结合学科前沿问题及成果，能够实现以下功能：利用其三维漫游功能，能实现矿井的仿真漫游，完成学生的参观实习活动;利用其动作捕捉及交互功能，完成高危险系数的实验操作演练、实现采矿工程专业较复杂综合实验及科研创新实验;利用其3D展示功能，可以完成矿井冲击地压、煤与瓦斯突出、突水等灾害应急展示等，给学生以视觉冲击。

同传统采矿工程专业实验教学相比，虚拟仿真实验室的投入使用，可以让学生更深切的体验矿井生产环境，更深入地将理论知识与现场情况相结合，有利于学生深入思考围岩失稳等力学机理。激发学生学习的主观能动性，培养学生对未知问题进行积极探索的精神。结合虚拟仿真系统中嵌入模块，授课老师可以从机械装备、回采工艺、围岩受力多个角度，全方位、立体式的引导学生展开学习采矿工程的相关知识点。同时可以引导学生积极申请参与各类科研项目，为学生提供硬件条件，支持学生开展科研探索等相关工作[8]。

3  虚拟仿真技术带来的改革

3.1 完善采矿工程实验教学体系

虚拟仿真实验室的建成，使安徽理工大学采矿工程专业实验教学系统更加完善。安徽理工大学深部煤礦采动响应与灾害防控国家重点实验室实验，现有实验大楼一栋，仪器设备总值达1亿多元，并构建了如下研究系统：仿工程复杂物理场煤岩力学演化特性实验系统;动静荷载下气固耦合煤岩冲击动力学特性实验系统;深部工程支护体性能检测系统;含瓦斯煤岩损伤、破坏微细观全时演化监测系统;相似材料模拟实验系统。虚拟仿真实验室的建成，形成了“矿山虚拟仿真实验系统—相似材料模拟系统—岩石力学实验系统—工业CT”实验教学体系，系统的向学生展示了“工程现场—实验室尺度—微观变形”之间的联系，培养学生将现场问题转换到实验室进行分析的思维方式。有利于学生对专业课理论知识进行梳理，提高专业课教学效果。

3.2 改善采矿工程实验教学条件

教学技术的发展推动着教学方式的变革。建成的虚拟仿真实验教学管理和开放共享平台，能够对学生的线上虚拟仿真实验进行全程管控。采矿工程虚拟仿真实验教学资源开放管理平台在校园网面向所有用户开放，对校内外展示虚拟仿真实验教学信息。学生可在校园内任意网络接入点访问平台资源，不仅可以方便地利用平台资源学习和开展实验，还可以根据平台上提供的器材自由搭建合理的综合实验项目。学生可以选择在自由时间，开展自主实验内容，能够调动学生的主观能动性、激发学生的科研兴趣，同时有效提高了设备的使用率。

3.3 锻炼采矿工程教学队伍

青年教师作为实验室建设与开展科研工作的主力军，同时担负着教学与科研任务，全面的提升青年教师能力，能够有效增强实验室师资力量。

虚拟仿真实验室的建设运行，有助于增强青年教师的知识储备。矿山虚拟仿真实验室具有综合性、系统性的特点，青年教师在授课、科研过程中，能够再次对专业知识体系进行梳理。因此，虚拟仿真实验室在培养学生科研兴趣的同时也提升了教师自身水平。虚拟仿真实验室的建设运行，有助于提高青年教师的综合能力。虚拟仿真技术同时融合了计算机技术、人机交互技术、人工智能等技术，能够实现教学内容的快速更新。这就要求青年教师对相关领域知识的学习不仅要有广度还要有深度，提高个人的综合能力。在此基础上结合采矿工程专业教学、科研的实际需求，进行创新，并将创新成果应用在实验教学中。

4  结语

虚拟仿真技术是教学改革的前沿技术，在采矿工程专业实验、实践教学中引入虚拟仿真技术，能够调动学生的主观能动性，拓宽科技视野。同时虚拟仿真实验室的建成，使矿工程专业实验教学条件更优越、实验教学系统更加完善。

参考文献

[1] 盛建龙，叶义成，刘晓云，等.新形势下采矿工程专业人才培养模式改革研究[J].中国矿业，2016，25（7）：157-160，165.

[2] 万志军，张源，屠世浩，等.采矿工程专业“三提升”创新实践教学体系构建——以中国矿业大学为例[J].煤炭高等教育，2018，36（2）：117-121.

[3] 管宏宇，路贵斌.高校大型仪器设备在教学中的应用研究[J].高教学刊，2017（23）：91-93.

[4] 薛黎明，李华清，王豪杰，等.矿业虚拟仿真教学实验室建设研究与探索[J].实验技术与管理，2020，37（8）：233-235，242.

[5] 焦振华，王磊，张明，等.国家重点实验室对地方高校学科建设和本科生培养的作用探析[J].高教学刊，2020（1）：98-100.

[6] 张源，万志军，马文顶，等.矿山压力与岩层移动虚拟仿真实验教学方法探讨[J].实验室研究与探索，2016，35（6）：83-86.

[7] 陈国辉，刘有才，刘士军，等.虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设[J].实验室研究与探索，2015，34（8）：169-172，185.

[8] 牟宗龙，万志军，张源，等.基于虚拟仿真技术的实验类课程资源建设及教学模式探索[J].教育教学论坛，2020（1）：384-386.