采礦工程實驗實踐教學虛擬仿真軟件的開發(fā)與應用

徐劍坤 王曉振 周蕊 王珂 李穎

摘要：為解決采礦工程人才培養(yǎng)中存在的高危極端作業(yè)環(huán)境、實踐基地建設困難、大量高成本高消耗不可逆操作的實驗、高水平科研成果及優(yōu)秀工程案例轉化困難等問題，文章采用虛擬仿真技術開發(fā)教學軟件。圍繞實驗教學、安全培訓、認識實習、生產實習四個教學環(huán)節(jié)，準確定位軟件功能，設計軟件架構，制定開發(fā)技術體系及步驟，最終成功研制了采礦工程實驗實踐教學虛擬仿真軟件。該軟件依托各種終端在教學中得到了廣泛應用，并表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢與效果，獲得了較高認可。

關鍵詞：實驗實踐教學;虛擬仿真;軟件開發(fā);教學平臺

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）37-0109-02

教育部《教育信息化“十三五”規(guī)劃》指出：“當前，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動計算等新技術逐步廣泛應用，經濟社會各行業(yè)信息化步伐不斷加快，社會整體信息化程度不斷加深，信息技術對教育的革命性影響日趨明顯?！被谶@一認識，國家不斷推進信息技術與教育教學的深度融合。作為信息技術的一種，虛擬仿真技術近年來在高等教育中得到了快速的普及與應用[1-4]，該技術對解決真實實驗項目條件不具備或實際運行困難，涉及高?；驑O端環(huán)境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等問題[5]具有顯著優(yōu)勢。

一、開發(fā)背景

采礦工程專業(yè)旨在培養(yǎng)具備固體（煤、金屬及非金屬）礦床開采的基本理論和方法，具備采礦工程師的基本能力，能夠從事礦區(qū)開發(fā)規(guī)劃、礦山設計、礦山安全技術及工程設計、監(jiān)察、生產技術管理及科學研究的高等工程技術人才。人才培養(yǎng)中涉及大量工程案例、工程實踐、實驗與綜合訓練，教學實踐中存在以下問題[6]：（1）高水平科研成果及優(yōu)秀工程實踐案例轉化為教學資源，周期長、成本高;（2）工程實踐及綜合訓練涉及高危極端的作業(yè)環(huán)境，受制于高危作業(yè)環(huán)境及生產任務壓力，實踐基地建設困難;（3）實習實踐中，學生往往集中于礦山龐大生產系統(tǒng)的某一環(huán)節(jié)，對生產全貌認知有限;（4）安全生產專業(yè)知識及技能教育培訓環(huán)節(jié)缺失;（5）涉及大量高成本、高消耗、不可逆操作的實驗，實驗教學開展困難。虛擬仿真技術有助于解決這些問題。因此，本文依托礦業(yè)工程國家級實驗教學示范中心、采礦工程國家級虛擬仿真實驗教學中心、江蘇省礦業(yè)工程虛擬仿真教學資源共享平臺，研發(fā)采礦工程實驗實踐教學虛擬仿真軟件。

二、軟件設計與開發(fā)

1.軟件功能定位。采礦工程實驗實踐教學虛擬仿真軟件以采礦工程專業(yè)知識的學習與綜合應用為目的，利用虛擬現(xiàn)實、仿真技術與計算機技術重構虛擬空間，再現(xiàn)實驗室與礦山生產場景，在高度逼真的環(huán)境中實現(xiàn)系統(tǒng)認知、設備仿真操作、專業(yè)知識學習、過程跟蹤與考核評價等。本軟件既要作為理論環(huán)節(jié)的示教工具，也要作為實驗、實習環(huán)節(jié)的教學平臺與資源，實現(xiàn)任意時間、任意地點、任意內容、任意人員的定制化學習。

2.軟件架構?；诠δ芏ㄎ?，圍繞采礦工程人才培養(yǎng)的實驗教學、安全培訓、認識實習、生產實習四個教學環(huán)節(jié)，對軟件內容架構進行了如下設計。

虛擬實驗室部分：以中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程實驗教學中心為藍本，根據(jù)儀器設備運行原理及規(guī)律開發(fā)仿真儀器，根據(jù)實驗過程及可能結果開發(fā)虛擬實驗，可進行巖石力學、相似物理模擬、探測監(jiān)測技術、分析測試技術、采礦模型認識等五大類實驗;安全生產教育培訓部分：以原國家安全生產監(jiān)督管理總局發(fā)布的《煤礦安全規(guī)程》及相關規(guī)范為依據(jù)，總結大量真實的工程實例，根據(jù)災害事故發(fā)生機理、致災規(guī)律及專家組認定意見，制作煤礦安全生產規(guī)程視頻教程、煤礦典型災害警示教程、煤礦事故案例教育教程等一套完整的可視化教程;礦井生產系統(tǒng)漫游部分：以麥垛山煤礦、南梁煤礦等現(xiàn)代化生產礦井為藍本，運用虛擬現(xiàn)實、仿真技術，重構高度逼真的三維場景，學生可以直觀、形象、全面地了解回采、掘進、運輸、調度、監(jiān)測監(jiān)控等礦山生產系統(tǒng)及其運行過程;虛擬礦山工程實踐部分：在以現(xiàn)代化礦井為藍本重構的虛擬環(huán)境中，學生可以在回采工作面與掘進工作面開展生產工藝設計、生產裝備選型與操作、礦壓觀測等工程實踐活動。

3.軟件開發(fā)。在上述架構下，采用統(tǒng)一的技術體系，使用3DMax制作三維模型、使用Unity3D制作三維場景、使用Visual Studio設計程序、使用MySQL制作數(shù)據(jù)庫、采用PhotoShop設計界面。本軟件按模塊分步開發(fā)，并最后集成，為保持軟件連貫與風格一致，開發(fā)過程中制定了統(tǒng)一的標準與接口。

三、軟件應用

采礦工程實驗實踐教學虛擬仿真軟件在理論教學、實驗教學、實踐教學中得到了廣泛應用，既可借助大屏、環(huán)幕等終端進行班級教學，也可借助VR設備、個人終端進行個體學習，也可通過互聯(lián)網(wǎng)平臺進行任意時間、任意地點、任意內容、任意人員的定制化學習。該軟件已在高校采礦工程專業(yè)教學以及礦山從業(yè)人員技能培訓方面進行了推廣應用，在實際應用中體現(xiàn)了以下優(yōu)勢：（1）提供了一套完整系統(tǒng)、直觀形象、經濟安全的立體化教程及虛擬仿真教學平臺，解決了以往采礦工程實驗教學資源緊張、工程實踐教學資源短缺、生產安全教育培訓環(huán)節(jié)缺失等問題。（2）打破了實驗實踐教學對場地、設備、師資、經費的依賴，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了任意時間、任意地點、任意內容、任意人員的定制化學習，改變了傳統(tǒng)的實驗實踐教學方法。（3）將實驗教學、實踐教學、安全培訓及所涉及的理論知識統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設，并納入統(tǒng)一平臺管理，保證了理論教學—實驗教學與實踐教學的相互銜接與貫通，實現(xiàn)了對學生實踐能力的動態(tài)跟蹤與考核。（4）借助虛擬仿真技術將高水平科研成果及優(yōu)秀工程案例轉化為教學資源，并納入本軟件平臺，加快了科研成果向教學資源的轉化速度，降低了轉化成本。

參考文獻：

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[5]教育信息化“十三五”規(guī)劃[Z].【教技[2016]2號】

[6]熊祖強，歐陽凱，韓亞峰.煤礦開采虛擬仿真實驗教學技術研究[J].中州煤炭，2015，（03）：80-82，88.

Development and Application of Virtual Simulation Software for Experiment and Practice Teaching of Mining Engineering

XU Jian-kun1，WANG Xiao-zhen1，ZHOU Rui2，WANG Ke3，LI Ying4

（1.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China;

2.Advanced Analysis & Computation Center，China University of Mining & Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China;3.School of Computer Science & Technology，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China;4.Department of Educational Administration，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Abstract：In the training of mining engineering talents，there are many problems such as the extreme risk working environment，a large number of experiments with high cost，high consumption and irreversible operation，difficulties in construction of practice base and transformation of high level scientific research achievements and excellent engineering cases and so on.In this paper，a teaching software is developed by virtual simulation technology to solve the problems，focusing on four teaching parts：experimental teaching，safety training，cognition practice and production practice.By determining accurately software functions，designing software structure，developing technical system and steps，finally，the virtual simulation software of mining engineering experiment practice teaching is successfully developed.The software is widely used in teaching relying on various terminals，showing remarkable advantages and effects and achieving highly recognition.

Key words：experiment and practice teaching;virtual simulation;software development;teaching platform