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摘要：為了解決傳統(tǒng)煤礦開采實(shí)驗(yàn)教學(xué)受場地、設(shè)備等因素的影響，我院建立采礦安全虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，利用仿真實(shí)操教學(xué)系統(tǒng)通過GRPC與LRServer交互，LRServer通存儲(chǔ)過程與實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)交互，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)法的不足，提高采礦、安全人才培養(yǎng)質(zhì)量，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)資源整合和共享，提升辦學(xué)水平和教育質(zhì)量，帶動(dòng)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；采礦工程；創(chuàng)新人才

針對本科專業(yè)教學(xué)中涉及高危或極端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等實(shí)驗(yàn)，采用三維仿真技術(shù)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓用戶在虛擬的三維環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)，使用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程安排和實(shí)驗(yàn)效果的考察，從而可以解決實(shí)際實(shí)驗(yàn)存在的問題。

1采礦與安全虛擬仿真教學(xué)體系

1.1虛擬仿真教學(xué)體系目標(biāo)

礦與安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)面向全校學(xué)生、三維虛擬仿真平臺(tái)基礎(chǔ)上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件。依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，煤礦井工礦、金屬礦地下礦、露天礦專業(yè)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建高度仿真的虛擬井下生產(chǎn)、露天生產(chǎn)和災(zāi)害環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展學(xué)習(xí)，是一套以沉浸式顯示和實(shí)時(shí)交互為主要功能的新一代數(shù)字媒體教學(xué)平臺(tái)。

1.2教學(xué)體系的內(nèi)容

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

1.2.1地下煤礦虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)該系統(tǒng)主要針對地下煤礦實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)，選取實(shí)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(yè)廣場及周邊地理環(huán)境可視化；（3）礦井地質(zhì)環(huán)境、煤層、地質(zhì)構(gòu)造可視化等36項(xiàng)教學(xué)模塊。

1.2.2金屬地下礦虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)該系統(tǒng)主要針對金屬礦的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)，選取典型金屬地下礦作為虛擬基地，建立井上工業(yè)廣場、井下三維巷道和關(guān)鍵場所模型；建立典型金屬礦地下開采環(huán)境和設(shè)備、人員模型，提供三維可視化環(huán)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(yè)廣場及周邊地理環(huán)境可視化；（3）充填采礦系統(tǒng)仿真等17個(gè)教學(xué)模塊。

1.2.3露天礦虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)該系統(tǒng)主要針對露天煤礦教學(xué)研發(fā)。選取典型露天煤礦作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，建立露天煤礦地表開采環(huán)境和設(shè)備、人員模型；提供三維可視化操作環(huán)境；滿足學(xué)習(xí)中的礦山基礎(chǔ)知識(shí)和生產(chǎn)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)目的，達(dá)到教學(xué)實(shí)習(xí)的要求。其主要功能包括：露天礦地表地理環(huán)境場景；露天礦地質(zhì)模型和礦體場景；露天礦關(guān)鍵設(shè)備可視化場景及設(shè)備介紹等。

2項(xiàng)目的創(chuàng)新

2.1教學(xué)模式的創(chuàng)新

采礦安全虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)不同于以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心之處，在于網(wǎng)絡(luò)共享，虛擬現(xiàn)實(shí)。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建成后，改變原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、理念。傳統(tǒng)采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于場地限制、儀器限制，導(dǎo)致重課堂教學(xué)、輕實(shí)驗(yàn)教學(xué)的情況。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的支持下，樹立新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，切實(shí)以學(xué)生為本，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力為核心，將以學(xué)生為本能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念切實(shí)貫穿于礦井開采、災(zāi)害防治、礦井設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)之中。實(shí)驗(yàn)方式以沉浸式環(huán)屏為主，同時(shí)配備光學(xué)或交互追蹤系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔等。用于操作和演示與專業(yè)相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，加大實(shí)驗(yàn)室開放力度，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新意識(shí)，使更多的本科生有條件接觸到高危的礦山環(huán)境，同時(shí)參與創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，為優(yōu)秀、拔尖人才脫穎而出提供新的機(jī)制。

2.2實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段的創(chuàng)新

（1）實(shí)現(xiàn)了全礦井的虛擬仿真教學(xué)。構(gòu)建了從井上到井下、從宏觀到微觀的礦井虛擬創(chuàng)景，可以全方位、立體化的仿真整個(gè)礦井生產(chǎn)環(huán)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(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一平臺(tái)下的全礦井虛擬仿真教學(xué)。（2）實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)和教學(xué)管理系統(tǒng)的無縫銜接。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)和教學(xué)管理系統(tǒng)的無縫銜接實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全周期管理。試驗(yàn)機(jī)教學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行事務(wù)性操作，仿真系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)操，數(shù)據(jù)在兩個(gè)系統(tǒng)中同步、共享，消除了數(shù)據(jù)孤島，方便了教學(xué)管理，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。（3）實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)多平臺(tái)多樣式的展示方式。采礦安全虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)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(shù)手段，構(gòu)建高精度虛擬礦山實(shí)訓(xùn)環(huán)境、實(shí)訓(xùn)設(shè)備，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式，學(xué)生體驗(yàn)不同的展現(xiàn)效果，實(shí)現(xiàn)“理論、仿真、實(shí)踐”一體化。

2.3實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新

針對本科專業(yè)教學(xué)中涉及高危或極端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等實(shí)驗(yàn)，采用三維仿真技術(shù)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬的三維環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)，使用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程安排和實(shí)驗(yàn)效果的考察，從而可以解決實(shí)際實(shí)驗(yàn)存在的問題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)在學(xué)生使用過程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，包括學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)些模塊時(shí)間、學(xué)些內(nèi)容及學(xué)些結(jié)果、測試成績等等。仿真實(shí)操教學(xué)系統(tǒng)通過GRPC與LRServer交互，LRServer通存儲(chǔ)過程與實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)交互，實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)操教學(xué)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步。

3采礦安全虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在采礦工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1采礦安全虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在露天采礦學(xué)課程中的應(yīng)用

露天采礦學(xué)本課程旨在使學(xué)生通過學(xué)習(xí)了解露天礦開采工藝、礦山工程基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地掌握露天礦設(shè)計(jì)的基本原理、設(shè)計(jì)程序、設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)方法，使其具備初步的露天礦山設(shè)計(jì)能力，為今后從事露天礦山的科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理等工作奠定必要的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。利用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生可以直觀的接觸露天礦地表地理環(huán)境場景；露天礦地質(zhì)模型和礦體場景；露天礦關(guān)鍵設(shè)備可視化場景及設(shè)備介紹；露天礦剝采過程模擬場景；露天礦主要?jiǎng)儾晒に嚵鞒陶故荆粺o人化穿孔、裝藥、鏟運(yùn)、運(yùn)輸作業(yè)仿真；露天礦邊坡監(jiān)測系統(tǒng)仿真及邊坡失穩(wěn)仿真；露天礦運(yùn)輸事故仿真；調(diào)度室仿真模擬；排土場生態(tài)恢復(fù)模擬。對掌握采礦學(xué)課程知識(shí)點(diǎn)發(fā)揮重要的作用。

3.2采礦安全虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在煤礦開采學(xué)課程中的應(yīng)用

煤礦開采學(xué)是采礦工程專業(yè)的核心課程學(xué)6學(xué)時(shí)課程實(shí)驗(yàn)、2周的課程設(shè)計(jì)和3周的生產(chǎn)實(shí)習(xí)。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生對采煤工藝和礦井的地面工業(yè)廣場與采區(qū)準(zhǔn)備方式有一定的掌握，從而滿足采礦工程專業(yè)中對煤炭開采工藝和采區(qū)巷道布置的感性認(rèn)識(shí)，礦井提升、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水和動(dòng)力供應(yīng)等生產(chǎn)系統(tǒng)。要求學(xué)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(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理。通過一個(gè)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(chǎn)系統(tǒng)的建立和礦井平面圖的繪制技術(shù)。通過虛擬仿真系統(tǒng)，學(xué)生可以對，礦區(qū)概況、工業(yè)廣場、開拓方式、準(zhǔn)備方式、生產(chǎn)系統(tǒng)采掘工藝、災(zāi)害防治等有直觀的認(rèn)識(shí)，能夠漫游于虛擬場地中，對達(dá)成煤礦開學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)有重要的支撐作用。

4結(jié)束語

在國家以本為本的思想下，本科教育的改革探索是當(dāng)前高校的一項(xiàng)重要任務(wù)，如何在探索出本科教學(xué)的創(chuàng)新之路，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用無疑成為高等教育教學(xué)改革研究的有效可行方式之一。在互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代學(xué)生信息需求量增大，活躍的思維方式?jīng)Q定了其獲取知識(shí)需要更多的渠道和手段。因此，構(gòu)建以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，綜合運(yùn)用現(xiàn)代化教育技術(shù)的教育教學(xué)機(jī)制，是當(dāng)前人才培養(yǎng)的核心任務(wù)和目標(biāo)。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加有趣生動(dòng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段更加豐富多彩，能夠增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)了礦山井上、下真實(shí)場景的仿真，尤其涉及不可逆的工藝及不安全的場所，學(xué)生不用下井就能體驗(yàn)真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境，為礦山安全生產(chǎn)、人員生命安全提供重要技術(shù)保障，為傳統(tǒng)的采礦工程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)及學(xué)習(xí)模式注入新的活力，并對高素質(zhì)采礦工程專業(yè)創(chuàng)新性人才培養(yǎng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。教改項(xiàng)目：中國礦業(yè)大學(xué)（北京）2019年校級(jí)教改項(xiàng)目，采礦虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究

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作者：姜喜迪 侯運(yùn)炳 單位：中國礦業(yè)大學(xué)