VR技术在“采矿工程”教学中的应用探讨

温颖远 管伟明 张军辉 任程 谭帅杰

[摘 要]采矿工程是一门工程实践性较强的专业，而VR技术在沉浸性、互动性及智能性方面具有很大优势，能够提高学生的空间思维能力，提升采矿工程的教学效果。该文在分析采矿工程各个教学环节特点的基础上，结合采矿工程行业的需求，有效发挥VR技术的优势，初步提出了沉浸式VR漫游课堂和交互式VR互动课堂，并分别制定了适用范围和达到的目标，从而提高大学生的培养质量。

[关键词]采矿工程;VR技术;沉浸式课堂;交互式课堂

[基金项目]2017年度新疆维吾尔自治区教育厅、新疆维吾尔自治区普通高等学校教学改革研究项目“依托科技活动提升学生创新应用能力的教育策略研究”（2017JG035）;2019年度新疆维吾尔自治区普通高等学校教学改革研究项目“基于‘胡杨育人精神的校企协同实践型人才‘矩阵式培养体系研究与探索”（XJJG201915）;2019年度教育部国家级大学生创新训练项目“微波加热缩短矿山充填材料养护时间试验研究”（201910755048）

[作者简介]温颖远（1986—），男，山东潍坊人，新疆大学地质与矿业学院讲师，中国矿业大学矿业工程学院2017级在职博士研究生，研究方向为冲击地压、采矿地球物理研究;管伟明（1981—），男，山东即墨人，博士，新疆大学地质与矿业工程学院副教授，主要从事采矿工程及瓦斯治理的科研及教学工作。

[中图分类号] G642[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）28-0294-02[收稿日期] 2020-03-27

一、引言

采矿工程是一门工程实践性较强的专业，无论是在平时的课堂学习过程中还是在实践环节，都需要学生有很好的空间思维能力，能够在脑中构建矿山各个生产方法及环节的立体面貌[1]。专业教师在教学过程中会利用多种途径和方法，比如多媒体、模型及实物模拟等教学方法，来提高学生对专业知识的接受能力。以上教学方式的改变均有效提高了学生的積极性和主动性，但这些方法在空间融入感、使用便利性及费用等方面具有局限性或者不足[2]。在国内特殊时期“停学不停课”背景下，有些教学手段受到限制，对于实物模型或实物模拟，学生无法实际感受和操作。目前学校主要依靠腾讯会议、雨课堂及慕课堂等方式线上完成教学工作，虽然该方式基本能满足教学要求，但对采矿工程这种工程实践较强的专业而言，仍显不足。另外，采矿工程专业三个深入矿井实习环节存在重大的安全隐患，而且新疆的矿山企业均远离城市，路途较远，春季洪水及冬季大雪封山的现象时常发生，更增加了实习的困难[3]。

因此，为提升采矿工程专业本科生的教学效果，培养能迅速适应矿山工作要求的合格大学生，高校应充分利用科技发展的成果，将VR技术应用于采矿工程专业教学过程中。本文在采矿工程专业特点基础上，发挥VR技术优势，初步探讨了VR技术在采矿工程本科生课程及实践环节教学过程中的应用模式，以适应新疆大学在“双一流”大学建设过程中的教学改革要求。

二、VR技术特点及采矿行业应用现状

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它营造了“身历其境自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识技能的新型学习方式，其主要特点如下[4]。

（1）沉浸性。学生可沉浸于计算机生成的虚拟环境中，有高度的“身临其境”之感。

（2）交互性。学生可与虚拟场景发生交互作用，并在虚拟环境中做出响应。

（3）构想性。学生通过沉浸于虚拟环境中，并与之发生交互作用，从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性认识，从而深化概念，萌发新意，产生认识上的飞跃。

（4）智能性。学生的学习数据，通过传感器反馈到VR后台，VR系统能智能化分析学生的学习情况，从而能够针对性改进教学方法，进一步提升学生的学习效果。

目前VR技术的应用引起了国内外各个行业的关注，在国内，煤矿属于高危行业，高校相关专业学生的学习、煤矿行业职工的培训以及灾害事故的防范应急预案，也逐渐引起教育工作者以及相关部门的重视。VR技术已在淮北矿业、中煤大屯能源、神东集团、同煤集团、华北科技学院等多家煤矿企业与高校成功应用。

作为为煤矿企业培养人才的高校，同样需要紧贴煤矿现场实际，可通过VR技术提前让学生了解、体验及适应煤矿现场情况，满足煤矿企业的人才需求，解决学生找不到工作，企业招不到人才的难题，同时避免了在学校学习四年不如现场工作半年的现象。

三、采矿工程教学中VR技术应用探索

目前新疆大学采矿工程专业开设的专业必修课共49个学分，占总学分的28.9%，其中，采矿学、井巷工程及矿井通风与安全等课程教学过程会涉及复杂抽象的井巷空间关系。课内实验共13.5个学分，占总学分的7.9%。由于实物操作有时具有危险性，涉及采矿和矿井通风等部分实验需要到实物模型室参观理解相关生产系统。集中教学实践环节共39学分，占总学分的22.9%，其中需要到矿山现场进行的认识实习、生产实习及毕业实习共12个学分，且实践时间较长。

分析采矿工程专业的课程体系以及专业课程、课内实验及实践环节的特点发现，均可在这三个环节部分的课程上运用VR技术来提升本科生的教学效果，但三个环节又分别有各自的特点。在专业课程及部分课内实验教学过程中，学生被动式接受专业知识，而通过VR技术可提高学生对井巷的空间认识。而实践环节及部分课内实验主要强调的是学生的实际操作能力，通过VR技术需要实现互动式的学习，达到现场认知和实践操作的目的。因此根据不同教学环节的需求和特点，这里提出两种VR教学应用模式：一种是沉浸式VR漫游课堂，另外一种是交互式VR互动课堂。其建立的内容、适应的教学环节以及达到效果如下。

（1）沉浸式VR漫游课堂：主要针对专业课程以及配合专业课程的课内实验设立。该课堂以井下虚拟现实矿井全景图像为主要表现形式，以新疆本地具有代表性的金属或煤炭生产企业的大型矿井为素材采集对象，建立2～3套完整的特色矿井生产系统VR漫游资源，学生通过VR漫游课堂内设置的无线局域网络与教师同步进入虚拟矿井，在虚拟现实头盔内学生可以看到所处工作地点的全部真实影像，此时，教师可在该场景下讲解相关专业知识，即使特殊时期，教师和学生线上教学与学习，仍可采用云服务的模式，共同进入统一场景进行学习。

（2）交互式VR互动课堂：主要针对需要到现场的实践环节以及危险和操作性强的课内实验设立。该课堂同样以特色矿井生产系统VR漫游资源为基础，但学生可任意观察周边环境，同时还可以对相关设备，比如液压支架及采煤机等设备进行操作，在操作时视角可以自由旋轉，通过手柄点击学习知识点。另外，还可以模拟培训遇到灾害时自主逃生的场景。

四、结束语

通过将VR技术引入采矿工程专业教学过程中，实现教学改革，不仅能有效解决课程枯燥无味、实习困难的问题，而且能够引起大学生的兴趣，提高学习主动性，从而提高大学生的培养质量，满足矿山企业的需求，促使毕业生能够快速地适应企业生产项目。目前正值新疆大学混合式教学改革之际，采矿工程系已提交虚拟仿真教学申请，为提高教学效果进行长远谋划。

参考文献

[1]洪勇，郭进平，石广斌.以创新能力培养为导向的采矿工程实践教学创新改革[J].中国建设教育，2019，（5）：48-50.

[2]张春雷.高校采矿工程专业新型实践教学模式构建及教学方法改革与实践[J].现代经济信息，2019，（5）：465.

[3]李虎威，管伟明，赵红超，等.采矿工程专业创新应用型人才培养模式探究—以新疆为例[J].教育教学论坛，2017，（7）：99-100.

[4]王海山.虚拟仿真教学在高校实训培训中的探索[J].教育教学论坛，2019，（51）：161-162.

Discussion on the Application of VR Technology in the Teaching of Mining Engineering

WEN Ying-yuan1，2， GUAN Wei-ming1， ZHANG Jun-hui1， REN Cheng3， Tan Shuai-jie1

（1. School of Geological and Mining Engineering， Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang 830047， China;

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

3. Nanjing Yubu Information Technology Co.， LTD， Nanjing， Jiangsu 210003， China）

Abstract： Mining engineering is an intensely practical specialty， and VR technology has great advantages in immersion， interaction and intelligence， which can improve students' spatial thinking ability and promote the teaching effect of mining engineering. Based on the analysis of the characteristics of various teaching links in mining engineering， this paper proposes immersive VR classroom and interactive VR classroom according to the needs of the mining engineering industry and the advantages of VR technology， and formulated both the scope of application and goals to improve the quality of college students.

Key words： mining engineering; VR technology; immersive classroom; interactive classroom