金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐

楊天鴻 張春明 于慶磊 朱萬成 張鵬海

摘要：傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)不適應(yīng)新形勢(shì)對(duì)創(chuàng)新人才能力培養(yǎng)的要求，不能體現(xiàn)時(shí)代特色和新的教育觀念，缺乏理論聯(lián)系實(shí)際的有效方法。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不但可以獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相同的體會(huì)，而且可以規(guī)避真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作可能帶來的各種危險(xiǎn)，還可以打破時(shí)空限制。在保證教學(xué)效果的前提下還可以極大地節(jié)省成本，具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室難以比擬的優(yōu)勢(shì)。通過金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，我們對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容實(shí)施大刀闊斧的改革，在發(fā)展的過程中始終遵循“物理實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)并重”、“校內(nèi)學(xué)習(xí)與校外實(shí)踐并重”、“科學(xué)研究指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐”、“理論學(xué)習(xí)與工程應(yīng)用并重”的教學(xué)理念，走出一條產(chǎn)學(xué)研有機(jī)結(jié)合的新路。讓學(xué)生主動(dòng)參與虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和開展創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，有利于創(chuàng)新人才能力培養(yǎng)，也有利于實(shí)現(xiàn)“教與學(xué)的互動(dòng)、理論與實(shí)踐的結(jié)合、能力與興趣的共增”的教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；金屬礦山；巖石力學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）17-0140-06

一、發(fā)展歷程

東北大學(xué)是一所以工科為主的多科性、研究型國(guó)家重點(diǎn)大學(xué)，是國(guó)家“211工程”、“985工程”和“雙一流”重點(diǎn)建設(shè)高校。資源與土木學(xué)院是東北大學(xué)重點(diǎn)建設(shè)的四大工科學(xué)院之一，現(xiàn)有四個(gè)一級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)。目前學(xué)院形成了以采礦工程首批國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科為龍頭，資源與土木兩大學(xué)科群為主體，七個(gè)學(xué)科協(xié)同發(fā)展的局面。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的快速發(fā)展為大型復(fù)雜采礦、巖土工程設(shè)計(jì)等提供了可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)方法與手段，學(xué)校和學(xué)院近年來十分重視虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)?！笆晃濉钡健笆濉逼陂g，累計(jì)投入建設(shè)經(jīng)費(fèi)2000余萬元，用于虛擬教學(xué)環(huán)境、虛擬實(shí)驗(yàn)室條件、師資隊(duì)伍與實(shí)驗(yàn)改革等方面的建設(shè)。經(jīng)過多年的不懈努力和發(fā)展建設(shè)，我院建成了全國(guó)唯一的一個(gè)國(guó)家級(jí)金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心。由于金屬礦山無論是采礦方法還是硬巖巖石力學(xué)特性明顯不同于其他礦山，因此本中心的建立對(duì)于學(xué)生認(rèn)知金屬礦山復(fù)雜的采礦工藝和巖石力學(xué)性質(zhì)具有重要的意義，也是對(duì)國(guó)家礦業(yè)工程一級(jí)學(xué)科建設(shè)的重要補(bǔ)充。

中心的發(fā)展歷程可大致分為四個(gè)階段，分別為探索與積累階段、初步建設(shè)階段、快速發(fā)展階段以及形成系統(tǒng)教學(xué)平臺(tái)階段，如圖1所示。

第一階段：探索與積累階段（1995—2004年）

東北大學(xué)金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心始建于1995年，是資源勘查工程、采礦工程、測(cè)繪工程、工程力學(xué)、安全工程等專業(yè)教學(xué)、科研的重要基地。

1995年，王青教授歸國(guó)后建立起國(guó)內(nèi)第一個(gè)礦山設(shè)計(jì)優(yōu)化仿真系統(tǒng)，成為中心雛形建立的重要標(biāo)志及成果。同時(shí)為中心下屬采礦優(yōu)化設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建立奠定了基礎(chǔ)。隨后，在1996年，唐春安教授開發(fā)出國(guó)內(nèi)第一個(gè)巖石破裂過程仿真系統(tǒng)軟件RFPA，為中心成立初期的重要成果。同時(shí)為中心下屬巖石破裂過程與大規(guī)模并行計(jì)算數(shù)值實(shí)驗(yàn)室的建立奠定了基礎(chǔ)。

第二階段：初步建設(shè)階段（2005—2008年）

2005年，以逐漸完善的東北大學(xué)巖石破裂過程仿真模擬系統(tǒng)作為技術(shù)支撐平臺(tái)，中心先后在國(guó)內(nèi)外10余所高校建立了巖體力學(xué)數(shù)值仿真教學(xué)中心和實(shí)驗(yàn)室，不斷加強(qiáng)和其他高校合作的同時(shí)擴(kuò)大了中心自身的影響力。2005—2006年，依托巖石破裂過程仿真模擬系統(tǒng)的《巖石破裂過程數(shù)值試驗(yàn)》獲遼寧省教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。2006年，引進(jìn)加拿大勞倫特大學(xué)礦山虛擬仿真系統(tǒng)，包括大屏幕被動(dòng)立體虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)硬件及GOCAD軟件，同時(shí)外派部分中心內(nèi)人員赴加拿大培訓(xùn)、進(jìn)修。至此，中心內(nèi)軟、硬件均已基本齊全，人員素質(zhì)得到一定提升，中心水平得到了一次整體提升。

第三階段：快速發(fā)展階段（2009—2012年）

經(jīng)過多年的積累與建設(shè)，中心已初具規(guī)模。在該階段，中心不斷加強(qiáng)教學(xué)模式上的創(chuàng)新，將虛擬仿真領(lǐng)域內(nèi)的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)的重要輔助手段，幫助學(xué)生理解課程內(nèi)容。

2009年，中心獲批遼寧省巖土力學(xué)與工程示范教學(xué)中心。2009—2010年，中心所授課程《巖石力學(xué)》獲省精品課。2011—2012年，中心先后與中視典數(shù)字科技有限公司、上海天域時(shí)捷信息系統(tǒng)有限公司以及上海華弓數(shù)字科技有限公司合作，對(duì)原有虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行了升級(jí)。2012年，中心所授課程《采礦學(xué)》獲國(guó)家級(jí)精品課。

第四階段：形成系統(tǒng)教學(xué)平臺(tái)階段（2013—2017年）

經(jīng)過這一階段的發(fā)展，中心至2013年已形成了系統(tǒng)性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，虛擬仿真成為教學(xué)的重要內(nèi)容。2013年，建立東北大學(xué)—山東招金集團(tuán)有限公司國(guó)家級(jí)工程實(shí)踐教育中心。2014年，中心所授課程《采礦學(xué)》獲國(guó)家級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)。2015年，東北大學(xué)采礦與巖土工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心獲批省級(jí)虛擬仿真教學(xué)中心，為中心今后的發(fā)展提供了更好的契機(jī)。2016年，金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心獲批國(guó)家級(jí)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，我們以此為契機(jī)對(duì)中心軟硬件設(shè)施進(jìn)行了大規(guī)模改造，并取得了預(yù)期成果。

二、系統(tǒng)構(gòu)建

中心的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)施建設(shè)要求具備前瞻性、實(shí)用性、穩(wěn)定性、可靠性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、兼容性、靈活性和擴(kuò)展性。

1.系統(tǒng)應(yīng)用模式。中心的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)兼?zhèn)浣虒W(xué)演示和科研功能，支持多種顯示模式，包括：（1）大屏幕顯示模式：兩通道/單通道大型弧幕沉浸式主動(dòng)立體虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供了大屏幕立體顯示模式，而且對(duì)觀察位置沒有要求，適用于多人多角度觀看的工作模式要求。當(dāng)需要播放演示文稿等非立體素材時(shí)，立體顯示模式會(huì)自動(dòng)切換為平面顯示模式。（2）多窗口顯示模式：根據(jù)不同的應(yīng)用需求，可將多臺(tái)計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果以開窗口形式在大屏幕上顯示。每次最多可開4個(gè)窗口，并且窗口大小、位置可任意調(diào)整；支持單屏、跨屏、多窗口疊加和跨通道顯示；可實(shí)現(xiàn)多路動(dòng)/靜態(tài)信號(hào)窗口的縮放、移動(dòng)、漫游等功能，并且窗口的顯示內(nèi)容在不同分辨率下不發(fā)生變形。（3）交互操作模式：在立體顯示模式下通過人機(jī)交互設(shè)備，對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行虛擬交互操作，以主視點(diǎn)的角度來完成交互操作。通過中控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)幾種應(yīng)用模式的一鍵切換，操作方便快捷。

2.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)支持多通道立體和平面顯示，支持交互操作，能夠?yàn)榻虒W(xué)和科研提供完整軟硬件支撐環(huán)境，其層次結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

各部分組成描述如下：（1）主動(dòng)立體投影顯示系統(tǒng)，包含：①高分辨率、高亮度、高清晰度、色彩還原逼真、能在室內(nèi)正常照明環(huán)境下顯示清晰明亮圖像、刷新率達(dá)120Hz的主動(dòng)立體激光投影機(jī)；②信號(hào)矩陣；

③支持主動(dòng)立體融合，并且融合帶寬度可調(diào)，提供像素級(jí)別幾何校正，運(yùn)行流暢，無卡頓的純硬件圖像融合處理器；④主動(dòng)立體眼鏡；⑤用于在3D眼鏡與大屏幕之間實(shí)現(xiàn)精確同步，以便讓左右眼睛分別看到不同畫面的紅外發(fā)射器等。（2）圖形生成系統(tǒng)，其中網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸系統(tǒng)支持4路有線和無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)同時(shí)上屏顯示，可連接用戶數(shù)不低于40人。利用開窗口功能可抓取多路矩陣輸入信號(hào)顯示在大屏幕上。（3）人機(jī)交互系統(tǒng)，由控制主機(jī)、紅外捕捉攝像頭、三維交互手柄和眼點(diǎn)跟蹤標(biāo)記點(diǎn)組成，可實(shí)現(xiàn)三維虛擬空間環(huán)境內(nèi)與虛擬場(chǎng)景和物體的交互操作，并配有虛擬頭盔顯示系統(tǒng)。（4）音響系統(tǒng)，包括話筒、功放、音箱等，以滿足課堂演示和會(huì)議對(duì)聲音處理的要求。（5）中控系統(tǒng)，包括主機(jī)、強(qiáng)電繼電器、無線觸摸控制屏及無線路由器，可對(duì)投影機(jī)、矩陣、圖像融合處理器、燈光等進(jìn)行集中控制。

3.實(shí)驗(yàn)室布局設(shè)計(jì)。主實(shí)驗(yàn)室占地約90平方米，其中東西向長(zhǎng)15000mm，南北寬5900mm。一塊大型弧形硬幕將設(shè)備機(jī)房與其他區(qū)域隔離開來，余下空間根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)功能和設(shè)備特點(diǎn)，經(jīng)過精心規(guī)劃和科學(xué)安排，從前到后依次劃分為演示區(qū)、研發(fā)區(qū)、測(cè)試區(qū)和學(xué)生電腦區(qū)，如圖3、圖4所示。

其中演示區(qū)內(nèi)的大型弧幕沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可供實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的師生遠(yuǎn)距離觀看三維立體效果；演示區(qū)前方的空地可供穿戴無線頭戴式顯示器的師生使用。穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備可以提供更好的沉浸感和交互性體驗(yàn)，缺點(diǎn)是一套設(shè)備同時(shí)只能供一人使用，受眾面小，且必須提供足夠的活動(dòng)空間。將穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備與大型弧幕主動(dòng)立體激光高清投影系統(tǒng)完美地結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，使之互不干擾，可以大幅提升教學(xué)質(zhì)量，取得事半功倍的效果；研究區(qū)用于學(xué)生開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序，以便教學(xué)內(nèi)容可以根據(jù)自身需要不斷更新，實(shí)踐訓(xùn)練可以及時(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展。研究區(qū)的每臺(tái)計(jì)算機(jī)均配備了有線頭戴式顯示器。由于有線頭戴式顯示器受線纜長(zhǎng)度的約束，活動(dòng)范圍有限，因此在其后方開辟測(cè)試區(qū)，供程序測(cè)試使用；學(xué)生電腦區(qū)支持以班級(jí)為單位同時(shí)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，能夠滿足日常的課堂教學(xué)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)要求。另外，教室后面還配備一臺(tái)會(huì)議投影機(jī)用于學(xué)術(shù)討論，可接駁矩陣和筆記本電腦輸出信號(hào)。

4.搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)開放平臺(tái)（網(wǎng)站）。為了滿足虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需要，中心建立了金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)開放平臺(tái)，以解決虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)、整合、開放、共享問題，再輔之以虛擬化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用管理、實(shí)驗(yàn)學(xué)術(shù)資源共享管理、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析查詢系統(tǒng)，將“有限的實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間”拓展成為“無限的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間”，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)資源開放共享的目的。平臺(tái)提供了豐富的多媒體素材庫和三維模型庫，開設(shè)了采礦學(xué)等網(wǎng)絡(luò)精品課，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的開放式教學(xué)和優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的深度共享。學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行注冊(cè)，獲取虛擬仿真教學(xué)資源，進(jìn)行虛擬仿真訓(xùn)練。平臺(tái)主界面如圖5所示。

三、教學(xué)課程設(shè)置

中心主要承擔(dān)采礦工程、資源勘查工程、測(cè)繪工程、安全工程和工程力學(xué)等本科專業(yè)的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)、設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)、工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)。根據(jù)不同專業(yè)的教學(xué)需要，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施了分類教學(xué)，如為采礦、巖土、安全、資源勘查、測(cè)繪、力學(xué)專業(yè)學(xué)生開設(shè)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)，部分學(xué)生選作創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。中心作為大學(xué)生課外科技創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作的主要支撐單位，為全校各類本科生創(chuàng)新競(jìng)賽和研究生課題研究提供服務(wù)，負(fù)責(zé)為其提供設(shè)備儀器、場(chǎng)所和指導(dǎo)。此外，中心還承擔(dān)數(shù)值仿真計(jì)算、數(shù)字礦山模擬、虛擬優(yōu)化設(shè)計(jì)等科研課題研究，解決在采礦工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)、巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)、采礦圍巖失穩(wěn)數(shù)值仿真模擬等大型復(fù)雜實(shí)驗(yàn)中遇到的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴、維護(hù)費(fèi)用高以及采礦現(xiàn)場(chǎng)安全性差等問題。

中心的組織結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。中心下設(shè)礦山測(cè)量與數(shù)字礦山虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、采礦優(yōu)化設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、巖石破裂過程與大規(guī)模并行計(jì)算數(shù)值實(shí)驗(yàn)室和安全環(huán)境及裝備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室共4個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，開設(shè)了各類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，涉及各類課程50余門。下面僅以采礦優(yōu)化設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室為例，將其開設(shè)的采礦優(yōu)化設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及對(duì)應(yīng)的課程列于表1。學(xué)生通過相關(guān)課程的學(xué)習(xí)可以深入地認(rèn)識(shí)露天礦和地下礦的建設(shè)過程、生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，每種采礦方法的采準(zhǔn)、切割、回采過程，是采礦學(xué)、井巷工程、鑿巖爆破、數(shù)字礦山、礦山機(jī)械等課程重要的教學(xué)輔助手段。學(xué)生還可利用該實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行礦山開拓、井巷掘進(jìn)、礦房回采的仿真設(shè)計(jì)，展示大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)相關(guān)成果，顯著提高了學(xué)生對(duì)采礦相關(guān)課程和工程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)效果，有利于培養(yǎng)學(xué)生的原理運(yùn)用與實(shí)踐創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，深受學(xué)生的歡迎。

四、特色與創(chuàng)新

1.建立理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相銜接、物理實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)、課堂講授與計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)相結(jié)合的多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式和內(nèi)容體系。眾所周知，采礦工程、測(cè)繪工程、資源勘查工程、安全工程等專業(yè)課的實(shí)踐性強(qiáng)，與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合緊密，除了要求學(xué)生理解相關(guān)理論和方法，還要求他們能夠聯(lián)系實(shí)際解釋工程施工過程中的巖土體失穩(wěn)、破壞問題及防護(hù)機(jī)理。但受現(xiàn)場(chǎng)條件、人力、物力和財(cái)力以及難度等因素的制約，教學(xué)中很難采用現(xiàn)場(chǎng)物理試驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)室再現(xiàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證，即缺乏理論聯(lián)系實(shí)際的有效方法。另一方面，利用數(shù)值計(jì)算、虛擬仿真和可視化技術(shù)，對(duì)巖石的變形與破裂過程進(jìn)行數(shù)值仿真和試驗(yàn)，不僅可以幫助學(xué)生掌握理論知識(shí)，深刻理解工程設(shè)計(jì)原理，加深對(duì)未知現(xiàn)象的探索，提高學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，而且可以克服傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐周期長(zhǎng)、危險(xiǎn)性大以及巖石實(shí)驗(yàn)觀測(cè)難、分析難、重復(fù)難等多種弊端，為采礦、巖土工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供新的輔助教學(xué)手段。在東北大學(xué)“211”二期“礦山安全高效及綠色開采技術(shù)”項(xiàng)目驗(yàn)收過程中，專家認(rèn)為巖石破裂失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)室（數(shù)值仿真試驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)體系）建設(shè)是應(yīng)用現(xiàn)代高新技術(shù)改造傳統(tǒng)學(xué)科的成功范例。

2.構(gòu)建以開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維、鍛煉創(chuàng)新能力的實(shí)驗(yàn)研究與學(xué)術(shù)交流有機(jī)結(jié)合的實(shí)踐創(chuàng)新教學(xué)模式。由傳統(tǒng)以教促學(xué)的學(xué)習(xí)方式代之以學(xué)生通過自身與虛擬環(huán)境的相互作用來獲得知識(shí)和技能的新型學(xué)習(xí)方式，有助于學(xué)生全身心地投入學(xué)習(xí)環(huán)境中去，也有利于學(xué)生的創(chuàng)新技能培養(yǎng)。目前，社會(huì)對(duì)大學(xué)畢業(yè)生全面素質(zhì)的要求越來越高，尤其體現(xiàn)在創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力上，培養(yǎng)出具有高素質(zhì)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的人才已成為高等教育成功的重要標(biāo)志。學(xué)生主動(dòng)參與虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和開展創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，有利于實(shí)現(xiàn)“教與學(xué)的互動(dòng)、理論與實(shí)踐的結(jié)合、能力與興趣的共增”的教學(xué)目標(biāo)。

3.將科研成果應(yīng)用到采礦工程及巖石力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研深度融合，鼓勵(lì)更多的本科生參與科研實(shí)踐，在促進(jìn)科研工作的同時(shí)提供本科生的創(chuàng)新能力，形成具有金屬礦山特色的以科研促實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式和技能訓(xùn)練體系。比如，將大量有關(guān)硬巖巖石力學(xué)特性、地壓災(zāi)害控制以及復(fù)雜采礦工藝優(yōu)化等方面的科研成果（已獲多項(xiàng)國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)）引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，利用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)采礦工程和巖石破壞復(fù)雜現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)再現(xiàn)。再如，目前尚沒有實(shí)驗(yàn)方法能夠讓學(xué)生了解采礦工程施工過程復(fù)雜的巖石介質(zhì)中的應(yīng)力場(chǎng)，我們通過建立現(xiàn)場(chǎng)巖體結(jié)構(gòu)面測(cè)試、應(yīng)力場(chǎng)微震測(cè)試與動(dòng)態(tài)開采應(yīng)力場(chǎng)力學(xué)并行計(jì)算信息綜合集成可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了采場(chǎng)圍巖應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演示與分析，便于學(xué)生理解采場(chǎng)地壓的變化特征。

4.實(shí)行開放式管理，以提高學(xué)生科學(xué)研究和工程實(shí)踐創(chuàng)新能力、培養(yǎng)知識(shí)能力和實(shí)踐動(dòng)手素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的研究發(fā)展型人才為主線，構(gòu)筑具有先進(jìn)設(shè)備和先進(jìn)管理體制的實(shí)踐平臺(tái)以及與理論教學(xué)改革相協(xié)調(diào)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。開放實(shí)驗(yàn)室不但可以提高實(shí)驗(yàn)室資源利用率，發(fā)揮資源的最大效益，而且對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提高動(dòng)手能力，培養(yǎng)高質(zhì)量的創(chuàng)新人才具有十分重要的意義。本中心在滿足學(xué)院本科生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前提下，向全校本科生和研究生開放，并為各類創(chuàng)新競(jìng)賽活動(dòng)提供服務(wù)。

5.以東北大學(xué)新建的東北區(qū)域超算中心和云計(jì)算中心為契機(jī)，結(jié)合我校在金屬礦山安全高效開采領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用先進(jìn)的云服務(wù)技術(shù)構(gòu)建擴(kuò)展性與兼容性好、內(nèi)容豐富、獨(dú)具特色的金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，以解決虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)、整合、開放、共享問題，再輔之以虛擬化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用管理、實(shí)驗(yàn)學(xué)術(shù)資源共享管理、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析查詢系統(tǒng)，將“有限的實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間”拓展成為“無限的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間”，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)資源開放共享的目的，起到國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的引領(lǐng)和示范作用，更好地為培養(yǎng)具有實(shí)踐創(chuàng)新能力的人才提供服務(wù)。通過虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)還可以擴(kuò)大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源的共享范圍，滿足跨地區(qū)和學(xué)科專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要。

6.加強(qiáng)與國(guó)內(nèi)外高校的合作，積極推廣我們的教學(xué)研究成果，同時(shí)吸收兄弟院校先進(jìn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理經(jīng)驗(yàn)。我們開發(fā)的一系列礦山和巖土工程虛擬設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算、巖石力學(xué)分析輔助教學(xué)軟件系統(tǒng)曾被列入國(guó)家教育部的中國(guó)網(wǎng)格計(jì)劃“ChinaGrid”，當(dāng)時(shí)成為我國(guó)高校唯一入選、并將通過中國(guó)網(wǎng)格計(jì)劃推廣的巖土工程類教學(xué)軟件系統(tǒng)。由東北大學(xué)開發(fā)的具有自主知識(shí)版權(quán)的巖石破裂過程分析系列軟件以及出版的《巖石破裂過程數(shù)值試驗(yàn)》、《采動(dòng)巖體破壞與巖層移動(dòng)數(shù)值試驗(yàn)》等系列教材在國(guó)內(nèi)外多家高校和科研院所相關(guān)專業(yè)使用，10余所高校還建立了由東北大學(xué)提供教學(xué)技術(shù)支持的巖土力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)室，每年涉及教學(xué)課程40余門，涉及本科學(xué)生3500多人。另一方面，我們通過學(xué)習(xí)和借鑒兄弟院校先進(jìn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從多途徑獲取優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，不斷開發(fā)內(nèi)容先進(jìn)、共享范圍廣、效果好的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，

7.加強(qiáng)與企業(yè)的合作，共建和共享資源，并在實(shí)踐教學(xué)中充分利用企業(yè)的優(yōu)質(zhì)設(shè)備資源、人力資源與技術(shù)資源，做到“物理實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)并重”、“校內(nèi)學(xué)習(xí)與校外實(shí)踐并重”、“理論學(xué)習(xí)與工程應(yīng)用并重”，切實(shí)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。近年來為鞍鋼礦業(yè)集團(tuán)、山東招金集團(tuán)等礦山企業(yè)培訓(xùn)科技人員400余名，利用先進(jìn)的虛擬仿真手段為企業(yè)提供技術(shù)培訓(xùn)與新產(chǎn)品開發(fā)服務(wù)，已協(xié)助企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品100余個(gè)。

五、教學(xué)成果

中心自成立以來取得了豐碩的教學(xué)成果。近5年來，共斬獲國(guó)家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、入選國(guó)家級(jí)精品課2門、國(guó)家精品教材1部、“十二五”規(guī)劃教材5部；獲遼寧省二等以上教學(xué)成果獎(jiǎng)8項(xiàng)、遼寧省優(yōu)秀網(wǎng)絡(luò)課程獎(jiǎng)6項(xiàng)、冶金部教改成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、冶金部?jī)?yōu)秀教材一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、入選遼寧省精品課5門、遼寧省優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)1個(gè)、遼寧省教學(xué)名師3名；獲東北大學(xué)教學(xué)成果特等獎(jiǎng)1項(xiàng)；出版教材、專著30多種；發(fā)表教改論文50余篇；開發(fā)各類專用虛擬仿真軟件80余套。

在本中心做虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的各專業(yè)學(xué)生踴躍參加全國(guó)性大獎(jiǎng)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，并履獲殊榮。以采礦專業(yè)學(xué)生為例，通過參加采礦學(xué)等一系列虛擬仿真課程訓(xùn)練和教學(xué)實(shí)踐，最終獲得全國(guó)采礦工程專業(yè)本科實(shí)踐作品大賽一等獎(jiǎng)3項(xiàng)，二等獎(jiǎng)4項(xiàng)，獲全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新大賽獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲遼寧省網(wǎng)絡(luò)課程大賽二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲批東北大學(xué)本科生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目3項(xiàng)。

中心還獲得了多項(xiàng)重大科研獎(jiǎng)勵(lì)，包括國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)4項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)3項(xiàng)，中國(guó)黃金協(xié)會(huì)科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)1項(xiàng)等諸多獎(jiǎng)項(xiàng)，這些科研成果有力促進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)發(fā)展。中心基于自身的學(xué)科與科研優(yōu)勢(shì)，始終堅(jiān)持采礦優(yōu)化設(shè)計(jì)虛擬仿真緊密與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合，利用先進(jìn)的物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證學(xué)生的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，增強(qiáng)學(xué)生的理性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的工程分析能力與創(chuàng)新思維。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)解決大型礦山生產(chǎn)流程復(fù)雜、物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成本高、操作危險(xiǎn)、難于共享的難題，成為產(chǎn)學(xué)研合作成功典范。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不但可以獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相同的體會(huì)，而且可以規(guī)避真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作可能帶來的各種危險(xiǎn)，還可以打破時(shí)空限制。總之，通過金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，進(jìn)一步深化了我們始終堅(jiān)持的“物理實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)并重”、“校內(nèi)學(xué)習(xí)與校外實(shí)踐并重”、“科學(xué)研究指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐”、“理論學(xué)習(xí)與工程應(yīng)用并重”的教學(xué)理念。另一方面，讓學(xué)生主動(dòng)參與虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和開展創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，有利于創(chuàng)新人才的能力培養(yǎng)，也有利于實(shí)現(xiàn)“教與學(xué)的互動(dòng)、理論與實(shí)踐的結(jié)合、能力與興趣的共增”的教學(xué)目標(biāo)。