采矿工程虚拟仿真实验实践教学系统应用研究作者：李少波 朱传奇 王磊 胡浩刘保善
来源：《科技创新导报》2021年第20期 摘 要：采矿工程专业课程是一门专业性、实践性较强的课程。传统的采矿工程专业实验、实践教学模式比较单一，缺乏真实感和互动性，实验、实践教学模式需要创新。为了提升教学水平和效果，基于虚拟仿真技术，建立采矿工程专业课程虚拟仿真教学系统，应用到采矿工程实验实践教学中，为采矿工程专业课程提供实践教学平台。通过采用互联网+虚拟仿真技术进行线上实践教学，可以实现较好的教学成果，不仅减少了教师、学生的工作量，降低了现场实践的安全风险，而且还提高了教学效果和管理水平。 关键词：虚拟仿真 采矿工程 实践教学 系统
盖形螺母 中图分类号：TD80-4;G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（b）-0109-03
Application Research of Virtual Simulation Experiment Practice Teaching System in Mining Engineering
LI Shaobo* ZHU Chuanqi WANG Lei HU Hao
（State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines， Anhui University of Science and Technology， Huainan， Anhui Province， 232001 China）
Abstract： The course of mining engineering is a professional and practical course. The traditional experimental and practical teaching mode of mining engineering specialty is relatively single， lack of authenticity and interaction， and the experimental and practical teaching mode needs innovation. In order to improve the teaching level and effect， based on virtual simulation technology， a virtual simulation teaching system for Mining Engineering courses is established and applied to the experimental and practical teaching of Mining Engineering， so as to provide a practical teaching platform for Mining Engineering courses. Through the Internet+ virtual simulation technology， online practice teaching can achieve better teaching results， not only reduce the workload of teachers and students， reduce the safety risks of field practice， but also improve the teaching effect and management level.枳橙
Key Words： Virtual simulation; Mining engineering; Practice teaching; System
采礦工程专业本科学生需要参加专业课程实验教学以及现场生产实践实习，然而，当前采矿工程专业课程实验教学模式存在学生兴趣低、互动性差、耗时长、费用高、安全性差等问题[1-2]，改进教学模式迫在眉睫。近年来，随着科技的进步，虚拟仿真技术被广泛应用于各高校学科专业的实验教学实践中[3-6]，在实验教学中表现出巨大优势。虚拟仿真是可以创建和体验虚拟世界的计算机模拟系统，虚拟仿真教学具有沉浸式、可互动、高效率、可重复、无危险、易共享等优点，教师可以利用虚拟仿真技术创新教学方法，提高教学水平和效果。
目前，虚拟仿真实验教学系统被越来越多专业如土木工程、岩石力学等应用到实验教学课程中，采矿工程专业也在探索虚拟仿真教学，取得了较好的效果，受到了高校专业课师生的关注和广泛好评[7-10]。虚拟仿真技术不仅能很好地帮助高等学校教师开展实验和实践教学，同时可以推广应用到中小学教学课程中，具有高效率、可互动、节约成本、教学效果显著的特点。
1 采矿工程实验实践教学现状与存在问题
1.1 采矿工程专业课程实验实践教学现状
采矿工程是一门系统性、专业性、复杂性的工程，采矿工程涉及采煤、掘进、运输、支护、通风等环节，采矿工程专业涉及煤矿开采、巷道掘进、巷道支护等专业，其中需要学习的专业理论课程包括《煤矿开采学》《井巷工程》等。目前实验课教学方式主要是教师先讲解课程实验原理，然后讲台上示范实验过程和仪器使用步骤，学生分组进行操作，得出实验数据，填入实验报告，学生动手参与的机会很少，互动性较差，教学效果不好。
现场实践教学环节部分，学生需要在指导教师陪同下深入煤矿一线实地学习，目前实践教学环节模式比较单一，主要是由于矿井一线条件比较复杂，进入一线采煤工作面后，基于学生安全考虑，学生在现场无法操作设备，仅仅是参观，更不能互动，学习效果较差。
学习这门专业课程不仅仅要掌握理论知识，更需要培养学生的综合能力，尤其是创新能力，但是目前采矿工程专业课程实验实践教学模型比较单一，学生兴趣普遍不大，因此，教师在实验、实践学习环节更要创新方法，让学生能够互动参与到课程中，增加学生学习兴趣，提高教学管理水平和质量。
1.2 采矿工程专业课程实验实践教学存在的问题
1.2.1 教学模式比较单一
实验室教学环节中，学生在指导教师讲解后按照实验要求开展实验，一般采矿工程专业课程实验教学是参观模型，大部分是教师讲解，学生听课，实验教学方法与实验内容相对单一，学生的学习兴趣无法得到充分的调动。
1.2.2 学生参与感较低
采矿工程实验课程的授课模式目前主要以教师为主、学生为辅，教师在讲台上讲课、示范，学生被动地听，简单地模仿，教学过程中师生缺少交流、讨论，没有活跃的学习氛围，学生要参与感较低。
1.2.3 安全风险大
现场实践环节中，学生要深入煤矿一线实地学习，但由于目前矿井一线条件比较恶劣，基于学生安全考虑，且学生未经过专业的培训，面对井下复杂的环境，学生安全风险较大，因此学生仅仅能参观，无法参与，更不能互动，学习效果较差。
2 采矿工程专业课程虚拟仿真教学系统
2.1 虚拟仿真技术简介
本校虚拟仿真实验室为实验教学提供了一个大场景宽视野的3D教学环境，通过虚拟现实技术以及三维建模技术，创造出一个1∶1的虚拟场景。教师采用交互设备，模仿真实世界的实验、实践教学过程，学生佩戴3D立体眼镜，通过操作VR手柄，仿佛置身于真实的操作环境中。
通过虚拟仿真实践操作系统、动作捕捉系统，以人机交互方式进入虚拟场景，使学生亲身体验采矿全过程，以及在教师指导下通过动作捕捉系统包括3D立体眼镜、VR手柄操控工作面大型机械设备如采煤机、掘进机等，互动性较好。
2.2 采矿工程虚拟仿真教学系统
采矿工程虚拟仿真实验教学系统依托高端的硬件设备环境，结合学校采矿工程专业课程设置与虚拟仿真实验教学需求，提供多种不同的教学环境，为教学提供了一个高分辨率、宽视角的立体显示环境，搭配立体扩音系统，可以满足不同形式的立体教学和多媒体
教学，该环境同时布置了动作捕捉系统、虚拟仿真教学应用平台，用于完成各项教学工作。
根据采矿工程现场实际情况，通过LED小间距立体显示系统、动作捕捉系统、虚拟仿真系统平台、音响系统、集中式设备管理系统等建立采矿工程虚拟仿真教学系统，逼真还原矿井工业广场、井筒、主要大巷、采煤工作面、大型设备如采煤机、掘进机等。
本系统实验步骤步骤如下。
（1）登录开放式虚拟仿真实验教学平台。系统提前分配教师及学生账号，教师账号具有管理员特权，可以实时掌握学生实验进展情况。
（2）选择进入虚拟仿真实验项目。通过输入账号密码进入系统后，选择进入虚拟仿真实验项目，目前已开发的实验模块包括采煤工作面采煤机操作、掘进工作面掘进操作、采煤工作面超前支护等。
（3）选择不同教学科目（包含地面广场及井下采煤工作面、掘进工作面等）并使用鼠标、键盘，以及VR手柄、3D立体眼镜进行操作，学习该教学科目内容。
（4）根据提示要求进入情景教学。采矿工程虚拟仿真教学系统设置了情景教学，情景包括首次来到矿井实践实习、首次进入采煤工作面等，对学生进行全方位指导，帮助学生完成教学任务。
实心锥形喷嘴 3 采矿工程虚拟仿真实验实践教学系统建立意义
通过建立采矿工程虚拟仿真实验实践教学系统，打破了传统教学模式，创新了教学方法，对采矿工程专业课程实验教学具有积极的意义，主要意义如下。
3.1 拓展实验实践空间和时间
虚拟仿真实验能够充分利用互联网和采矿工程数值虚拟仿真软件资源，弥补了传统实验、实践教学的不足，极大地扩展了采矿工程实验实践的空间和时间，这种学习模式有着较大的优势。
3.2 丰富实践教学模式
虚拟仿真实验教学丰富了实验的教学方法和实验内容，实现了采矿工程实验和实践教
学的虚实结合。现代虚拟仿真教学中，可以充分展示矿井工业广场、各个井筒，使学生足不出户便能学习到煤矿地面及井下各系统的配合及运作，增进学生对煤矿的全面了解。
3.3 提高学生学习主动性
通过虚拟仿真实验实践教学，使学生对采矿工作专业及日后从事的专业工作环境有了深刻、系统的理解，可增强学生对专业的认识，提高学生学习的主动性，为学生今后的工作打下坚实的基础。便携式行李车
4 结语
通过本虚拟仿真实验教学系统，将采矿工程专业课程理论教学和实验教学进行有机融合，将采矿工程专业理论、大型采矿设备操作和科研探索集成于虚拟仿真互动系统中，实现理论、实践和创新的有机结合，实现理论学习、知识探索和科技探索的互补结合。本虚拟仿真系统使得采矿工程这门复杂、系统的学科能够直观、立体地展示在学生眼前，有利于培养学生的知识综合应用能力及分析问题和解决问题的能力，激发学生学习的主动性和创造性，提高学生的学习積极性和学习效率。
参考文献
[1] 李永武.采矿工程专业实验教学模式的改革与探索[J].科技创新导报，2017，14（6）：230-231.
[2] 王少勇，周勃，孙金海，等.采矿工程实验教学探索——科研型实验室向教学型实验室转化[J].科教文汇，2018（4）：59-60.
[3] 毛继泽，曲嘉，夏培秀.SHPB虚拟仿真实验教学项目的研究与开发[J].实验技术与管理，2021，38（1）：187-190.
[4] 徐文彬，王晓纯，李品德.基于虚拟仿真技术的金属矿开采仿真教学系统设计与构建[J].金属矿山，2021（3）：169-175.
[5] 王晓蕾.基于互联网的采矿虚拟仿真教学模式研究[J].吕梁学院学报，2020，10（2）：78-80.
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