煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)與實踐

宋正國 彭延軍 刁秀麗

摘要：在煤礦安全開采領(lǐng)域，面臨著實驗教學(xué)手段缺乏創(chuàng)新、優(yōu)質(zhì)教學(xué)與實驗資源匱乏等問題。為了解決傳統(tǒng)煤礦開采實踐教學(xué)與人才培養(yǎng)之間的一些突出矛盾，利用虛擬仿真實驗技術(shù)，結(jié)合面向工程實踐培養(yǎng)應(yīng)用型人才的現(xiàn)實需要，論述煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)理念，構(gòu)建煤礦安全開采“階段化、層次化、模塊化”的實踐教學(xué)體系，開發(fā)“高度仿真、虛實結(jié)合、開放共享”的虛擬仿真實驗系統(tǒng)與虛擬仿真實驗教學(xué)資源，以改善煤礦安全開采實驗教學(xué)環(huán)境，提升學(xué)生創(chuàng)新意識、實踐能力與自主學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：煤礦安全開采;虛擬仿真;實驗教學(xué)中心;虛實結(jié)合

DOI：10.11907/rjdk.192225

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）012-0195-04

0引言

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)+時代的學(xué)習(xí)方式發(fā)生了重大變革。用于培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力以及合作解決問題能力的實驗教學(xué)是高校教育改革的關(guān)鍵之一。目前，我國傳統(tǒng)實驗教學(xué)面臨實驗教學(xué)手段缺乏創(chuàng)新、優(yōu)質(zhì)教學(xué)與實驗資源匱乏等問題，因此，本文嘗試利用虛擬仿真實驗技術(shù)構(gòu)建虛擬實驗教學(xué)環(huán)境解決以上問題。我國自2014年設(shè)置國家虛擬仿真實驗教學(xué)中心以來，已經(jīng)有幾百所實驗教學(xué)中心獲批國家級虛擬仿真實驗示范中心。通過“中國知識資源總庫”，以“虛擬仿真實驗中心”為關(guān)鍵字進行檢索，可檢索到2013年11月以來的期刊、會議論文等共237篇，主要內(nèi)容包括實驗中心建設(shè)經(jīng)驗、資源建設(shè)實踐探索以及實驗中心建設(shè)體系等。

目前，我國虛擬仿真實驗中心建設(shè)已卓有成效，也取得了很多成果。在實驗平臺與系統(tǒng)構(gòu)建方面，文獻[1]構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)平臺和虛擬仿真實驗系統(tǒng)，平臺具有開放性、互動性，學(xué)習(xí)者可以自主設(shè)計實驗內(nèi)容、調(diào)用系統(tǒng)實驗資源，系統(tǒng)具備協(xié)同模擬實驗功能;文獻[2]組建“一個導(dǎo)向、兩個特色、三個環(huán)境、四個階段”虛擬船舶交互實驗平臺，采用四位一體的虛擬實驗教學(xué)模式，改善實驗教學(xué)環(huán)境;文獻[3]建成開放性虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，發(fā)揮多學(xué)科交叉優(yōu)勢，并采用多元化的實驗教學(xué)資源建設(shè)模式。在實驗資源建設(shè)方面，文獻[4]開發(fā)網(wǎng)絡(luò)共享化和虛實結(jié)合的虛擬仿真實驗項目，并介紹了煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)模塊構(gòu)成;文獻[5]利用三維虛擬仿真與VR教學(xué)資源開發(fā)采煤機虛擬仿真模擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)習(xí)者可以針對采煤機結(jié)構(gòu)、工藝流程和自動化割煤等內(nèi)容進行實驗。學(xué)者們還對虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用方面進行探討，如文獻[6]針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程中存在的問題，探討虛擬仿真實驗在物理化學(xué)實驗課程中的應(yīng)用;文獻[7]探索虛擬仿真技術(shù)在移動通信智慧課堂中的有效應(yīng)用。本文針對煤礦安全開采領(lǐng)域，全面介紹煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)理念、實踐教學(xué)體系構(gòu)建、虛擬仿真實驗系統(tǒng)以及實驗中心應(yīng)用等。

煤炭是我國社會經(jīng)濟發(fā)展最主要的能源之一，事關(guān)國家能源穩(wěn)定大局。對于高校的采礦、安全、地質(zhì)、測繪等煤礦相關(guān)專業(yè)而言，人才培養(yǎng)數(shù)量和質(zhì)量對于能源供給與煤礦安全有著極為重要的意義。目前，受煤礦井下安全開采環(huán)境以及實習(xí)、實訓(xùn)條件限制，一方面，學(xué)生井下實習(xí)難度較大，很大程度上影響了人才培養(yǎng)質(zhì)量;另一方面，由于存在如煤礦開采危險程度較高、重特大安全事故不可再現(xiàn)及煤炭資源合理利用等諸多問題，亟需運用虛擬現(xiàn)實、多媒體、智能仿真等計算機技術(shù)實現(xiàn)煤礦安全開采虛擬仿真，為煤炭行業(yè)人才培養(yǎng)、煤礦企業(yè)員工培訓(xùn)等創(chuàng)造實習(xí)實訓(xùn)條件。

1中心建設(shè)理念

煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學(xué)中心依托數(shù)字礦山實驗室、虛擬現(xiàn)實實驗室、多媒體技術(shù)實驗室、采礦仿真實驗室、煤礦機械仿真實驗室、地質(zhì)可視化技術(shù)實驗室及地理信息系統(tǒng)實驗室等7個實驗室，面向全校的采礦工程、安全工程、測繪工程、資源勘查工程、地理信息系統(tǒng)、計算機科學(xué)與技術(shù)等10個本科專業(yè)開展教學(xué)與科研工作，主要研究煤礦生產(chǎn)與培訓(xùn)中面臨的高危環(huán)境，將地下不可見的復(fù)雜地質(zhì)體、斷層、煤層進行數(shù)字化與可視化。為適應(yīng)山東省綠色能源強省建設(shè)及智慧礦山的快速發(fā)展，解決煤礦開采創(chuàng)新人才培養(yǎng)面臨的實踐、實習(xí)與生產(chǎn)中的高危環(huán)境問題，該中心以采礦工程國家重點學(xué)科（培育）、計算機軟件與理論山東省特色重點學(xué)科為支撐，依托煤礦安全開采實驗教學(xué)中心，聯(lián)合山東藍光軟件有限公司，以應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為目標，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，整合校內(nèi)實驗教學(xué)資源，推進實驗教學(xué)改革，開展煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學(xué)模式的創(chuàng)新研究。

實驗教學(xué)中心秉承“實驗是培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力最有效教學(xué)形式”的理念，初步形成“啟迪創(chuàng)新思維，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，虛實結(jié)合，提高解決煤礦安全開采工程實際問題能力”的教學(xué)理念。緊密結(jié)合國家發(fā)展綠色能源的需要，充分利用學(xué)校在煤礦相關(guān)專業(yè)與計算機學(xué)科方面的優(yōu)勢，創(chuàng)新煤礦安全開采虛擬仿真創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制，推動數(shù)字礦山建設(shè)與發(fā)展?；谠朴嬎慵夹g(shù)，應(yīng)用虛擬、仿真等實驗技術(shù)手段，突破分課程、分專業(yè)建設(shè)實驗室的局限，整合優(yōu)化煤礦相關(guān)專業(yè)的實驗教學(xué)環(huán)境，打造開放共享、軟硬件一體的煤礦安全開采實驗教學(xué)平臺，開發(fā)與進一步豐富虛擬仿真實驗教學(xué)資源，實現(xiàn)對實驗教學(xué)資源的高效利用。基于“高度仿真、開放共享、虛實結(jié)合”的虛擬仿真實驗系統(tǒng)，全面改善實驗條件，同時進行實驗教學(xué)方法、實驗?zāi)Ｊ降确矫娴母母镅芯颗c實踐探索，以培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識，開拓學(xué)生專業(yè)視野。

2實驗教學(xué)體系

中心以“虛擬與現(xiàn)實結(jié)合，提高解決煤礦安全開采工程實際問題能力”的綠色礦山安全開采教學(xué)理念為指導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生“工程實踐能力、行業(yè)適應(yīng)能力、創(chuàng)新能力”為目標，構(gòu)建“三階段、四層次、多模塊”的虛擬仿真實驗教學(xué)體系。實驗教學(xué)體系架構(gòu)如圖l所示，可實現(xiàn)“煤礦安全虛擬仿真教學(xué)、煤礦生產(chǎn)虛擬仿真綜合實踐、煤礦安全生產(chǎn)模擬操作、校內(nèi)實習(xí)礦井實習(xí)、煤礦現(xiàn)場實習(xí)、煤礦生產(chǎn)”等各階段實踐教學(xué)任務(wù)，并兼具人才培養(yǎng)、生產(chǎn)仿真、事故重現(xiàn)功能。其中，“三階段”是指礦山開采基本原理、生產(chǎn)環(huán)節(jié)虛擬仿真教學(xué)、礦山開采虛擬仿真綜合實踐3個階段，實現(xiàn)學(xué)生能力的全方位培養(yǎng);“四層次”是指基礎(chǔ)性實驗、驗證性實驗、工程綜合性實驗及創(chuàng)新性實驗4個實驗層次，實現(xiàn)學(xué)生基礎(chǔ)與創(chuàng)新能力的遞進式培養(yǎng);“多模塊”是指地測、采掘、機電、通風(fēng)、安全、運輸?shù)榷鄠€不同模塊，涵蓋煤礦安全開采各個相關(guān)領(lǐng)域，各實驗?zāi)K根據(jù)煤礦開采技術(shù)進展不斷更新實驗項目，實現(xiàn)實驗教學(xué)與煤炭安全開采領(lǐng)域科技發(fā)展前沿的緊密結(jié)合。

實驗教學(xué)中心逐步加大校企合作力度和廣度，秉承“理論與實踐融合、虛實結(jié)合、能實不虛”的基本原則，將虛擬仿真實驗與實體實驗相結(jié)合。依托國內(nèi)唯一的校內(nèi)實習(xí)礦井（見圖2），該礦井包括地面工業(yè)廣場（井口房、天輪架、絞車房、井口平車場、防爆蓋、地面壓風(fēng)機房、通風(fēng)機房、反風(fēng)道、煤礦常用小型設(shè)備拆裝車間、煤礦大型設(shè)備實習(xí)車間、井口專用教室等）與下巷道工程（斜井井筒、立井井筒、斜井井底車場、中央變電所、中央水泵房、運輸大巷、普采工作面、掘進工作面、地質(zhì)巷道、平面交岔點、斜面交岔點、各種類型的巷道斷面和風(fēng)門等）。礦井布局合理、功能齊全、操作流程規(guī)范、內(nèi)容豐富，含采煤和掘進工作面各一個，具有采掘、機運、通風(fēng)、排水、提升系統(tǒng)等各類設(shè)施。將虛擬仿真實驗與煤礦安全開采實驗課程中的實體實驗相結(jié)合，以豐富實驗教學(xué)手段，提高學(xué)生的綜合實踐技能。

3煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

以煤礦安全開采國家級虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心為依托，構(gòu)建豐富的實驗教學(xué)資源，打造開放共享、軟硬件一體的實驗教學(xué)管理系統(tǒng)與實驗平臺，如圖3、圖4所示。實驗教學(xué)管理系統(tǒng)可實現(xiàn)網(wǎng)上預(yù)約實驗、答疑、資料下載、網(wǎng)上虛擬實驗、信息發(fā)布、數(shù)據(jù)收集分析、互動交流、成績評定、成果展示等實驗教學(xué)管理功能。實驗平臺可按照煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程進行煤礦井下極端復(fù)雜環(huán)境各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的虛擬仿真實驗，并進行可視化遙控。

實驗教學(xué)中心依托自主研制的大型煤礦安全生產(chǎn)礦井模擬仿真實驗平臺和已建立的校內(nèi)實習(xí)礦井，針對煤礦開采高能耗、高風(fēng)險，以及事故不可逆等行業(yè)特性，綜合運用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，實現(xiàn)采煤、掘進、機電、運輸、通風(fēng)、安全等各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的虛擬仿真實驗，采用自主研發(fā)、科研成果轉(zhuǎn)化、校企合作3種模式，加強虛擬仿真實驗教學(xué)資源開發(fā)與建設(shè)，完善與擴充實驗教學(xué)項目，按照煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程使用煤礦虛擬實驗儀器設(shè)備進行實驗。如綜合機械化放頂煤回采工作面虛擬仿真綜合實驗按照綜合機械化放頂煤開采實際情況，構(gòu)建綜合機械化放頂煤開采虛擬仿真實驗過程與三維場景，動畫展現(xiàn)出雙滾筒采煤機割煤、前刮板輸送機運煤、放頂煤液壓支架放頂煤、后刮板輸送機運煤、順槽刮板輸送機運煤、液壓支架及時支護（先移架、后移溜）、供電系統(tǒng)展示等過程，可以直觀的方式將綜合機械化放頂煤開采工藝及工作面布置展現(xiàn)出來，以便讓學(xué)生掌握綜合機械化放頂煤開采工藝流程。

中心研發(fā)的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺實現(xiàn)了對煤礦高溫、高熱、高濕等極端復(fù)雜環(huán)境下地測、采掘、機電、通風(fēng)、安全、運輸?shù)?大模塊的仿真，以及煤礦安全生產(chǎn)過程中的45個虛擬仿真實驗項目，部分虛擬仿真實驗場景如圖5所示。

同時，實驗教學(xué)中心聯(lián)合虛擬仿真科技企業(yè)和煤礦集團，注重產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合、校企聯(lián)合協(xié)同創(chuàng)新，實現(xiàn)科研設(shè)備、科研成果、研發(fā)人員、師資隊伍、實驗教學(xué)資源等資源共享，加快實現(xiàn)將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容，以進一步拓展虛擬仿真實驗教學(xué)范圍、豐富實驗教學(xué)內(nèi)容，開拓學(xué)生視野，完善學(xué)生知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)其綜合設(shè)計與創(chuàng)新能力。

4應(yīng)用實踐

煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學(xué)平臺基于網(wǎng)絡(luò)進行仿真設(shè)計，通過終端設(shè)備進行虛擬實驗，可實現(xiàn)學(xué)生以不同角色在同一虛擬環(huán)境中進行實驗。

中心主要采用以下幾種教學(xué)模式進行實驗：①“網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真”實驗教學(xué)模式。單純的人機互動式和演示性實驗項目堅持采用網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真，實驗人員通過網(wǎng)絡(luò)終端進行訪問，并可以自主設(shè)計實驗項目;②虛實結(jié)合實踐教學(xué)模式。需要通過手柄、按鈕等進行操作的實驗項目將采用虛實結(jié)合的方法，并堅持能實不虛的原則，硬件操作臺設(shè)計按照實際設(shè)備外形進行設(shè)計與制作，仿真程度極高，實驗者能夠?qū)嶋H操控的部分力求真實，對類似礦井瓦斯爆炸場景、大型設(shè)備動作過程等存在重大隱患、高能耗、高成本問題的實驗部分才使用計算機仿真，以最大限度地提高實驗人員參與程度，提升實驗效果;③協(xié)同實驗教學(xué)模式。如工作面開采、巷道掘進、提升機提升、瓦斯抽采等均由多工種協(xié)同完成，也是由多種設(shè)備協(xié)同配合完成的。協(xié)同實驗可實現(xiàn)多種虛擬仿真設(shè)備的連接以及相互融合，實現(xiàn)學(xué)生在同一虛擬環(huán)境中以不同角色進行協(xié)同實驗。

中心作為培養(yǎng)學(xué)生開拓創(chuàng)新能力與實踐能力的重要基地，需要充分挖掘中心現(xiàn)有各項潛力，積極創(chuàng)造條件向?qū)W生開放，主要分為以下幾種類型：①科研型。主要面向高年級本科生與研究生，實驗室聘請正在主持重大項目的教師，定期發(fā)布一些科研項目中的子課題，吸收高年級優(yōu)秀學(xué)生和科研能力強的研究生進入中心參與課題研究;②科技競賽型。針對每年舉辦的各類科技競賽，在導(dǎo)師指導(dǎo)下利用實驗中心設(shè)備與相關(guān)資源參與競賽活動;③自選實驗課題型。中心定期收集一些學(xué)生自擬課題，然后聘請有實踐經(jīng)驗的教師對這些課題進行篩選，被選中的同學(xué)可以進人中心進行相關(guān)研究。

5結(jié)語

將虛擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)用于煤礦安全開采工程人才培養(yǎng)，可以解決傳統(tǒng)煤礦安全開采實踐教學(xué)與應(yīng)用型人才培養(yǎng)之間的矛盾。本文依托煤礦安全開采國家級實驗教學(xué)中心，整合實驗教學(xué)資源，構(gòu)建煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，開辟了煤炭安全開采實驗教學(xué)新模式，有效提升了學(xué)生的專業(yè)實踐能力、創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)興趣。在平臺后續(xù)建設(shè)過程中，還需要逐步完善系統(tǒng)軟件功能，加大力度開展校際合作與校企合作，開發(fā)更加豐富的虛擬實驗教學(xué)項目與教學(xué)資源，探索虛擬仿真實驗教學(xué)的新模式與新方法。