呂文玉+曾佑富

摘要：分析了虛擬仿真技術(shù)在采礦工程專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，針對傳統(tǒng)采礦學(xué)課程教學(xué)中存在的問題，提出了采礦學(xué)課程虛擬仿真教學(xué)方法，使學(xué)生把理論學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實踐相結(jié)合，更好地領(lǐng)會和掌握專業(yè)知識，旨在實現(xiàn)提高課程教學(xué)質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；采礦學(xué)；課程教學(xué)

中圖分類號：G642.41 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）01-0147-02

虛擬仿真教學(xué)是指利用計算機軟件和具體實物共同模擬出現(xiàn)場的真實場景，使學(xué)生處于一種虛擬的情境下進行學(xué)習(xí)。該種教學(xué)方法可以利用接近于現(xiàn)實的工作場景進行教學(xué)，教學(xué)方法生動形象，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和加深對知識的理解。采礦學(xué)是采礦工程專業(yè)的主干課程和重要的專業(yè)必修課。該課程應(yīng)用實踐性強，需緊密結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)。將傳統(tǒng)的采礦學(xué)課程教學(xué)和虛擬仿真技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)點，使學(xué)生不受設(shè)備和場地的影響，能夠掌握更多的知識和技能，對于采礦學(xué)課程教學(xué)具有重要的意義。

一、虛擬仿真技術(shù)在采礦工程專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用

在采礦工程專業(yè)方面，東北大學(xué)針對采礦中圍巖巖體失穩(wěn)數(shù)值模擬計算、巖土力學(xué)實驗和采礦工藝優(yōu)化設(shè)計等所需的大型復(fù)雜實驗用的物理設(shè)備價格昂貴，且維護費用高和安全性差等缺點，建立了虛擬仿真教學(xué)中心，包括：采礦優(yōu)化設(shè)計虛擬仿真實驗室、巖石破裂過程與大規(guī)模并行計算數(shù)值模擬實驗室、礦山測量及數(shù)字礦山仿真實驗室和安全環(huán)境及裝備虛擬仿真實驗室，用于服務(wù)于全校本科生教學(xué)和研究生的課題研究。中國礦業(yè)大學(xué)構(gòu)建了“層次化、模塊化、多元化”的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，即“理論學(xué)習(xí)、工程訓(xùn)練和科研活動”3個模塊與“綜合與設(shè)計仿真實驗、創(chuàng)新與前沿仿真實驗和演示仿真實驗”3個層次，彼此相互交叉，融合滲透。建立了適合教學(xué)用的綜合性虛擬仿真實驗平臺，從而實現(xiàn)了虛擬仿真教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化管理和教學(xué)資源的智能化。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可以根據(jù)教學(xué)安排自由地選擇實驗內(nèi)容和實驗時間，自主地搭配實驗器材進行實驗，從而為提高采礦專業(yè)大學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力提供了一條新路。

二、傳統(tǒng)采礦學(xué)課程教學(xué)存在的問題

采礦學(xué)課程主要以講述煤礦地下開采為重點，包括煤礦開采的基本理論、采煤方法、礦井開拓和準(zhǔn)備方式以及開采設(shè)計的主要方法和基本原理，目的是使學(xué)生能夠?qū)γ旱V開采的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、生產(chǎn)系統(tǒng)和開采方式有一個比較全面和系統(tǒng)的了解。由于采礦學(xué)課程教學(xué)中存在實踐性強、交叉性強、內(nèi)容概念多和時空關(guān)系強的特點，使得傳統(tǒng)教學(xué)存在以下難點：

1.采礦學(xué)課程教學(xué)實踐性很強，學(xué)生因為沒有現(xiàn)場工作經(jīng)驗，對于采煤機械的操作過程，例如采煤機割煤、裝煤、掛板輸送機運煤、移架、掘進機掘進和錨桿支護等過程缺少認(rèn)識。

2.采礦學(xué)中重要的是巷道布置圖，且都是由平剖面圖組成的，由于學(xué)生缺少對現(xiàn)場的認(rèn)識，使對圖紙物化成為一個立體圖變得十分困難。

3.采礦學(xué)研究的對象之一是煤礦的生產(chǎn)系統(tǒng)，其中大的生產(chǎn)系統(tǒng)又包含很多子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)又需要依靠于礦井巷道系統(tǒng)來實現(xiàn)其功能，使得在教與學(xué)過程中理清各個系統(tǒng)之間的關(guān)系變得很困難。

4.采礦學(xué)課程研究內(nèi)容之間具有獨立性，同時也具有依存性。使得教與學(xué)存在很大的難度。

三、采礦學(xué)課程虛擬仿真教學(xué)方法

針對采礦工程專業(yè)的教學(xué)現(xiàn)實和專業(yè)特點，利用虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于采礦學(xué)課程教學(xué)環(huán)節(jié)，通過建立煤礦地下開采虛擬仿真系統(tǒng)，將教學(xué)中存在的難點重點內(nèi)容通過演示的方式實現(xiàn)虛擬和仿真化，加強學(xué)生對課程內(nèi)容的理解和掌握。

1.創(chuàng)建和完善煤礦開采虛擬仿真系統(tǒng)。在采礦學(xué)課程教學(xué)過程中，采用一或者多種教學(xué)方法結(jié)合，使學(xué)生沉浸于學(xué)習(xí)過程中。為了增強學(xué)生對煤礦開采的認(rèn)識和理解，針對我國煤礦地下開采的特點，利用虛擬仿真實驗平臺，根據(jù)礦山巷道的特點，對所有巷道分類和功能逐一展示給學(xué)生，共同構(gòu)建煤礦地下開采巷道虛擬仿真。主要講述的巷道包括：開拓巷道（井筒、井底車場、水倉、中央變電所和大巷等）、準(zhǔn)備巷道（上下山、采區(qū)變電所和采區(qū)車場等）、回采巷道（運輸巷、回風(fēng)巷和開切眼）、井筒方式（立井、斜井、平硐）和巷道分類（煤巷、巖巷和半煤巖巷道）等。根據(jù)巷道的用途以及圍巖等因素綜合考慮，將以上內(nèi)容相互聯(lián)系、交叉布置，統(tǒng)一構(gòu)成整個巷道系統(tǒng)。煤礦地下開采重要的一部分是礦井的生產(chǎn)系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的教學(xué)中是通過平剖面圖體現(xiàn)，學(xué)生理解困難。通過虛擬仿真環(huán)境可以使學(xué)生對生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生立體式的認(rèn)識，提高教學(xué)效率。主要生產(chǎn)系統(tǒng)包括：運煤系統(tǒng)、運料系統(tǒng)、排矸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和排水系統(tǒng)等?？梢酝ㄟ^平面展示利用不同顏色的箭頭表示不同的生產(chǎn)系統(tǒng)，輔以立體圖像演示。利用動態(tài)的虛擬仿真技術(shù)替代靜態(tài)的圖片教學(xué)，可以讓學(xué)生在場景和聲音的引導(dǎo)下，了解采煤工藝和巷道掘進的全過程。采煤工藝包括：采煤機割煤、移架、推掛板輸送機等過程。巷道掘進按照掘進方式不同，分別演示巷道爆破的基本工序，親身體驗炮眼的設(shè)計和布置工作，通過計算機模擬向?qū)W生展示爆破效果。以及綜合機械化掘進機作業(yè)工序，讓學(xué)生自主操作，加深對所學(xué)知識的理解和認(rèn)識。在仿真系統(tǒng)中，考慮巷道類型和功能，分別展示選用金屬支架支護、錨桿支護及聯(lián)合支護等支護方式和支護效果。采煤方法是采礦學(xué)課程中重要的一部分，傳統(tǒng)的教學(xué)只能依靠教師講述、平剖面圖和固定模型進行講解，無法達(dá)到滿意的效果。因為中國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，采煤方法多種多樣，通過傳統(tǒng)講述，學(xué)生很容易弄混，理解不清。通過虛擬仿真環(huán)境，可以使學(xué)生猶如處于煤礦生產(chǎn)中，可以加深對采煤方法的理解和認(rèn)識，并能在學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。采煤方法的內(nèi)容包括：單一走向長壁采煤法、傾斜長壁采煤法、放頂煤采煤法等。利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的煤礦地下開采系統(tǒng)，使用計算機，圖文并茂，能夠打破時空限制，一方面可以將采煤生產(chǎn)過程通過立體形式展示出來，另一方面可以較大范圍的將不可見空間直觀展示出來，提高學(xué)生的感知水平和學(xué)習(xí)興趣。

2.探索采礦學(xué)課程虛擬仿真教學(xué)模式。該模式由“課程導(dǎo)入”、“制定計劃”、“實施計劃”和“總結(jié)完善”四個環(huán)節(jié)組成：（1）在“課程導(dǎo)入”環(huán)節(jié)，主要包括二個內(nèi)容：一是借助虛擬仿真系統(tǒng)，導(dǎo)入教學(xué)任務(wù)及計劃目標(biāo)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)前有一個直觀的認(rèn)識；第二是利用虛擬仿真環(huán)境，讓學(xué)生明確自己需要完成的具體任務(wù)以及可以得到的知識和達(dá)到的水平。（2）在“制定計劃”環(huán)節(jié)，首先通過分析該課程的任務(wù)目標(biāo)，確定任務(wù)所涉及的各種要素，基于虛擬仿真系統(tǒng)，明確教學(xué)任務(wù)的實施步驟，制定出具體的教學(xué)方案，做好課程講授前的準(zhǔn)備工作。（3）在“實施計劃”環(huán)節(jié)，教師借助虛擬仿真系統(tǒng)對學(xué)生進行指導(dǎo)。（4）在“總結(jié)完善”環(huán)節(jié)，根據(jù)虛擬仿真教學(xué)過程中的學(xué)生反饋，查找問題，邊教學(xué)、邊總結(jié)，不斷改進教學(xué)方法和方案。endprint

3.堅持“以學(xué)生為主體，教師加以引導(dǎo)”的方針。在采礦學(xué)課程教學(xué)過程中，堅持“以學(xué)生為主體，教師加以引導(dǎo)”的方針。教學(xué)中教師應(yīng)尊重學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，盡量避免講述內(nèi)容的理論化，做到理論與生產(chǎn)實踐相結(jié)合，使學(xué)生在虛擬的生產(chǎn)實踐環(huán)境中，體會理論的重要性，提高教學(xué)效率。使學(xué)生參與到煤礦生產(chǎn)和技術(shù)改進的過程中，通過全新的教學(xué)環(huán)境和模式，使學(xué)生從被動接受變?yōu)橹鲃荧@取，從而培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，理解煤礦生產(chǎn)的內(nèi)涵。通過理論學(xué)習(xí)，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中不斷發(fā)現(xiàn)和解決問題。在學(xué)生學(xué)習(xí)的過程中，教師要對重要的問題予以指導(dǎo)解答，引導(dǎo)學(xué)生去利用所學(xué)知識來參加實踐，實現(xiàn)學(xué)思結(jié)合和實現(xiàn)理想現(xiàn)實一體化，從而挖掘出學(xué)生的學(xué)習(xí)潛力，力爭使學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和工程實踐能力得到提高。

4.培養(yǎng)學(xué)生的團結(jié)協(xié)作能力。采礦學(xué)課程教學(xué)除向?qū)W生傳授專業(yè)知識外，還培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。在虛擬仿真環(huán)境中，可以將學(xué)生分為幾個小組，使不同的學(xué)生負(fù)責(zé)不同的模塊。例如在煤礦開采工藝中，可以使不同的學(xué)生負(fù)責(zé)采煤、推掛板輸送機和移架工作，鍛煉學(xué)生的團結(jié)協(xié)作能力。要求學(xué)生在實施過程中記錄存在的問題，進行總結(jié)分析。學(xué)生通過不同的分工參與到整個生產(chǎn)過程中，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高對煤礦生產(chǎn)過程的理解。

在了解傳統(tǒng)采礦學(xué)課程教學(xué)存在的問題基礎(chǔ)上，可通過堅持以“學(xué)生為主體，教師加以引導(dǎo)”的方針、建立和完善煤礦開采虛擬仿真系統(tǒng)、改進教學(xué)方法和培養(yǎng)學(xué)生的團結(jié)協(xié)作能力，充分發(fā)揮教與學(xué)兩個方面的積極性和創(chuàng)造性，最終實現(xiàn)提高采礦工程專業(yè)采礦學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的目的。

參考文獻：

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[2]徐永圻.煤礦開采學(xué)[M].中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

Abstract：Based on the analysis of application of virtual simulation technology and problems in mining course teaching，the virtual simulation teaching method was proposed，which lets students combine theory study with production practice，better understands and masters professional knowledge and achieves the purpose of improving teaching quality.

Key words：virtual simulation；mining；course teachingendprint