采礦工程教學(xué)虛擬仿真軟件的開發(fā)

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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(shè)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(zhuǎn)化困難等問題，文章采用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)教學(xué)軟件。圍繞實驗教學(xué)、安全培訓(xùn)、認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)四個教學(xué)環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確定位軟件功能，設(shè)計軟件架構(gòu)，制定開發(fā)技術(shù)體系及步驟，最終成功研制了采礦工程實驗實踐教學(xué)虛擬仿真軟件。該軟件依托各種終端在教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用，并表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢與效果，獲得了較高認(rèn)可。

關(guān)鍵詞：實驗實踐教學(xué)；虛擬仿真；軟件開發(fā)；教學(xué)平臺

一、開發(fā)背景

人才培養(yǎng)中涉及大量工程案例、工程實踐、實驗與綜合訓(xùn)練，教學(xué)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(zhuǎn)化為教學(xué)資源，周期長、成本高；（2）工程實踐及綜合訓(xùn)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(chǎn)任務(wù)壓力，實踐基地建設(shè)困難；（3）實習(xí)實踐中，學(xué)生往往集中于礦山龐大生產(chǎn)系統(tǒng)的某一環(huán)節(jié)，對生產(chǎn)全貌認(rèn)知有限；（4）安全生產(chǎn)專業(yè)知識及技能教育培訓(xùn)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(xué)開展困難。虛擬仿真技術(shù)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(xué)示范中心、采礦工程國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心、江蘇省礦業(yè)工程虛擬仿真教學(xué)資源共享平臺，研發(fā)采礦工程實驗實踐教學(xué)虛擬仿真軟件。

二、軟件設(shè)計與開發(fā)

1.軟件功能定位。采礦工程實驗實踐教學(xué)虛擬仿真軟件以采礦工程專業(yè)知識的學(xué)習(xí)與綜合應(yīng)用為目的，利用虛擬現(xiàn)實、仿真技術(shù)與計算機技術(shù)重構(gòu)虛擬空間，再現(xiàn)實驗室與礦山生產(chǎn)場景，在高度逼真的環(huán)境中實現(xiàn)系統(tǒng)認(rèn)知、設(shè)備仿真操作、專業(yè)知識學(xué)習(xí)、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(xí)環(huán)節(jié)的教學(xué)平臺與資源，實現(xiàn)任意時間、任意地點、任意內(nèi)容、任意人員的定制化學(xué)習(xí)。2.軟件架構(gòu)。基于功能定位，圍繞采礦工程人才培養(yǎng)的實驗教學(xué)、安全培訓(xùn)、認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)四個教學(xué)環(huán)節(jié)，對軟件內(nèi)容架構(gòu)進(jìn)行了如下設(shè)計。虛擬實驗室部分：以中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程實驗教學(xué)中心為藍(lán)本，根據(jù)儀器設(shè)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(jié)果開發(fā)虛擬實驗，可進(jìn)行巖石力學(xué)、相似物理模擬、探測監(jiān)測技術(shù)、分析測試技術(shù)、采礦模型認(rèn)識等五大類實驗；安全生產(chǎn)教育培訓(xùn)部分：以原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局的《煤礦安全規(guī)程》及相關(guān)規(guī)范為依據(jù)，總結(jié)大量真實的工程實例，根據(jù)災(zāi)害事故發(fā)生機理、致災(zāi)規(guī)律及專家組認(rèn)定意見，制作煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程視頻教程、煤礦典型災(zāi)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(chǎn)系統(tǒng)漫游部分：以麥垛山煤礦、南梁煤礦等現(xiàn)代化生產(chǎn)礦井為藍(lán)本，運用虛擬現(xiàn)實、仿真技術(shù)，重構(gòu)高度逼真的三維場景，學(xué)生可以直觀、形象、全面地了解回采、掘進(jìn)、運輸、調(diào)度、監(jiān)測監(jiān)控等礦山生產(chǎn)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(lán)本重構(gòu)的虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以在回采工作面與掘進(jìn)工作面開展生產(chǎn)工藝設(shè)計、生產(chǎn)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(gòu)下，采用統(tǒng)一的技術(shù)體系，使用3DMax制作三維模型、使用Unity3D制作三維場景、使用VisualStudio設(shè)計程序、使用MySQL制作數(shù)據(jù)庫、采用PhotoShop設(shè)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(fēng)格一致，開發(fā)過程中制定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與接口。

三、軟件應(yīng)用

采礦工程實驗實踐教學(xué)虛擬仿真軟件在理論教學(xué)、實驗教學(xué)、實踐教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用，既可借助大屏、環(huán)幕等終端進(jìn)行班級教學(xué)，也可借助VR設(shè)備、個人終端進(jìn)行個體學(xué)習(xí)，也可通過互聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行任意時間、任意地點、任意內(nèi)容、任意人員的定制化學(xué)習(xí)。該軟件已在高校采礦工程專業(yè)教學(xué)以及礦山從業(yè)人員技能培訓(xùn)方面進(jìn)行了推廣應(yīng)用，在實際應(yīng)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(jīng)濟(jì)安全的立體化教程及虛擬仿真教學(xué)平臺，解決了以往采礦工程實驗教學(xué)資源緊張、工程實踐教學(xué)資源短缺、生產(chǎn)安全教育培訓(xùn)環(huán)節(jié)缺失等問題。（2）打破了實驗實踐教學(xué)對場地、設(shè)備、師資、經(jīng)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(nèi)容、任意人員的定制化學(xué)習(xí)，改變了傳統(tǒng)的實驗實踐教學(xué)方法。（3）將實驗教學(xué)、實踐教學(xué)、安全培訓(xùn)及所涉及的理論知識統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)，并納入統(tǒng)一平臺管理，保證了理論教學(xué)—實驗教學(xué)與實踐教學(xué)的相互銜接與貫通，實現(xiàn)了對學(xué)生實踐能力的動態(tài)跟蹤與考核。（4）借助虛擬仿真技術(shù)將高水平科研成果及優(yōu)秀工程案例轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，并納入本軟件平臺，加快了科研成果向教學(xué)資源的轉(zhuǎn)化速度，降低了轉(zhuǎn)化成本。

參考文獻(xiàn)：

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[3]賀占魁,黃濤.虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)探索[J].實驗技術(shù)與管理,2018,35(02):108-111,116.

[4]李平.推進(jìn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用提高高校教育教學(xué)質(zhì)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(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 中國礦業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析與計算中心 中國礦業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 中國礦業(yè)大學(xué)