采礦工程教學中虛擬仿真系統的應用范文

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摘要：為了解決傳統煤礦開采實驗教學受場地、設備等因素的影響，我院建立采礦安全虛擬仿真教學系統，利用仿真實操教學系統通過GRPC與LRServer交互，LRServer通存儲過程與實驗教學管理系統交互，彌補傳統教學法的不足，提高采礦、安全人才培養質量，加強學生實踐能力和創新精神培養，促進優質資源整合和共享，提升辦學水平和教育質量，帶動學校實驗室的建設和發展。

關鍵詞：虛擬仿真；采礦工程；創新人才

針對本科專業教學中涉及高危或極端的環境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等實驗，采用三維仿真技術模擬真實的實驗環境，讓用戶在虛擬的三維環境下進行實驗和實訓，使用信息網絡技術對用戶進行實驗和實訓的數據進行采集，再通過虛擬仿真實驗教學管理平臺進行實驗課程安排和實驗效果的考察，從而可以解決實際實驗存在的問題。

1采礦與安全虛擬仿真教學體系

1.1虛擬仿真教學體系目標

礦與安全虛擬仿真實驗教學系統面向全校學生、三維虛擬仿真平臺基礎上的實驗教學軟件。依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，煤礦井工礦、金屬礦地下礦、露天礦專業技術相結合，構建高度仿真的虛擬井下生產、露天生產和災害環境，讓學生在虛擬環境中開展學習，是一套以沉浸式顯示和實時交互為主要功能的新一代數字媒體教學平臺。

1.2教學體系的內容

采礦與安全虛擬仿真教學系統，包含地下煤礦虛擬仿真教學系統、金屬地下礦虛擬仿真教學系統，三大系統。

1.2.1地下煤礦虛擬仿真教學系統該系統主要針對地下煤礦實驗、實踐教學，選取實際煤礦作為仿真基地，其主要功能包括：（1）煤的形成過程可視化；（2）礦井地面工業廣場及周邊地理環境可視化；（3）礦井地質環境、煤層、地質構造可視化等36項教學模塊。

1.2.2金屬地下礦虛擬仿真教學系統該系統主要針對金屬礦的實驗、實踐教學，選取典型金屬地下礦作為虛擬基地，建立井上工業廣場、井下三維巷道和關鍵場所模型；建立典型金屬礦地下開采環境和設備、人員模型，提供三維可視化環境，其主要功能包括：（1）金屬礦床的形成過程可視化展示；（2）金屬礦地表工業廣場及周邊地理環境可視化；（3）充填采礦系統仿真等17個教學模塊。

1.2.3露天礦虛擬仿真教學系統該系統主要針對露天煤礦教學研發。選取典型露天煤礦作為實驗區域，建立露天煤礦地表開采環境和設備、人員模型；提供三維可視化操作環境；滿足學習中的礦山基礎知識和生產系統的認識目的，達到教學實習的要求。其主要功能包括：露天礦地表地理環境場景；露天礦地質模型和礦體場景；露天礦關鍵設備可視化場景及設備介紹等。

2項目的創新

2.1教學模式的創新

采礦安全虛擬仿真教學系統不同于以往的實驗教學中心之處，在于網絡共享，虛擬現實。虛擬仿真教學系統建成后，改變原有實驗教學模式、理念。傳統采礦工程實驗教學中，由于場地限制、儀器限制，導致重課堂教學、輕實驗教學的情況。在虛擬仿真實驗中心的支持下，樹立新的實驗教學理念，切實以學生為本，以培養學生的實踐和創新能力為核心，將以學生為本能力培養的實驗教學理念切實貫穿于礦井開采、災害防治、礦井設計等實驗教學的各個環節之中。實驗方式以沉浸式環屏為主，同時配備光學或交互追蹤系統、虛擬現實頭盔等。用于操作和演示與專業相關的虛擬仿真實驗，加大實驗室開放力度，培養學生的綜合素質和創新意識，使更多的本科生有條件接觸到高危的礦山環境，同時參與創新設計實驗，為優秀、拔尖人才脫穎而出提供新的機制。

2.2實驗技術手段的創新

（1）實現了全礦井的虛擬仿真教學。構建了從井上到井下、從宏觀到微觀的礦井虛擬創景，可以全方位、立體化的仿真整個礦井生產環境和工藝流程。礦井的種類也涵蓋了井工礦、露天礦和金屬礦三種，真正實現了統一平臺下的全礦井虛擬仿真教學。（2）實現了虛擬仿真教學系統和教學管理系統的無縫銜接。虛擬仿真教學系統和教學管理系統的無縫銜接實現對實驗教學的全周期管理。試驗機教學系統中進行事務性操作，仿真系統中進行實操，數據在兩個系統中同步、共享，消除了數據孤島，方便了教學管理，提高實驗教學質量。（3）實現了仿真系統多平臺多樣式的展示方式。采礦安全虛擬仿真教學平臺系統可支持普通顯示器、大屏幕及VR頭盔多種展示方式，采用“VR+采礦安全教育”的技術手段，構建高精度虛擬礦山實訓環境、實訓設備，豐富了實驗教學的方式，學生體驗不同的展現效果，實現“理論、仿真、實踐”一體化。

2.3實驗教學內容的創新

針對本科專業教學中涉及高危或極端的環境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等實驗，采用三維仿真技術模擬真實的實驗環境，讓學生在虛擬的三維環境下進行實驗和實訓，使用信息網絡技術進行實驗和實訓的數據進行采集，通過虛擬仿真實驗教學管理平臺進行實驗課程安排和實驗效果的考察，從而可以解決實際實驗存在的問題。虛擬仿真實驗教學系統在學生使用過程中產生大量的數據，包括學生學習時間、學些模塊時間、學些內容及學些結果、測試成績等等。仿真實操教學系統通過GRPC與LRServer交互，LRServer通存儲過程與實驗教學管理系統交互，實現仿真實操教學系統和實驗教學管理系統數據同步。

3采礦安全虛擬仿真教學系統在采礦工程專業教學中的應用

3.1采礦安全虛擬仿真教學系統在露天采礦學課程中的應用

露天采礦學本課程旨在使學生通過學習了解露天礦開采工藝、礦山工程基礎上，系統地掌握露天礦設計的基本原理、設計程序、設計內容及設計方法，使其具備初步的露天礦山設計能力，為今后從事露天礦山的科研、設計、生產、管理等工作奠定必要的理論與技術基礎。利用虛擬仿真教學系統，學生可以直觀的接觸露天礦地表地理環境場景；露天礦地質模型和礦體場景；露天礦關鍵設備可視化場景及設備介紹；露天礦剝采過程模擬場景；露天礦主要剝采工藝流程展示；無人化穿孔、裝藥、鏟運、運輸作業仿真；露天礦邊坡監測系統仿真及邊坡失穩仿真；露天礦運輸事故仿真；調度室仿真模擬；排土場生態恢復模擬。對掌握采礦學課程知識點發揮重要的作用。

3.2采礦安全虛擬仿真教學系統在煤礦開采學課程中的應用

煤礦開采學是采礦工程專業的核心課程學6學時課程實驗、2周的課程設計和3周的生產實習。通過實驗教學，使學生對采煤工藝和礦井的地面工業廣場與采區準備方式有一定的掌握，從而滿足采礦工程專業中對煤炭開采工藝和采區巷道布置的感性認識，礦井提升、運輸、通風、排水和動力供應等生產系統。要求學生初步掌握在各種不同條件下選擇合理的開拓方式，使其技術上可行，經濟上合理。通過一個礦井的立體模型繪制出該礦井的開拓開采巷道布置平面圖，從而掌握礦井生產系統的建立和礦井平面圖的繪制技術。通過虛擬仿真系統，學生可以對，礦區概況、工業廣場、開拓方式、準備方式、生產系統采掘工藝、災害防治等有直觀的認識，能夠漫游于虛擬場地中，對達成煤礦開學課程教學目標有重要的支撐作用。

4結束語

在國家以本為本的思想下，本科教育的改革探索是當前高校的一項重要任務，如何在探索出本科教學的創新之路，虛擬仿真實驗系統的開發與應用無疑成為高等教育教學改革研究的有效可行方式之一。在互聯網+時代學生信息需求量增大，活躍的思維方式決定了其獲取知識需要更多的渠道和手段。因此，構建以學生學習為中心，綜合運用現代化教育技術的教育教學機制，是當前人才培養的核心任務和目標。將虛擬仿真實驗教學系統應用于采礦工程實驗教學中，使實驗教學更加有趣生動，實驗教學手段更加豐富多彩，能夠增強學生的自主學習能力和創新能力，實現了礦山井上、下真實場景的仿真，尤其涉及不可逆的工藝及不安全的場所，學生不用下井就能體驗真實的生產環境，為礦山安全生產、人員生命安全提供重要技術保障，為傳統的采礦工程的實驗教學及學習模式注入新的活力，并對高素質采礦工程專業創新性人才培養產生深遠的影響。教改項目：中國礦業大學（北京）2019年校級教改項目，采礦虛擬仿真實驗教學方法研究

參考文獻

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作者：姜喜迪 侯運炳 單位：中國礦業大學