楊天鴻 張春明 于慶磊 朱萬成 張鵬海

摘要：傳統(tǒng)的實驗教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)不適應(yīng)新形勢對創(chuàng)新人才能力培養(yǎng)的要求，不能體現(xiàn)時代特色和新的教育觀念，缺乏理論聯(lián)系實際的有效方法。虛擬仿真實驗不但可以獲得與真實實驗相同的體會，而且可以規(guī)避真實實驗或操作可能帶來的各種危險，還可以打破時空限制。在保證教學(xué)效果的前提下還可以極大地節(jié)省成本，具有傳統(tǒng)實驗室難以比擬的優(yōu)勢。通過金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)，我們對傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容實施大刀闊斧的改革，在發(fā)展的過程中始終遵循“物理實驗與虛擬實驗并重”、“校內(nèi)學(xué)習(xí)與校外實踐并重”、“科學(xué)研究指導(dǎo)教學(xué)實踐”、“理論學(xué)習(xí)與工程應(yīng)用并重”的教學(xué)理念，走出一條產(chǎn)學(xué)研有機結(jié)合的新路。讓學(xué)生主動參與虛擬實驗的設(shè)計和開展創(chuàng)新型實驗，有利于創(chuàng)新人才能力培養(yǎng)，也有利于實現(xiàn)“教與學(xué)的互動、理論與實踐的結(jié)合、能力與興趣的共增”的教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；虛擬仿真；實驗教學(xué)；金屬礦山；巖石力學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）17-0140-06

一、發(fā)展歷程

東北大學(xué)是一所以工科為主的多科性、研究型國家重點大學(xué)，是國家“211工程”、“985工程”和“雙一流”重點建設(shè)高校。資源與土木學(xué)院是東北大學(xué)重點建設(shè)的四大工科學(xué)院之一，現(xiàn)有四個一級學(xué)科博士點。目前學(xué)院形成了以采礦工程首批國家重點學(xué)科為龍頭，資源與土木兩大學(xué)科群為主體，七個學(xué)科協(xié)同發(fā)展的局面。由于計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的快速發(fā)展為大型復(fù)雜采礦、巖土工程設(shè)計等提供了可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實驗方法與手段，學(xué)校和學(xué)院近年來十分重視虛擬仿真實驗及實驗室的建設(shè)?！笆晃濉钡健笆濉逼陂g，累計投入建設(shè)經(jīng)費2000余萬元，用于虛擬教學(xué)環(huán)境、虛擬實驗室條件、師資隊伍與實驗改革等方面的建設(shè)。經(jīng)過多年的不懈努力和發(fā)展建設(shè)，我院建成了全國唯一的一個國家級金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采虛擬仿真教學(xué)實驗中心。由于金屬礦山無論是采礦方法還是硬巖巖石力學(xué)特性明顯不同于其他礦山，因此本中心的建立對于學(xué)生認(rèn)知金屬礦山復(fù)雜的采礦工藝和巖石力學(xué)性質(zhì)具有重要的意義，也是對國家礦業(yè)工程一級學(xué)科建設(shè)的重要補充。

中心的發(fā)展歷程可大致分為四個階段，分別為探索與積累階段、初步建設(shè)階段、快速發(fā)展階段以及形成系統(tǒng)教學(xué)平臺階段，如圖1所示。

第一階段：探索與積累階段（1995—2004年）

東北大學(xué)金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采虛擬仿真實驗教學(xué)中心始建于1995年，是資源勘查工程、采礦工程、測繪工程、工程力學(xué)、安全工程等專業(yè)教學(xué)、科研的重要基地。

1995年，王青教授歸國后建立起國內(nèi)第一個礦山設(shè)計優(yōu)化仿真系統(tǒng)，成為中心雛形建立的重要標(biāo)志及成果。同時為中心下屬采礦優(yōu)化設(shè)計虛擬仿真實驗室的建立奠定了基礎(chǔ)。隨后，在1996年，唐春安教授開發(fā)出國內(nèi)第一個巖石破裂過程仿真系統(tǒng)軟件RFPA，為中心成立初期的重要成果。同時為中心下屬巖石破裂過程與大規(guī)模并行計算數(shù)值實驗室的建立奠定了基礎(chǔ)。

第二階段：初步建設(shè)階段（2005—2008年）

2005年，以逐漸完善的東北大學(xué)巖石破裂過程仿真模擬系統(tǒng)作為技術(shù)支撐平臺，中心先后在國內(nèi)外10余所高校建立了巖體力學(xué)數(shù)值仿真教學(xué)中心和實驗室，不斷加強和其他高校合作的同時擴大了中心自身的影響力。2005—2006年，依托巖石破裂過程仿真模擬系統(tǒng)的《巖石破裂過程數(shù)值試驗》獲遼寧省教學(xué)成果一等獎。2006年，引進(jìn)加拿大勞倫特大學(xué)礦山虛擬仿真系統(tǒng)，包括大屏幕被動立體虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)硬件及GOCAD軟件，同時外派部分中心內(nèi)人員赴加拿大培訓(xùn)、進(jìn)修。至此，中心內(nèi)軟、硬件均已基本齊全，人員素質(zhì)得到一定提升，中心水平得到了一次整體提升。

第三階段：快速發(fā)展階段（2009—2012年）

經(jīng)過多年的積累與建設(shè)，中心已初具規(guī)模。在該階段，中心不斷加強教學(xué)模式上的創(chuàng)新，將虛擬仿真領(lǐng)域內(nèi)的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)的重要輔助手段，幫助學(xué)生理解課程內(nèi)容。

2009年，中心獲批遼寧省巖土力學(xué)與工程示范教學(xué)中心。2009—2010年，中心所授課程《巖石力學(xué)》獲省精品課。2011—2012年，中心先后與中視典數(shù)字科技有限公司、上海天域時捷信息系統(tǒng)有限公司以及上海華弓數(shù)字科技有限公司合作，對原有虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行了升級。2012年，中心所授課程《采礦學(xué)》獲國家級精品課。

第四階段：形成系統(tǒng)教學(xué)平臺階段（2013—2017年）

經(jīng)過這一階段的發(fā)展，中心至2013年已形成了系統(tǒng)性的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，虛擬仿真成為教學(xué)的重要內(nèi)容。2013年，建立東北大學(xué)—山東招金集團(tuán)有限公司國家級工程實踐教育中心。2014年，中心所授課程《采礦學(xué)》獲國家級教學(xué)成果獎。2015年，東北大學(xué)采礦與巖土工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心獲批省級虛擬仿真教學(xué)中心，為中心今后的發(fā)展提供了更好的契機。2016年，金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采虛擬仿真實驗教學(xué)中心獲批國家級虛擬仿真教學(xué)實驗中心，我們以此為契機對中心軟硬件設(shè)施進(jìn)行了大規(guī)模改造，并取得了預(yù)期成果。

二、系統(tǒng)構(gòu)建

中心的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)施建設(shè)要求具備前瞻性、實用性、穩(wěn)定性、可靠性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、兼容性、靈活性和擴展性。

1.系統(tǒng)應(yīng)用模式。中心的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)兼?zhèn)浣虒W(xué)演示和科研功能，支持多種顯示模式，包括：（1）大屏幕顯示模式：兩通道/單通道大型弧幕沉浸式主動立體虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供了大屏幕立體顯示模式，而且對觀察位置沒有要求，適用于多人多角度觀看的工作模式要求。當(dāng)需要播放演示文稿等非立體素材時，立體顯示模式會自動切換為平面顯示模式。（2）多窗口顯示模式：根據(jù)不同的應(yīng)用需求，可將多臺計算機的輸出結(jié)果以開窗口形式在大屏幕上顯示。每次最多可開4個窗口，并且窗口大小、位置可任意調(diào)整；支持單屏、跨屏、多窗口疊加和跨通道顯示；可實現(xiàn)多路動/靜態(tài)信號窗口的縮放、移動、漫游等功能，并且窗口的顯示內(nèi)容在不同分辨率下不發(fā)生變形。（3）交互操作模式：在立體顯示模式下通過人機交互設(shè)備，對虛擬場景進(jìn)行虛擬交互操作，以主視點的角度來完成交互操作。通過中控系統(tǒng)可以實現(xiàn)幾種應(yīng)用模式的一鍵切換，操作方便快捷。

2.系統(tǒng)整體設(shè)計。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)支持多通道立體和平面顯示，支持交互操作，能夠為教學(xué)和科研提供完整軟硬件支撐環(huán)境，其層次結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

各部分組成描述如下：（1）主動立體投影顯示系統(tǒng)，包含：①高分辨率、高亮度、高清晰度、色彩還原逼真、能在室內(nèi)正常照明環(huán)境下顯示清晰明亮圖像、刷新率達(dá)120Hz的主動立體激光投影機；②信號矩陣；

③支持主動立體融合，并且融合帶寬度可調(diào)，提供像素級別幾何校正，運行流暢，無卡頓的純硬件圖像融合處理器；④主動立體眼鏡；⑤用于在3D眼鏡與大屏幕之間實現(xiàn)精確同步，以便讓左右眼睛分別看到不同畫面的紅外發(fā)射器等。（2）圖形生成系統(tǒng)，其中網(wǎng)絡(luò)信號傳輸系統(tǒng)支持4路有線和無線網(wǎng)絡(luò)信號同時上屏顯示，可連接用戶數(shù)不低于40人。利用開窗口功能可抓取多路矩陣輸入信號顯示在大屏幕上。（3）人機交互系統(tǒng)，由控制主機、紅外捕捉攝像頭、三維交互手柄和眼點跟蹤標(biāo)記點組成，可實現(xiàn)三維虛擬空間環(huán)境內(nèi)與虛擬場景和物體的交互操作，并配有虛擬頭盔顯示系統(tǒng)。（4）音響系統(tǒng)，包括話筒、功放、音箱等，以滿足課堂演示和會議對聲音處理的要求。（5）中控系統(tǒng)，包括主機、強電繼電器、無線觸摸控制屏及無線路由器，可對投影機、矩陣、圖像融合處理器、燈光等進(jìn)行集中控制。

3.實驗室布局設(shè)計。主實驗室占地約90平方米，其中東西向長15000mm，南北寬5900mm。一塊大型弧形硬幕將設(shè)備機房與其他區(qū)域隔離開來，余下空間根據(jù)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)功能和設(shè)備特點，經(jīng)過精心規(guī)劃和科學(xué)安排，從前到后依次劃分為演示區(qū)、研發(fā)區(qū)、測試區(qū)和學(xué)生電腦區(qū)，如圖3、圖4所示。

其中演示區(qū)內(nèi)的大型弧幕沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可供實驗室內(nèi)的師生遠(yuǎn)距離觀看三維立體效果；演示區(qū)前方的空地可供穿戴無線頭戴式顯示器的師生使用。穿戴式虛擬現(xiàn)實設(shè)備可以提供更好的沉浸感和交互性體驗，缺點是一套設(shè)備同時只能供一人使用，受眾面小，且必須提供足夠的活動空間。將穿戴式虛擬現(xiàn)實設(shè)備與大型弧幕主動立體激光高清投影系統(tǒng)完美地結(jié)合，取長補短，使之互不干擾，可以大幅提升教學(xué)質(zhì)量，取得事半功倍的效果；研究區(qū)用于學(xué)生開發(fā)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用程序，以便教學(xué)內(nèi)容可以根據(jù)自身需要不斷更新，實踐訓(xùn)練可以及時跟上技術(shù)的發(fā)展。研究區(qū)的每臺計算機均配備了有線頭戴式顯示器。由于有線頭戴式顯示器受線纜長度的約束，活動范圍有限，因此在其后方開辟測試區(qū)，供程序測試使用；學(xué)生電腦區(qū)支持以班級為單位同時進(jìn)行虛擬仿真實驗，能夠滿足日常的課堂教學(xué)和虛擬仿真實驗要求。另外，教室后面還配備一臺會議投影機用于學(xué)術(shù)討論，可接駁矩陣和筆記本電腦輸出信號。

4.搭建虛擬仿真實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)開放平臺（網(wǎng)站）。為了滿足虛擬仿真實驗教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需要，中心建立了金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采虛擬仿真實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)開放平臺，以解決虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)、整合、開放、共享問題，再輔之以虛擬化實驗應(yīng)用管理、實驗學(xué)術(shù)資源共享管理、虛擬仿真實驗教學(xué)管理、實驗數(shù)據(jù)分析查詢系統(tǒng)，將“有限的實體實驗教學(xué)空間”拓展成為“無限的虛擬實驗教學(xué)空間”，實現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)資源開放共享的目的。平臺提供了豐富的多媒體素材庫和三維模型庫，開設(shè)了采礦學(xué)等網(wǎng)絡(luò)精品課，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的開放式教學(xué)和優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的深度共享。學(xué)生通過虛擬仿真實驗教學(xué)平臺進(jìn)行注冊，獲取虛擬仿真教學(xué)資源，進(jìn)行虛擬仿真訓(xùn)練。平臺主界面如圖5所示。

三、教學(xué)課程設(shè)置

中心主要承擔(dān)采礦工程、資源勘查工程、測繪工程、安全工程和工程力學(xué)等本科專業(yè)的課程實驗教學(xué)、設(shè)計實踐教學(xué)、工程訓(xùn)練實踐教學(xué)。根據(jù)不同專業(yè)的教學(xué)需要，在虛擬仿真實驗教學(xué)中實施了分類教學(xué)，如為采礦、巖土、安全、資源勘查、測繪、力學(xué)專業(yè)學(xué)生開設(shè)基礎(chǔ)型實驗、設(shè)計型實驗、綜合型實驗，部分學(xué)生選作創(chuàng)新型實驗。中心作為大學(xué)生課外科技創(chuàng)新設(shè)計與制作的主要支撐單位，為全校各類本科生創(chuàng)新競賽和研究生課題研究提供服務(wù)，負(fù)責(zé)為其提供設(shè)備儀器、場所和指導(dǎo)。此外，中心還承擔(dān)數(shù)值仿真計算、數(shù)字礦山模擬、虛擬優(yōu)化設(shè)計等科研課題研究，解決在采礦工藝優(yōu)化設(shè)計、巖土力學(xué)實驗、采礦圍巖失穩(wěn)數(shù)值仿真模擬等大型復(fù)雜實驗中遇到的物理實驗設(shè)備昂貴、維護(hù)費用高以及采礦現(xiàn)場安全性差等問題。

中心的組織結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。中心下設(shè)礦山測量與數(shù)字礦山虛擬仿真實驗室、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)值實驗室和安全環(huán)境及裝備虛擬仿真實驗室共4個虛擬仿真實驗室，開設(shè)了各類虛擬仿真實驗，涉及各類課程50余門。下面僅以采礦優(yōu)化設(shè)計虛擬仿真實驗室為例，將其開設(shè)的采礦優(yōu)化設(shè)計虛擬仿真實驗項目及對應(yīng)的課程列于表1。學(xué)生通過相關(guān)課程的學(xué)習(xí)可以深入地認(rèn)識露天礦和地下礦的建設(shè)過程、生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)，每種采礦方法的采準(zhǔn)、切割、回采過程，是采礦學(xué)、井巷工程、鑿巖爆破、數(shù)字礦山、礦山機械等課程重要的教學(xué)輔助手段。學(xué)生還可利用該實驗室進(jìn)行礦山開拓、井巷掘進(jìn)、礦房回采的仿真設(shè)計，展示大學(xué)生創(chuàng)新實驗相關(guān)成果，顯著提高了學(xué)生對采礦相關(guān)課程和工程設(shè)計的學(xué)習(xí)效果，有利于培養(yǎng)學(xué)生的原理運用與實踐創(chuàng)新設(shè)計能力，深受學(xué)生的歡迎。

四、特色與創(chuàng)新

1.建立理論教學(xué)與實踐教學(xué)相銜接、物理實驗與虛擬仿真實驗相對應(yīng)、課堂講授與計算機輔助教學(xué)相結(jié)合的多種實驗教學(xué)形式和內(nèi)容體系。眾所周知，采礦工程、測繪工程、資源勘查工程、安全工程等專業(yè)課的實踐性強，與生產(chǎn)實際結(jié)合緊密，除了要求學(xué)生理解相關(guān)理論和方法，還要求他們能夠聯(lián)系實際解釋工程施工過程中的巖土體失穩(wěn)、破壞問題及防護(hù)機理。但受現(xiàn)場條件、人力、物力和財力以及難度等因素的制約，教學(xué)中很難采用現(xiàn)場物理試驗或?qū)嶒炇以佻F(xiàn)的方法進(jìn)行驗證，即缺乏理論聯(lián)系實際的有效方法。另一方面，利用數(shù)值計算、虛擬仿真和可視化技術(shù)，對巖石的變形與破裂過程進(jìn)行數(shù)值仿真和試驗，不僅可以幫助學(xué)生掌握理論知識，深刻理解工程設(shè)計原理，加深對未知現(xiàn)象的探索，提高學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，而且可以克服傳統(tǒng)現(xiàn)場工程實踐周期長、危險性大以及巖石實驗觀測難、分析難、重復(fù)難等多種弊端，為采礦、巖土工程實驗教學(xué)改革提供新的輔助教學(xué)手段。在東北大學(xué)“211”二期“礦山安全高效及綠色開采技術(shù)”項目驗收過程中，專家認(rèn)為巖石破裂失穩(wěn)實驗室（數(shù)值仿真試驗和物理實驗相結(jié)合的教學(xué)體系）建設(shè)是應(yīng)用現(xiàn)代高新技術(shù)改造傳統(tǒng)學(xué)科的成功范例。

2.構(gòu)建以開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維、鍛煉創(chuàng)新能力的實驗研究與學(xué)術(shù)交流有機結(jié)合的實踐創(chuàng)新教學(xué)模式。由傳統(tǒng)以教促學(xué)的學(xué)習(xí)方式代之以學(xué)生通過自身與虛擬環(huán)境的相互作用來獲得知識和技能的新型學(xué)習(xí)方式，有助于學(xué)生全身心地投入學(xué)習(xí)環(huán)境中去，也有利于學(xué)生的創(chuàng)新技能培養(yǎng)。目前，社會對大學(xué)畢業(yè)生全面素質(zhì)的要求越來越高，尤其體現(xiàn)在創(chuàng)新精神和實踐能力上，培養(yǎng)出具有高素質(zhì)創(chuàng)新精神和實踐能力的人才已成為高等教育成功的重要標(biāo)志。學(xué)生主動參與虛擬實驗的設(shè)計和開展創(chuàng)新型實驗，有利于實現(xiàn)“教與學(xué)的互動、理論與實踐的結(jié)合、能力與興趣的共增”的教學(xué)目標(biāo)。

3.將科研成果應(yīng)用到采礦工程及巖石力學(xué)的實驗教學(xué)中，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研深度融合，鼓勵更多的本科生參與科研實踐，在促進(jìn)科研工作的同時提供本科生的創(chuàng)新能力，形成具有金屬礦山特色的以科研促實驗的教學(xué)模式和技能訓(xùn)練體系。比如，將大量有關(guān)硬巖巖石力學(xué)特性、地壓災(zāi)害控制以及復(fù)雜采礦工藝優(yōu)化等方面的科研成果（已獲多項國家科技進(jìn)步獎）引入實驗教學(xué)當(dāng)中，利用現(xiàn)代計算技術(shù)和虛擬現(xiàn)實可視化技術(shù)實現(xiàn)采礦工程和巖石破壞復(fù)雜現(xiàn)象的計算機再現(xiàn)。再如，目前尚沒有實驗方法能夠讓學(xué)生了解采礦工程施工過程復(fù)雜的巖石介質(zhì)中的應(yīng)力場，我們通過建立現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)面測試、應(yīng)力場微震測試與動態(tài)開采應(yīng)力場力學(xué)并行計算信息綜合集成可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)了采場圍巖應(yīng)力場的動態(tài)演示與分析，便于學(xué)生理解采場地壓的變化特征。

4.實行開放式管理，以提高學(xué)生科學(xué)研究和工程實踐創(chuàng)新能力、培養(yǎng)知識能力和實踐動手素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的研究發(fā)展型人才為主線，構(gòu)筑具有先進(jìn)設(shè)備和先進(jìn)管理體制的實踐平臺以及與理論教學(xué)改革相協(xié)調(diào)的實驗教學(xué)體系。開放實驗室不但可以提高實驗室資源利用率，發(fā)揮資源的最大效益，而且對調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，提高動手能力，培養(yǎng)高質(zhì)量的創(chuàng)新人才具有十分重要的意義。本中心在滿足學(xué)院本科生虛擬仿真實驗教學(xué)的前提下，向全校本科生和研究生開放，并為各類創(chuàng)新競賽活動提供服務(wù)。

5.以東北大學(xué)新建的東北區(qū)域超算中心和云計算中心為契機，結(jié)合我校在金屬礦山安全高效開采領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，應(yīng)用先進(jìn)的云服務(wù)技術(shù)構(gòu)建擴展性與兼容性好、內(nèi)容豐富、獨具特色的金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，以解決虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)、整合、開放、共享問題，再輔之以虛擬化實驗應(yīng)用管理、實驗學(xué)術(shù)資源共享管理、虛擬仿真實驗教學(xué)管理、實驗數(shù)據(jù)分析查詢系統(tǒng)，將“有限的實體實驗教學(xué)空間”拓展成為“無限的虛擬實驗教學(xué)空間”，實現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)資源開放共享的目的，起到國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的引領(lǐng)和示范作用，更好地為培養(yǎng)具有實踐創(chuàng)新能力的人才提供服務(wù)。通過虛擬仿真平臺的建設(shè)還可以擴大虛擬仿真實驗資源的共享范圍，滿足跨地區(qū)和學(xué)科專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)需要。

6.加強與國內(nèi)外高校的合作，積極推廣我們的教學(xué)研究成果，同時吸收兄弟院校先進(jìn)的虛擬仿真實驗教學(xué)管理經(jīng)驗。我們開發(fā)的一系列礦山和巖土工程虛擬設(shè)計、仿真計算、巖石力學(xué)分析輔助教學(xué)軟件系統(tǒng)曾被列入國家教育部的中國網(wǎng)格計劃“ChinaGrid”，當(dāng)時成為我國高校唯一入選、并將通過中國網(wǎng)格計劃推廣的巖土工程類教學(xué)軟件系統(tǒng)。由東北大學(xué)開發(fā)的具有自主知識版權(quán)的巖石破裂過程分析系列軟件以及出版的《巖石破裂過程數(shù)值試驗》、《采動巖體破壞與巖層移動數(shù)值試驗》等系列教材在國內(nèi)外多家高校和科研院所相關(guān)專業(yè)使用，10余所高校還建立了由東北大學(xué)提供教學(xué)技術(shù)支持的巖土力學(xué)數(shù)值試驗室，每年涉及教學(xué)課程40余門，涉及本科學(xué)生3500多人。另一方面，我們通過學(xué)習(xí)和借鑒兄弟院校先進(jìn)的虛擬仿真實驗教學(xué)經(jīng)驗，從多途徑獲取優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源，不斷開發(fā)內(nèi)容先進(jìn)、共享范圍廣、效果好的虛擬仿真實驗項目，

7.加強與企業(yè)的合作，共建和共享資源，并在實踐教學(xué)中充分利用企業(yè)的優(yōu)質(zhì)設(shè)備資源、人力資源與技術(shù)資源，做到“物理實驗與虛擬實驗并重”、“校內(nèi)學(xué)習(xí)與校外實踐并重”、“理論學(xué)習(xí)與工程應(yīng)用并重”，切實提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。近年來為鞍鋼礦業(yè)集團(tuán)、山東招金集團(tuán)等礦山企業(yè)培訓(xùn)科技人員400余名，利用先進(jìn)的虛擬仿真手段為企業(yè)提供技術(shù)培訓(xùn)與新產(chǎn)品開發(fā)服務(wù)，已協(xié)助企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品100余個。

五、教學(xué)成果

中心自成立以來取得了豐碩的教學(xué)成果。近5年來，共斬獲國家教學(xué)成果二等獎1項、入選國家級精品課2門、國家精品教材1部、“十二五”規(guī)劃教材5部；獲遼寧省二等以上教學(xué)成果獎8項、遼寧省優(yōu)秀網(wǎng)絡(luò)課程獎6項、冶金部教改成果一等獎1項、冶金部優(yōu)秀教材一等獎1項、入選遼寧省精品課5門、遼寧省優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊1個、遼寧省教學(xué)名師3名；獲東北大學(xué)教學(xué)成果特等獎1項；出版教材、專著30多種；發(fā)表教改論文50余篇；開發(fā)各類專用虛擬仿真軟件80余套。

在本中心做虛擬仿真實驗的各專業(yè)學(xué)生踴躍參加全國性大獎和創(chuàng)新實驗，并履獲殊榮。以采礦專業(yè)學(xué)生為例，通過參加采礦學(xué)等一系列虛擬仿真課程訓(xùn)練和教學(xué)實踐，最終獲得全國采礦工程專業(yè)本科實踐作品大賽一等獎3項，二等獎4項，獲全國大學(xué)生創(chuàng)新大賽獎1項，獲遼寧省網(wǎng)絡(luò)課程大賽二等獎1項，獲批東北大學(xué)本科生創(chuàng)新實驗項目3項。

中心還獲得了多項重大科研獎勵，包括國家科技進(jìn)步二等獎4項，省部級科技進(jìn)步二等獎3項，中國黃金協(xié)會科技進(jìn)步特等獎1項等諸多獎項，這些科研成果有力促進(jìn)了實踐教學(xué)發(fā)展。中心基于自身的學(xué)科與科研優(yōu)勢，始終堅持采礦優(yōu)化設(shè)計虛擬仿真緊密與現(xiàn)場實踐相結(jié)合，利用先進(jìn)的物理實驗平臺驗證學(xué)生的虛擬仿真實驗結(jié)果，增強學(xué)生的理性認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生的工程分析能力與創(chuàng)新思維。通過虛擬仿真實驗解決大型礦山生產(chǎn)流程復(fù)雜、物理實驗平臺成本高、操作危險、難于共享的難題，成為產(chǎn)學(xué)研合作成功典范。

在實驗教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)不但可以獲得與真實實驗相同的體會，而且可以規(guī)避真實實驗或操作可能帶來的各種危險，還可以打破時空限制?？傊ㄟ^金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)，進(jìn)一步深化了我們始終堅持的“物理實驗與虛擬實驗并重”、“校內(nèi)學(xué)習(xí)與校外實踐并重”、“科學(xué)研究指導(dǎo)教學(xué)實踐”、“理論學(xué)習(xí)與工程應(yīng)用并重”的教學(xué)理念。另一方面，讓學(xué)生主動參與虛擬實驗的設(shè)計和開展創(chuàng)新型實驗，有利于創(chuàng)新人才的能力培養(yǎng)，也有利于實現(xiàn)“教與學(xué)的互動、理論與實踐的結(jié)合、能力與興趣的共增”的教學(xué)目標(biāo)。