劉寶 羅靜 李延鋒

摘要：論文首先對《礦山機械》課程傳統(tǒng)實踐教學(xué)中存在的問題進行了闡述，繼而對虛擬仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中的優(yōu)勢及不足進行了分析，最后結(jié)合教學(xué)實踐，指出“虛實結(jié)合”是《礦山機械》課程實踐教學(xué)提質(zhì)提效的有效手段及根本原則。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù);礦山機械;實踐教學(xué)

中圖分類號：G642.4? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）39-0221-02

數(shù)十年來，高校工科教學(xué)為我國各行業(yè)培養(yǎng)了眾多的應(yīng)用型人才，但是，其傳統(tǒng)實踐教學(xué)仍存在明顯的局限性，而虛擬仿真技術(shù)在工科專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用及深化，可以彌補其短板，并正在成為提升工科實踐教學(xué)的重要手段。

一、《礦山機械》課程傳統(tǒng)實踐教學(xué)的現(xiàn)狀及分析

《礦山機械》是河南理工大學(xué)機械類專業(yè)的特色專業(yè)課程，內(nèi)容涵蓋煤礦地面及井下重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機械裝備相關(guān)知識。該課程多年來一直沿襲課堂理論教學(xué)和演示性實驗教學(xué)相結(jié)合的校內(nèi)教學(xué)模式，同時，開課前還有赴相關(guān)企業(yè)現(xiàn)場的認識實習(xí)，以使學(xué)生提前了解礦山機械的結(jié)構(gòu)、功能、應(yīng)用及制造過程。

《礦山機械》課程傳統(tǒng)實踐教學(xué)目前所面臨的困擾主要有以下幾方面：

1.校內(nèi)實驗室裝備配備方面：經(jīng)過2002—2012年煤炭行業(yè)十年黃金期的發(fā)展，涉煤礦山機械已普遍向重型化、大功率、高效率、自動化等方向發(fā)展，實驗室原有實物樣機在結(jié)構(gòu)、功能、性能上已遠遠落后于現(xiàn)場應(yīng)用，無法承載教學(xué)服務(wù)現(xiàn)場的專業(yè)培養(yǎng)目標要求。但若更換老舊實物樣機，在經(jīng)費及實驗室空間等方面都存在困難。

2.企業(yè)現(xiàn)場實習(xí)方面：復(fù)雜多裝備協(xié)同作業(yè)、機物聯(lián)動、真切的空間尺度感及現(xiàn)場視聽感，是企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場有別于校內(nèi)實驗教學(xué)的突出特點。然而，煤礦井下生產(chǎn)及裝備系統(tǒng)因安全原因無法接收多人次的現(xiàn)場實踐教學(xué)，僅有地面運輸及提升等有限裝備可供學(xué)生觀摩。

3.實踐教學(xué)方法方面：校內(nèi)實驗教學(xué)形式基本為教師對老舊樣機的演示性教學(xué)，這使得學(xué)生的學(xué)思過程只能體現(xiàn)為被動理解及跟隨。

4.實踐指導(dǎo)教師方面：雙師型教師缺乏，實踐教學(xué)水平、實驗內(nèi)容及方法相較現(xiàn)場技術(shù)明顯滯后;而生產(chǎn)現(xiàn)場實習(xí)信息量大，時效性突出，但實習(xí)時間集中，企業(yè)工程師時常因故無法做全程講解，而年輕帶隊教師又無法勝任現(xiàn)場裝備及工藝技術(shù)的適時講解，致使現(xiàn)場實習(xí)走馬觀花、蜻蜓點水情況普遍。

二、虛擬仿真技術(shù)在《礦山機械》課程實踐教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢

虛擬仿真實驗是虛擬仿真技術(shù)（又稱虛擬現(xiàn)實技術(shù)）在教學(xué)及科研中的重要應(yīng)用形式。虛擬仿真實驗教學(xué)綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建逼真的實驗環(huán)境和實驗對象，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展安全、經(jīng)濟及高效的實驗，進而達到真實實驗不具備或難以實現(xiàn)的教學(xué)效果。[1-2]教育部教高函2018年5號文指出，國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目是推進現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)項目、拓展實驗教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學(xué)時間和空間、提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措[3]。對《礦山機械》課程而言，虛擬仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用具有如下優(yōu)勢：

1.減少實物樣機購置費用，優(yōu)化實驗室裝備及空間等資源的利用。

2.可使學(xué)生安全、便捷、多角度、全過程審視課程所涉綜采綜掘等機械裝備的結(jié)構(gòu)、工作過程及工作環(huán)境，且不受現(xiàn)場光線、噪音、煙塵等的影響。

3.集中實驗和利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分散實驗均可實施，實驗時間靈活，并可依需多次重復(fù)進行。

4.能方便調(diào)整所模擬作業(yè)過程不同環(huán)節(jié)的時長比例，便于突出重要過程，壓縮非關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提高時間利用率及實踐教學(xué)效果。

5.可實現(xiàn)虛擬裝備動作的自主操控，通過人機互動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。

6.可實現(xiàn)誤操作和運行故障提醒，以及場景展現(xiàn)，拓展現(xiàn)場實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

7.可對諸如綜采工作面生產(chǎn)中的多機協(xié)同作業(yè)，進行多人協(xié)同配合操作，提高學(xué)生的協(xié)作意識及對復(fù)雜多機聯(lián)動生產(chǎn)系統(tǒng)運作方式的認識。

8.專職教師指導(dǎo)，學(xué)生分組次在微機室內(nèi)進行，可避免多組學(xué)生短時集中現(xiàn)場實習(xí)時部分指導(dǎo)教師專業(yè)性不夠?qū)е碌膶嵺`效果不佳現(xiàn)象。

三、虛擬仿真技術(shù)在《礦山機械》課程實踐教學(xué)中應(yīng)用的不足

在工科專業(yè)課程實踐教學(xué)應(yīng)用中，單純地強調(diào)虛擬化存在明顯不足，對于《礦山機械》課程實踐教學(xué)而言，虛擬仿真技術(shù)的不足之處主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1.桌面顯示虛擬仿真實踐教學(xué)通過電腦屏幕平面展示視覺信息的形式缺少現(xiàn)場感。

2.虛擬仿真實踐教學(xué)中裝備動作的操控多利用彈出窗口等形式實現(xiàn)，缺少實際操控過程中的觸覺和力覺感受。

3.運用VR技術(shù)的虛擬仿真實踐教學(xué)中，視覺感受與身體所處實際環(huán)境的不同，會導(dǎo)致一些出于本能的姿態(tài)的不恰調(diào)整，甚至?xí)白陨怼?/p>

4.VR虛擬環(huán)境中的操作者位置、方向或運動速度改變時，由于失去了現(xiàn)實體位變化感受的參照，使實驗操作者對虛擬視景中的尺度感明顯弱化，會帶來對實際生產(chǎn)過程認識理解上的偏差。

四、《礦山機械》課程實踐教學(xué)的“虛實結(jié)合”

“虛實結(jié)合，能實不虛”是虛擬仿真實踐教學(xué)的根本原則。對于《礦山機械》課程實踐教學(xué)而言，“虛”指計算機等技術(shù)建立的虛擬礦機實體、工況場景、運行過程等，而“實”指礦機實體、實體操作和動作過程，以及現(xiàn)場生產(chǎn)工況環(huán)境等，物理仿真樣機的教學(xué)實踐也可以看作“實”?！疤摗陛o助及服務(wù)于應(yīng)用的“實”，是優(yōu)化教學(xué)過程的重要手段;“實”體現(xiàn)了工科教育“服務(wù)現(xiàn)場，滿足應(yīng)用”人才培養(yǎng)目標的本質(zhì)，是工科專業(yè)課程教學(xué)的歸宿。

河南理工大學(xué)煤礦開采虛擬仿真實驗教學(xué)中心，2013年被評為河南省虛擬仿真實驗教學(xué)中心。中心實驗教學(xué)資源中的煤礦機電仿真實驗?zāi)K為《礦山機械》課程的實踐教學(xué)提供了強大支撐。該模塊的采礦裝備虛擬仿真實驗臺，可使學(xué)生通過操縱操作臺上的按鈕和手柄，實現(xiàn)對環(huán)形屏幕上三維虛擬場景中采煤機、掘進機，以及提升機等煤礦裝備工作狀態(tài)的操控;而模塊中以采煤機、刮板輸送機和液壓支架為核心裝備的綜采工作面配套設(shè)備物理仿真樣機實驗平臺，可滿足學(xué)生對裝備的動手操作及演示觀摩。該實驗?zāi)K以“虛實結(jié)合”的形式，讓學(xué)生展開對主要礦山機械結(jié)構(gòu)、工作原理以及操作規(guī)范的學(xué)習(xí)，使課程實踐教學(xué)效果得到顯著提升。

《礦山機械》課程實踐教學(xué)的探索與實踐顯示，“虛實結(jié)合”可以實現(xiàn)教學(xué)效果的提質(zhì)提效，但以下幾方面需要給予關(guān)注：

1.虛擬實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計應(yīng)以課堂教學(xué)內(nèi)容為主線，結(jié)合礦山機械現(xiàn)場應(yīng)用，盡可能使諸如裝備的結(jié)構(gòu)拆裝形式、操作方式，以及運行過程等與現(xiàn)場應(yīng)用相一致。

2.建立虛擬仿真實驗臺及物理仿真樣機實驗平臺，既應(yīng)能實現(xiàn)對裝備結(jié)構(gòu)及運行過程的展示，并應(yīng)可滿足進行必要的動作操作。

3.合理選擇礦山機械實體樣機關(guān)鍵部件構(gòu)建實驗臺，與虛擬仿真試驗相結(jié)合，既有利于學(xué)生抓住重點，又有利于對相關(guān)機械結(jié)構(gòu)及工作過程的系統(tǒng)化學(xué)習(xí)。

4.結(jié)合專業(yè)課程課堂教學(xué)，合理規(guī)劃赴礦山機械生產(chǎn)廠家及煤礦的實習(xí)時間，規(guī)劃好實習(xí)重點內(nèi)容，讓學(xué)生適時了解以機物聯(lián)動為核心技術(shù)的多裝備協(xié)同作業(yè)體系的運作形式及特點，并把握核心裝備的關(guān)鍵技術(shù)。

論文通過分析指出《礦山機械》課程傳統(tǒng)實踐教學(xué)存在的弊端，繼而對虛擬仿真技術(shù)在《礦山機械》課程實踐教學(xué)中應(yīng)用優(yōu)勢及不足進行分析，并指出虛擬仿真技術(shù)能夠?qū)γ旱V井下裝備系統(tǒng)的實踐教學(xué)進行優(yōu)化，提升教學(xué)效果。但過分強調(diào)虛擬化，則會使實踐教學(xué)偏離“服務(wù)現(xiàn)場，滿足應(yīng)用”的根本。最后結(jié)合課程虛擬實踐教學(xué)工作的探索，認為“虛實結(jié)合”是《礦山機械》課程實踐教學(xué)提質(zhì)提效的有效手段。

參考文獻：

[1]陳國輝.虛擬仿真實驗教學(xué)中心實驗教學(xué)體系建設(shè)[J].實驗室研究與探索，2015，34（8）：169-172.

[2]曲淑英，周志新，吳江龍，侯興民.工程力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心資源建設(shè)[J].實驗室研究與探索，2017，36（12）：172-175.

[3]教育部.關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知[Z].2018.

Research on the Application of Virtual Simulation Technology in Practice Teaching of Mineral Machinery Course

LIU Bao，LUO Jing，LI Yan-feng

（School of Mechanical and Power Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454000，China）

Abstract：The problems existing in traditional practice teaching of Mineral Machinery course are put forward.Both the advantages and the disadvantages of virtual simulation technology applying in the practice teaching are analyzed.Combining with teaching practice，the Virtual-Actual Combination is pointed out as an effective measure for the practice teaching of Mineral Machinery course to improve effect.

Key words：virtual simulation technology;Mineral Machinery;practice teaching