采矿体系化全方位虚拟仿真教学方法和虚拟实习基地研究与实践

侯运炳 杨大鹏 张勇 孙振明

摘要为推进采矿工程专业教学内容、方法、技术、手段及实践教学模式的改革，建成地下煤矿、地下金属矿、露天煤矿虚拟矿山实习基地。体系化全方位建设大型复杂、高度仿真的三维可视化沉浸感知和交互操作的采矿虚拟仿真教学项目。同时研发线上采矿虚拟仿真实验项目，形成线上、线下虚拟仿真教学相结合的完整教学体系，在教学中广泛应用，解决了矿山实习难、实习及教学实验效果不佳的教学难题，改变了传统的矿山实习模式和采矿工程实践教学方法，提高了教学质量，为培养学生创新实践能力提供了有力保障。

关键词 采矿工程 虚拟仿真教学 虚拟实习基地 地下煤矿 露天煤矿

中图分类号：G642文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.19.013

Study and Practice of the Systematic and All-round Virtual Reality Teaching Method for Mining Engineering

HOU Yunbing， YANG Dapeng， ZHANG Yong， SUN Zhenming

（SchoolofEnergyandMiningEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology（Beijing），Beijing100083）

AbstractTo promote the reforming on the teaching contents， methods， technologies， measures and experimental teaching modes for mining engineering，Furthermore， the virtual mine site fieldwork bases regarding underground coal mines， undergroundmetalminesandopen-pitcoalmines，wereestablished.Large-scaleandhighlyvividminingvirtualrealityteaching project that has three-dimensional visualization immersing perception and mutual operation， were systematically established. Meantime，theonlineexperimentalprojectregardingthevirtualrealityofminingwasdeveloped.Therefore，thecomprehensive teachingsystemwiththeonlineandofflinevirtualrealityteachingcombined，wasformed.Itwaswidelyappliedintheteaching andsolvedtheteachingissuesincludingthedifficultminesitepractice，poorpracticeeffectandpoorexperimenteffect.Italtered thetraditionalminesitepracticemodeandtheteachingmethodforminingengineering.Theteachingqualitywasimproved.Last， itprovided powerfulguaranteeforcultivatingtheinnovation andpracticeabilitiesofstudents.

Keywordsmining engineering； virtual reality teaching； virtual mine site fieldwork bases； underground coal mines； open-pit coal mines

采礦工程专业教学培养具有专业综合性强、矿井（山）生产特色显著和实践性要求高的特点，矿山认识实习、生产实习、毕业实习及课堂实践教学、实验室实验、大学生创新实践是重要的实践教学培养环节，矿山智能化开采对采矿工程专业教学实践提出了更高要求。由于实验室无法还原需要大型昂贵设备配套作业的矿井（山）生产工艺系统和生产环境，现代化矿井（山）因为受危险环境、繁忙生产以及生产系统大多布置在井下复杂环境等因素影响无法提供充分的实验、实践条件，长期以来一直存在矿山实习难、矿山实习及教学实验效果不佳的教学难题。

深化人才培养过程中的教学改革、加强实践教学环节，是国家实施“素质教育”和高等教育“质量工程”、全面提高教育质量的重要内容。国家极为重视虚拟仿真等信息技术在实践教学中的改革作用，2013年，教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，2017年，教育部启动了国家级示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作，有力促进了实践教学水平的提高。[1]

为进行采矿工程专业教学内容、方法、技术、手段及实验实践教学模式的改革，根据专业教学特点和存在的问题，深化信息仿真技术与采矿工程教育教学深度融合，推进采矿工程专业体系化全方位虚拟仿真教学方法改革与创新，对于加强学生实践能力和创新精神培养、提升办学水平和教育质量具有极其重要的作用。[2]

1采矿工程专业体系化全方位虚拟仿真教学方法

采矿工程专业体系化全方位虚拟仿真教学方法涵盖以下5个方面内容。

（1）建设地下煤矿、地下金属矿、露天煤矿三维虚拟仿真实验教学系统，全方位覆盖地下煤矿、地下金属矿、露天煤矿三种采矿专业的虚拟仿真教学。

（2）建设以沉浸式立体显示和实时交互为主要功能的高水平虚拟仿真硬件实验室。采用先进的虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，建设虚拟仿真硬件平台，为采矿三维虚拟仿真教学系统提供虚拟仿真实验环境和交互功能能的硬件支持。和采矿虚拟仿真教学软件系统相配套，建成以沉浸式立体显示和实时交互为主要功能的采矿虚拟仿真数字媒体教学实验平台。[3]

（3）建设地下煤矿、地下金属矿、露天煤矿虚拟矿山实习基地。矿山认识实习、生产实习、毕业实习是采矿工程专业极其重要的实践培养环节。但现代化矿井（山）由于安全、生产繁忙等原因难以提供充分的实践条件，且由于复杂的生产系统大都布置在井下，短时间内也无法系统学习和认识，学生实习成本也很高，这些客观因素给现场实践教学造成很大困难。发挥虚拟仿真技术优势，解决教学中的关键难题是主要的攻关目标。虚拟仿真教学系统要既能满足各门课程及各项实验、知识点学习的要求，同时能满足学生认识实习和生产实习对矿山开采整体结构和生产工艺学习实践的要求，把地下煤矿、地下金属矿、露天煤矿三维虚拟仿真实验教学系统，建设成三个矿井（山）虚拟实习基地。

（4）建立系统的模块化三维虚拟仿真教学项目体系。根据培养方案和课堂教学对虚拟仿真教学的要求，按照矿山地质、地面系统、开拓方式、准备方式、辅助生产系统，采掘生产系统、灾害事故、安全环保、设备设施等矿山系统结构进一步划分采矿虚拟仿真教学系统的学习项目单元模块。

学习单元有明确的学习目标，严格遵守矿山安全规程，实习内容要系统完整并和课堂教学内容有机联系，有重点详细的作业环境、工艺流程、实习环节和知识点的三维逼真仿真展示过程，学习结束对学生掌握程度进行试题考核。

根据教学需要，一些重要的学习单元如综掘工艺、锚网支护工艺、综采工艺、综放工艺、采煤设备、矿井安全等学习单元，建设大型复杂逼真的交互式操作训练虚拟仿真模型，满足学生对工艺技术、设备操作训练的要求。

（5）建立PC端网络访问和虚拟仿真实验室学习相结合的教学模式。研发线上采矿虚拟仿真教学项目，建立PC端网络访问和虚拟仿真实验室学习相结合的教学模式，方便校内外学生自主学习，方便不同专业教师授课应用，扩大受众面。

2地下煤矿三维虚拟仿真实验教学系统和虚拟实习基地

以实际现代化地下煤矿为原型，根据矿井地质、地面工业、开拓、采准、辅助生产、采掘生产、设备设施、灾害事故、安全环境等系统构成和教学要求，划分学习单元，建立虚拟仿真实验教学模型，建成地下煤矿三维虚拟仿真实验教学系统和虚拟实习基地，系统实现的三维仿真教学功能。学生可以通过知识点展示、真实环境沉浸感知、交互操作训练，掌握地下煤矿开采相关学习实践内容。[4]

3地下金属矿三维虚拟仿真实验教学系统和虚拟实习基地

以实际地下金属矿为原型，根据矿山地质、矿山开采方式、辅助生产、采掘生产、灾害事故、安全环境等系统构成和教学要求，划分学习单元，建立虚拟仿真实验教学模型，建成地下金属矿矿三维虚拟仿真实验教学系统，系统实现的三维仿真教学功能见图1。

4露天煤矿三维虚拟仿真教学系统和虚拟实习基地

以实际露天煤矿为原型，根据矿田井地质、地面总图、生产装备、生产工艺、开采工艺、边坡监测、安全环保、排土场生态等系统构成和教学要求，划分学习单元，建立虚拟仿真实验教学模型，建成露天煤矿三维虚拟仿真实验教学系统。[5]系统实现的三维仿真教学功能见图2。

5线上虚拟仿真教学项目建设

为了更好服务教学，打造线上线下虚拟仿真教学模式，研究开发了网络版综采放顶煤虚拟仿真教学实验项目。

实验项目通过沉浸式显示和交互式操作实验平台引导学生完成综采放顶煤工艺实验。实验由场景认知、设备学习、综放工艺交互操作训练、实验考核4个部分，29个步骤组成。通过构建矿井生产系统、综采放顶煤工作面生产系统和采煤设备虚拟仿真模型，构建矿山虚拟工作环境，模拟工作面采煤机的割煤、推刮板输送机、移架、液压支架放煤的整个作业过程，引导学生在对综放理论知识掌握基础上和对采煤设备结构、工作原理及操作方法了解基础上，按照作业规程和工艺参数，操作采煤设备进行割煤、放煤作业，模拟综放工艺流程和工艺循环过程，系统掌握综采放顶煤工艺技术知识，提高实践能力。

6应用

（1）虚拟仿真教学系统广泛应用于采煤学、采矿系统工程、金属矿开采、露天矿开采、地下工程等十多门课程的课堂和实验教学中，应用于大学生创新实践活动。（2）线上虚拟仿真教学项目“综采放顶煤虚拟仿真教学实验”，为面向全校所有专业开设的“采矿概论”提供实验平台，同时为全国矿业类院校提供教学资源支持。（3）多届采矿工程、工业工程专业本科生利用虚拟矿山实习基地进行矿山认识实习和生产实习、毕业实习。和实际矿山现场实习虚实结合，极大提高了实习实践教学质量。

7结论

长期以来由于安全、生产繁忙、井下生产环境十分复杂等因素的影响，采矿专业一直存在矿山实习难、实习效果不佳的教学难题。地下煤矿、地下金属矿、露天矿虚拟实习基地的建立和应用，改变了传统的实习模式和方法，和矿山现场实习虚实结合，有助学生更系统全面扎实的掌握相关知识，极大提高实习效果和质量，解决了長期困扰教学的实习难题，促进了矿山实习模式和方法的改革。

系统全面的地下煤矿、地下金属矿、露天煤矿三维虚拟仿真教学系统，实现了地下煤矿、地下金属矿、露天煤矿从井上到井下立体化的整个采矿生产环境、生产系统和工艺流程的仿真，为教学提供体系化全方位的大型复杂的三维可视化和交互操作训练的虚拟仿真教学项目，解决课堂教学无法立体真实感知、实验室和现代化矿井无法提供实验实践条件的教学难题，提高教学效果和学生创新实践能力，改变了采矿工程专业传统的教学模式，促进了教学方法和手段的改革。

线上采矿虚拟仿真实验项目实现了“以学生为中心”的实验实践教学理念，同时打破了实践教学时间和地域的限制，实现优质教学资源广泛共享。线上与线下相结合的虚拟仿真教学体系和方法，改变教师传统的注入式教学方式，在老师指导下发挥学生自主学习、创新能力，提高培养质量。

基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFC0804303）

参考文献

[1]侯运炳，杨大鹏，张勇，等.综采放顶煤工艺技术虚拟仿真实验教学[J].实验技术与管理，2020，37（11）：151-155.

[2]孙振明，侯运炳，王雷.云渲染技术在虚拟仿真教学系统中的应用[J].实验技术与管理，2020，37（7）：136-139.

[3]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.

[4]王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34（5）：214-219.

[5]李震彪.本科教学虚拟仿真实验之思考[J].实验技术与管理， 2019，36（9）：5-7.