采矿概论B 实验教学方式探索

陈见行，刘 鹏，张 村

（中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083）

采矿概论B 是中国矿业大学（北京）为非采矿工程和非安全工程专业开设的一门通识教育必修课，其目的是帮助本校内非采矿和非安全专业的学生们了解中国煤炭的开采现状及世界煤炭开采的发展状况。目前，该课程已经在中国矿业大学（北京）多个专业开展授课，包括土木工程、工业工程和法学专业等。但该课程在授课过程中也存在一些问题，例如所授课的对象为外专业学生，学生对于煤炭开采和煤矿地质没有前期的理论知识基础，因此在学习该课程时对矿井的开拓、采煤方法及煤层产状等专业知识理解不清，造成学习上的困难。为了解决该问题，本文提出在实验课程中将三维物理模型试验和虚拟仿真实验进行结合，以增强学生对理论知识的理解，达到提高学习效果的目的。

一、实验教学体系

在实验教学过程中，通过对物理模型进行讲解，并让学生动手操作这些物理模型，让学生们熟悉采矿工程中的巷道及采煤设备等；在此基础之上，通过对虚拟仿真系统进行讲授，并让学生亲自操作虚拟仿真系统中的采矿设备，让学生掌握采矿工程中的工序和流程，从而可以更好地与理论知识相结合，强化所学习的理论知识。下面分别从物理模型实验和虚拟仿真实验操作两方面进行阐述。

（一）物理模型实验

为了帮助本科生更好地熟悉和掌握采矿工程专业的相关知识，中国矿业大学（北京）采矿工程专业建设了采矿工程实验室，在该实验室中布置了井田开拓和采矿设备等传统模型；此外，为了开拓学生视野，还布置了太空采矿模型、煤矿地下水库模型及煤炭地下气化模型等。

在讲授完课堂的理论之后，授课教师带领学生来到采矿实验室，围绕物理模型进行讲解。在模型讲解时，首先围绕煤的形成过程进行讲解。在讲解过程中，对照物理模型，围绕历史上的聚煤期展开讲授，让学生们了解煤炭的由来。由于物理模型中还专门做出了成煤植物的效果，如图1 所示，教师在讲解过程中，对照这些成煤植物，向学生们讲解蕨类植物、裸子植物和被子植物演变为煤炭的过程。

图1 煤炭由植物的遗骸转变而来

在了解了煤炭的形成历史之后，结合实验室内的中国煤炭资源分布图，向学生们讲解煤炭资源在我国东部、中部及西部的分布状况，在讲解过程中对我国东部矿区所面临的“三下压煤”问题及深部开采问题进行阐述，并对中部矿区和西部矿区的发展趋势进行解释，从而可以让学生更直观地了解煤炭资源在我国的分布状况及各个区域的煤炭资源开采现状。

随后，围绕井田开拓的问题进行讲解。由于实验室中，分别设置了煤层在浅埋、深埋及埋藏在山体中的模型，对照这些模型，分别为学生讲解斜井开拓、立井开拓和平硐开拓的布置方式，对照模型让学生了解各种开拓方式的特点及适用范围。此外，由于物理模型中布置了不同颜色的灯泡，当通电后，灯泡可以发出不同的颜色，用以表征运煤、运料及通风等系统的路线，从而可以在讲解开拓系统时，对照讲解煤矿开采中的三大系统路线图。与课堂讲解相比，依托物理模型并结合模型中不同颜色的灯泡进行讲解，更容易让学生掌握井田开拓的特点并能强化学生对煤矿三大系统的认识。

在对开拓的模型讲解完之后，紧接着围绕阶段的划分进行讲解。在课堂理论知识讲解时，给学生讲解了当煤层倾角大于12°时可以按照采区式进行划分；而煤层倾角小于12°时可以按照带区式进行划分。但这种讲解不便于学生进行形象的对比，也不便于学生理解两者的差异。而通过模型讲解，可以有效解决这一问题。在采矿实验室内，分别布置了倾角大于12°和倾角小于12°的煤层开采模型，针对这两种模型，分别布置了对应的阶段划分方式，即采区式划分和带区式划分，如图2 所示。学生通过直观对比，就可以看出两种不同划分方式的区别。此外，教师在进行讲授时围绕两种不同的划分方式，对其中的井巷名称及巷道布置关系进行讲解，能让学生清晰认识到采区式和带区式的区别。

图2 阶段的划分方式

煤炭的开采离不开现代化的采煤设备，而采矿实验室中一个重要的组成成分便是采矿的相关设备模型。在对该部分模型进行讲解时，根据采煤工艺的不同，分别对普通机械化采煤工艺（普采）及综合机械化采煤工艺（综采）所需要的设备进行讲解。例如，在对普采设备进行讲授时，分别对采煤机的切割过程及单体支柱的工作原理进行讲解，让学生更为直观地学习普采工艺中的装备及其工作过程。在对综采设备进行讲授时，围绕采煤机、刮板输送机及液压支架之间的配合关系进行讲解，从而让学生能够更形象地认识综采工艺中的“三机配套”原理。在采煤设备的模型中，还专门设置了开关按钮和割煤按钮等，在讲解过程中让学生动手操作这些按钮，从而可以直观看到采煤机割煤动作等，以加深对采煤设备工作原理的认识。

在模型展示的最后环节，教师围绕海洋采矿模型、月球采矿模型和煤炭地下气化模型等新兴方向进行讲解，从而让学生对未来采矿的发展趋势和方向有一定的了解和认识。

（二）虚拟仿真实验

虽然模型展示可以有效帮助学生直观认识到采矿中各种巷道布置方式及采矿设备等，但学生对煤矿井下的开采环境仍然没有直接的体会。考虑到中国矿业大学（北京）采矿工程专业刚刚建设了虚拟仿真实验教学系统，因此本文提出将该虚拟仿真教学系统应用在采矿概论B 实验课中，以补充模型教学的不足，增加学生们对井下环境的切身体会。

该虚拟仿真教学系统依托“虚拟仿真实验教学课程共享平台”进行搭建，通过在该共享平台上搜索“综采放顶煤虚拟仿真教学实验”便可以直接定位到该虚拟仿真教学系统，进入该教学系统，便可以开展虚拟仿真实验。

在进行虚拟仿真实验时，教师首先对该虚拟仿真系统的基本概况进行讲授，包括场景认知、设备学习及综放工艺等。在场景认知的环节，教师可以向同学们展示矿山环境的基本概况，利用该环节内的动画向同学讲解矿山地面工业广场内的组成部分。在设备学习的环节，对虚拟仿真实验系统中的采煤机和液压支架等装备进行讲解。该虚拟仿真系统可以将各种装备进行拆分，以液压支架为例，其拆分后的效果如图3 所示。利用这种方法可以让学生更为详细地了解采矿装备的内部构造，并更清晰地认识到采矿装备中构件的装配关系。

图3 液压支架结构图

此外，在设备学习环节中，由于系统设置了各采矿设备的功能属性并配备控制面板，因此可以通过操作这些动作按钮，让采矿设备完成相应的规定动作。在教师演示完采矿设备的各种功能之后，可以让学生进行上机实验，并要求学生操作这些动作按钮以了解和学习采矿设备的工作过程。

随后教师便可以围绕综放工艺展开教学。而综放工艺环节也是该系统的亮点所在，该虚拟仿真系统能够真实地还原煤矿井下的环境，因此能够让学生“沉浸式”体验煤矿井下各种巷道的位置关系，以及井下各种设备的工作状态。当进入综放工艺模块之后，教师可以首先播放虚拟仿真系统中的工艺视频，让学生了解该虚拟仿真系统所反映的综采放顶煤开采状况。当学生们熟悉了所模拟的综采放顶煤开采的基本概况之后，便可以展开工艺实践和工艺循环部分的实验。

在工艺实践环节，学生以第一视角进入虚拟仿真系统，从而可以身临其境地感受到井下的开采环境。此外，该虚拟仿真系统也配置了专门的按键，用以模拟在井下巷道中行走，例如通过点击键盘上的“W”键，可以让视角前移，模拟井下人员向前行走。

在工艺循环部分，学生同样以第一视角进入所模拟的井下环境，在此环节，学生可以根据系统提示完成一套完整的综采放顶煤工艺循环，如图4 所示，包括泵站的开机、采煤机的开机、割煤、移架及放顶煤等。在完成了放顶煤的模拟之后，学生可以按照系统提示，对采煤机、刮板输送机和胶带输送机关机。经过这一套工艺循环的实验，学生对综采放顶煤工艺能有更清晰的认识。

图4 综采放顶煤开采工艺

当完成了以上虚拟仿真实验之后，学生可以点击“实验考核”，此时，系统会随机出题，学生根据实验环节所学习的内容进行作答，当作答完成后便可以提交，待提交后，该虚拟仿真系统会自动打分并公布正确答案，学生对照正确答案查看自己作答错误的原因，从而可以查缺补漏。

二、学生反馈讨论

在物理模型实验中，教师围绕物理模型进行讲解，并让学生操作物理模型以加深对采矿知识的理解；在虚拟仿真实验中，教师依托虚拟仿真系统进行讲解，并安排学生们进行实践操作，以学习采矿设备及工艺流程。但只采用这种方式，仍然是教师对学生的单向知识输出，教师并不能很好地了解学生的学习效果。因此，在两次实验结束之后，教师均设置与学生的反馈讨论环节。

在反馈讨论环节中，教师与学生围绕实验过程中的内容展开讨论，学生就实验过程中的疑问进行提问，并由教师进行解答。此外，学生还可以围绕实验中的不足进行建议，以便于教师了解实验教学中需要改进的地方，从而可以在后续的实验教学中进行不断地完善。

三、实验结果评价机制

由于实验教学是课程教学中的重要组成部分，所以实验教学也需给出对应的成绩。本门课程设定实验成绩的原始分为100 分，并由物理模型实验成绩和虚拟仿真实验成绩两个部分构成，每个部分原始分均为100 分，汇总后两部分成绩各占最终分的50%。

对于物理模型实验，分别从物理模型的学习状况和实验报告的完成质量进行评价，其评价标准见表1。

表1 物理实验成绩的评价标准

对于虚拟仿真实验，分别从虚拟仿真系统的学习情况及实验报告的完成质量进行评价，其评价标准见表2。

表2 虚拟仿真实验成绩的评价标准

四、结束语

针对采矿概论B 课程的授课对象均为非采矿工程和非安全工程专业的本科生，且学生不能很好地理解采矿工程专业知识的情况，本文提出在实验课程的教学中将物理模型实验和虚拟仿真实验进行结合的方法。

在物理模型实验中，教师围绕实验室内的井田开拓模型、采煤设备模型及未来采矿模型等进行讲授，同时让学生动手操作一些模型，以充分理解采煤设备的工作方式；在虚拟仿真实验中，教师围绕虚拟仿真系统中的各种模块展开讲解，并让学生在个人电脑端亲自操作虚拟仿真系统里的设备并完成相应的工艺流程，让学生身临其境地感受到井下作业环境。在实验课程结束之后，依托学生反馈讨论机制，探讨学生的实验学习状况，并听取学生们针对实验课程的建议，以便进一步改进实验课程。针对这种将物理模型实验和虚拟仿真实验结合教学的方法，提出了对应的评价机制，从而能够针对学生的学习状况进行评判和打分。