采礦工程教學虛擬仿真軟件的開發

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摘要：為解決采礦工程人才培養中存在的高危極端作業環境、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秀工程案例轉化困難等問題，文章采用虛擬仿真技術開發教學軟件。圍繞實驗教學、安全培訓、認識實習、生產實習四個教學環節，準確定位軟件功能，設計軟件架構，制定開發技術體系及步驟，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，并表現出顯著優勢與效果，獲得了較高認可。

關鍵詞：實驗實踐教學；虛擬仿真；軟件開發；教學平臺

一、開發背景

人才培養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環境，受制于高危作業環境及生產任務壓力，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的某一環節，對生產全貌認知有限；（4）安全生產專業知識及技能教育培訓環節缺失；（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、江蘇省礦業工程虛擬仿真教學資源共享平臺，研發采礦工程實驗實踐教學虛擬仿真軟件。

二、軟件設計與開發

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知識的學習與綜合應用為目的，利用虛擬現實、仿真技術與計算機技術重構虛擬空間，再現實驗室與礦山生產場景，在高度逼真的環境中實現系統認知、設備仿真操作、專業知識學習、過程跟蹤與考核評價等。本軟件既要作為理論環節的示教工具，也要作為實驗、實習環節的教學平臺與資源，實現任意時間、任意地點、任意內容、任意人員的定制化學習。2.軟件架構。基于功能定位，圍繞采礦工程人才培養的實驗教學、安全培訓、認識實習、生產實習四個教學環節，對軟件內容架構進行了如下設計。虛擬實驗室部分：以中國礦業大學礦業工程實驗教學中心為藍本，根據儀器設備運行原理及規律開發仿真儀器，根據實驗過程及可能結果開發虛擬實驗，可進行巖石力學、相似物理模擬、探測監測技術、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督管理總局的《煤礦安全規程》及相關規范為依據，總結大量真實的工程實例，根據災害事故發生機理、致災規律及專家組認定意見，制作煤礦安全生產規程視頻教程、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；礦井生產系統漫游部分：以麥垛山煤礦、南梁煤礦等現代化生產礦井為藍本，運用虛擬現實、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、監測監控等礦山生產系統及其運行過程；虛擬礦山工程實踐部分：在以現代化礦井為藍本重構的虛擬環境中，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。在上述架構下，采用統一的技術體系，使用3DMax制作三維模型、使用Unity3D制作三維場景、使用VisualStudio設計程序、使用MySQL制作數據庫、采用PhotoShop設計界面。本軟件按模塊分步開發，并最后集成，為保持軟件連貫與風格一致，開發過程中制定了統一的標準與接口。

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，也可通過互聯網平臺進行任意時間、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教學以及礦山從業人員技能培訓方面進行了推廣應用，在實際應用中體現了以下優勢：（1）提供了一套完整系統、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節缺失等問題。（2）打破了實驗實踐教學對場地、設備、師資、經費的依賴，通過互聯網實現了任意時間、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一規劃、統一建設，并納入統一平臺管理，保證了理論教學—實驗教學與實踐教學的相互銜接與貫通，實現了對學生實踐能力的動態跟蹤與考核。（4）借助虛擬仿真技術將高水平科研成果及優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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[3]賀占魁,黃濤.虛擬仿真實驗教學項目建設探索[J].實驗技術與管理,2018,35(02):108-111,116.

[4]李平.推進虛擬現實技術應用提高高校教育教學質量[J].實驗室研究與探索,2018,37(01):1-4.

作者：徐劍坤 王曉振 周蕊 王珂 李穎 單位：中國礦業大學礦業工程學院 中國礦業大學現代分析與計算中心 中國礦業大學計算機科學與技術學院 中國礦業大學