基于虚拟现实技术的采矿工程专业教学改革

侯晨 朱万成 刘洪磊 张鹏海

[摘 要] 采矿工程是一门紧密结合生产实际、实践性很强的基础学科，但新冠肺炎疫情期间，学生的现场实习受到了极大的限制，教学效果大打折扣。以东北大学金属矿山岩石力学与安全开采国家级虚拟仿真教学平台为基础，构建了面向地下采矿工程的虚拟仿真系统，通过虚拟现实技术及数值仿真技术为学生再现地下采矿的设备仪器、巷道布置、井下环境和施工过程，极大地激发了学生的学习兴趣，提高了学生的创新能力，增强了教学效果。

[关键词] 虚拟现实;采矿工程;本科教学;实习

[基金项目] 2020年度中央高校基本科研业务费资助项目“尾砂膏体与围岩界面剪切特性细观机理研究”（N2001010）;2019年度国家自然科学青年基金项目“胶结充填体与围岩粗糙接触面剪切特性研究”（51904055）

[作者简介] 侯 晨（1989—），男，河南焦作人，博士，东北大学资源与土木工程系实验师，主要从事岩石力学研究;朱万成（1974—），男，新疆呼图壁人，博士，东北大学资源与土木工程系教授（通信作者），主要从事岩石类介质损伤与破裂过程数值模拟方法研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）21-0073-04   [收稿日期] 2020-12-30

矿业是我国的第一产业，矿产资源是工业发展的基础。采矿工程是工科领域的重要基础学科，是一门紧密联系生产实际、实践性与理论性结合很强的课程[1，2]。相关实习实践活动可以让学生将课堂上所学的基础理论与现场实际应用联系起来，也是学生毕业设计认识和获取现场资料的重要途径[3]。因此，工程实习是采矿工程专业本科學习的关键环节，在采矿人才培养中具有举足轻重的地位和作用[4]。

然而大量事实表明，采矿工程专业实习活动存在实习质量低下、学生实践热情不高、实习经费不充分、实习内容安排不合理等问题[5-7]。2020年，突如其来的新冠肺炎疫情极大地限制了学生相关实习实践活动的开展，让时间本就不充裕的实习活动陷入停滞状态，一些学生甚至没有看过现场状况就着手进行毕业设计，严重影响了采矿工程本科的教学效果。另外，采矿工程涉及门类繁多，与采矿直接相关的学科就包括地下采矿、露天采矿、井巷工程、岩体力学、矿井通风与安全等，这些学科相互联系紧密，交叉性强，内容还具有一定的抽象性，如矿井开拓采准巷道之间的三维位置关系、岩体周围应力场模型，以及随着开挖后应力场的迁移和演化规律。若仅仅以传统的平面图或者剖面图进行表示，学生往往难以理解，并严重影响教学效果。而虚拟现实技术因交互性、沉浸性和构想性等特点，可以让参与者进行沉浸式的体验，所形成的信息环境也具备交互效能多维化的特点[8，9]，使学生对采矿工程课程的教学内容有身临其境的感觉，并为学生的学习提供更好的学习环境。因此，本文主要探讨虚拟现实技术在采矿工程专业教学中的应用。

一、采矿工程教学存在的问题

（一）教学手段有限

传统的平面图、立面图、剖面图读图较难，且相关图表不够生动形象，学生对模型的认识也停留在二维阶段，导致对金属矿山地上地下整体结构缺乏直观认识。尽管多媒体教学配合教师的讲解，以及相关计算机3D模型的展示已经极大地丰富了教学内容，但是反映的内容仍比较片面，与现场实际还有较大的差别[1]。

（二）教学内容显示度不足

采矿工程涉及的开拓采准、运输等系统十分复杂，除了在采区的水平和倾斜巷道、平硐和竖井采用运输工艺外，周边配套的溜井、井底车场、矿仓、水仓也都各具特色，系统之间相互交错，层次立体感强[ 10 ]，一个简单的平面图或者3D图很难对其进行全面的描述。另外，采矿是一个复杂的动态地质工程问题，矿山开挖及开采活动贯穿于矿山服务期限的始终，矿山自始至终处于复杂的动态开挖、回采过程之中，一个静态的模型很难将地下采矿活动的时空关系进行有机的展示，学生很难对整体系统有一个准确的把握。

（三）教学过程交互性不强

学生是学习的主体，教学效果的优劣取决于能否充分发挥师生的积极性。求知欲是推动学生进行主动学习的源动力。学生无法直接参与互动，会直接影响教学效果。但目前的教学方法仍是教师起主导作用，学生仅仅是被动地看和听，无法对课堂知识的掌握情况进行实时反馈，降低了学生的学习效率。

（四）教学方法的局限性

采矿工程中许多教学内容由于受到场所、安全性等多种因素的影响，无法给学生进行直接的演示。例如，爆破工程中炸药的连接过程、起爆过程等具有危险性的过程[2];又如，讲解矿山应力场估算时，巷道开挖后的应力场的迁移和演化规律也无法使学生产生直观的印象。

（五）实习效果不佳

采矿工程的实习活动面临着联系实习地点困难、经费短缺、实习内容不全面和过程简化等问题[6]。例如，一个采矿班的学生标准人数大约为25人，由于地下矿山往往处于半封闭环境，且一般是通过教师的讲解和演示来进行授课的，大部分学生只能在旁观看，导致学生对实验过程印象不深，更谈不上对相关问题的独立思考和分析。另外，矿山实习不同于常规的其他学科的现场实践，现场实习活动具有一定的危险性，往往无法直接深入一线工作环境中，导致学生走马观花，无法保障实习效果。

二、虚拟现实平台的开发方法

（一）数据资料的收集

相关虚拟图像的建立首先需要相关的数据资料，搜集资料越多，虚拟场景的逼真程度越高[1]。例如，钻孔三维数据，包括收集孔口数据结构、测斜数据结构、采样信息数据结构、岩性信息数据结构等，并指定三维视图中显示的内容，包括孔口符号及颜色、孔口文字及颜色、钻孔轨迹颜色、钻孔轨迹两侧的文字标注内容及颜色，搜集到上述内容后即可绘制出钻孔的三维轨迹模型。