基于VR技术构建强化采矿实践能力的教学模式探讨

陈结 刘莉 牟俊惠 刘伟 王亮

[摘 要] 采矿工程作为传统工科专业，实践教学是人才培养的重要组成部分。由于采矿专业的特殊性，现场的专业实践会耗费较大的人力、物力、时间，甚至会影响到学生的人身安全。为此，提出了基于VR（虚拟现实）技术的强化采矿工程学生实践能力的教学模式。首先分析采矿工程专业传统实践教学模式存在的问题，在此基础上对VR技术构建强化采矿实践能力的交互式教学模式进行了探讨和分析。虚拟教学模式可与传统模式形成互补，提高采矿工程专业实践的教学效果和效率。

[关键词] VR技术;专业实践;教学模式

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）41-0265-02    [收稿日期] 2020-07-09

一、前言

为深入贯彻落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略，推动智能化技术与煤炭产业融合发展，提升煤矿智能化水平，国家发展改革委等八部委共同制定颁发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》指出：“支持和鼓励高校加强煤矿智能化相关学科专业建设，推动专业交叉融合，培育一批具备矿业工程、软件工程、信息工程、机器人工程、人工智能等知识技能的复合型人才。”建设适应当前新形势的采矿工程专业人才培养新模式，是各矿业院校改革的重要内容[1]。未来虚拟实验教学建设将会成为高等院校实验教学改革的必然发展方向，要遴选和开发一批具有较强推广适应性的虚拟仿真实训实验系统[2]。近几年，全国各高校大力组织申报国家级虚拟仿真实验教学中心/项目，建成了一系列优质的线上虚拟实训内容。谢广元等相关专家在各自的国家级虚拟实验教学平台开展了大量的创新教学工作，通过利用国家级虚拟实验教学平台，为大学生提供科技训练计划，成为非常好的第二课堂活动。

重庆大学资源与安全学院采矿工程专业于2016年获批国家级矿山开采与安全国家级虚拟仿真实验教学中心，近几年通过与矿山企业的合作，在教育部等相关部委的指导下，开设了一批优质的线上仿真教学资源。中心在建设发展过程中发现，采矿工程作为传统的工程学科，其工作环境和工作性质给学生的初期印象不理想，而且这种形象没有随着经济的快速发展而得到改变，导致全国各矿业院校的采矿工程专业招生数量逐渐萎缩，毕业后学生在矿山相关企业就业的比例大幅下降。如何改变学生对采矿工程的认识，提升学生对专业的认知和认同感极为重要。本文提出结合现代化虚拟技术建设更具体验感和科技感的VR（虚拟现实）教学资源。

二、采矿工程专业实践教学面临的问题

1.实践教学学时不足。对于大多数高校而言，采矿工程专业的理论教学比重远大于实践教学，表面上看是因为课程设计缺陷造成的重理论轻实践，实际上是高校缺乏足够的经费把学生送到矿山企业实训。所以，采矿工程专业在设计教学大纲时，只能在总课时增加适量可在室内开展的部分常规实验课程，最大限度确保基本实践教学。采矿工程专业实践教学可分为三部分（不同的学校现场实践安排会有一定的差异），认识实习1周，生产实习2周，毕业实习3周。在实践教学过程中，认识实习、生产实习和毕业实习总学时看似很多，但真到了矿山，企业考虑到生产工期问题，只能确保1～2次的井下学习，全面了解矿山的机会仍然不够充分。

2.学生现场实践存在安全隐患，缺乏学习兴趣。即使在当前信息化发展迅速，矿山环境得到极大改进，采矿工程专业的工作环境较其他行业仍差很多。学生到偏远的矿山生产基地，由矿井深入到地下工作面时，仍有一定的心理压力，对“90后”“00后”这些极少经历艰苦环境的青年学生来说是个极大的挑战。另外，绝大部分采矿工程专业的学生都是被调剂的，一开始就很排斥专业，严重的专业情绪导致厌学。

3.专业实践无法覆盖多种矿山及多种作业环境。采矿工程专业实践涉及煤矿、金属矿，作业环境包含露天矿开采和地下矿开采，内容丰富、工序繁杂，采用单一的矿井实地学习并不能满足多样化需求。总体来看，仅有的专业实践课程在教学时间上无法保障实习过程全面覆盖所有内容，同时会耗费大量的专业实践经费。

三、运用VR技术构建强化采矿实践能力的交互式教学模式

针对采矿工程专业实践教学存在的问题，需要探索一种新的实践教学模式，增强学生对专业的认知和现场实践效果。虚拟仿真技术作为当前众多游戏开发公司的重要项目，吸引着很多学生争相体验，因此，利用VR技术开发与当前矿山行业发展相适应，充分体现采矿矿山特征，具有游戏感的VR教学资源将是博得学生好感的重要手段。

利用现代化技术构建采矿工程专业学生实践新场景，基于VR技术构建强化采矿工程专业实践能力的交互式教学模式，是强化学生理论基础知识，增强学生矿山现场工程实践能力的有效教学方法。基于VR技术的交互式教学模式可以分成矿山实景漫游系统、矿山VR交互式模拟教学、个性化竞技学习系统三个部分。

1.矿山实景漫游系统。首先选择典型目标矿井，实现矿井场景仿真再现。通过调研，可以选择某个集聚代表性的矿区作为原型，然后将该矿井还原再现到计算机中。通过相关测量数据建立三维仿真工业广场、洗选车间、副井、车场、石门、井下巷道、机电硐室、采掘工作面等场景。在此基础上，融合新的技术形成3D漫游功能。主要有全景、行走、飞行、查看模式。工业广场场景主要包含矿井介绍、生产单位、生产系统、二维导航、快速导航等多个功能模块。

2.矿山VR交互式模拟教学。基于VR技术建立全三维数字模型表达对象，采用数字多媒体讲解培训知识;简化学生对矿井复杂生产系统的理解和认知。通过这种方式建立的教学资源，无需想象，直观呈现。交互作为体验感的重要组成部分，基于现代化的通信技术，进一步构建三维交互矿山模型，视口与操作互动，所见即所得，所得及所见。检索灵动，导航自由，能充分体现虚拟现实技术交互式的特性，实现交互式课件的教学应用模式。

3.个性化竞技学习系统。利用数据库技术，形成针对每个学生的个性化竞技学习系统。竞技场景根据学生当前的薄弱环节和历史成绩有针对性地进行竞技模块设置。对于全体学生來说，竞技的情节设置基本相似，考核学生在VR交互式场景中完成指定动作或任务的正确方式及所用时间，最终得出成绩。

四、结语

本文调研了当前矿业工程学科发展趋势，分析了传统采矿工程实践教学存在的普遍问题。随着矿山对智能化矿山建设的需求，需要培养更具综合能力的矿山企业复合型人才，而目前的教学条件很难有效激发学生的学习热情。主要问题是现有的培养方案实践教学学时不足，学生缺乏学习兴趣，实践环节缺乏趣味性，专业实践涉及多种矿山及多种作业环境等。

文章提出运用VR技术构建强化采矿实践能力的交互式教学模式。该教学模式分为矿山实景漫游系统、矿山VR交互式模拟教学、个性化竞技学习系统三个部分。新的教学模式可以有效弥补传统采矿工程专业实践存在的不足，极大地调动了学生的学习积极性，提高了采矿工程专业实践的教学效果和效率，让学生全面了解矿山，为以后工作奠定坚实的基础。

参考文献

[1]季林丹，朱剑琼，徐进.国家级实验教学示范中心十年建设工作总结[J].实验室研究与探索，2014，33（12）：143-146.

[2]钟凌云，杨明，刘红宁，朱卫丰，简晖，叶耀辉，谢卫华，黄艺，祝婧.中药学类国家级实验教学示范中心的建设实践[J].实验技术与管理，2015，32（07）：144-147.