徐劍坤 王曉振 周蕊 王珂 李穎

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(shí)踐基地建設(shè)困難、大量高成本高消耗不可逆操作的實(shí)驗(yàn)、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(shí)驗(yàn)教學(xué)、安全培訓(xùn)、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確定位軟件功能，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)實(shí)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(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué);虛擬仿真;軟件開發(fā);教學(xué)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）37-0109-02

教育部《教育信息化“十三五”規(guī)劃》指出：“當(dāng)前，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)計(jì)算等新技術(shù)逐步廣泛應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)社會(huì)各行業(yè)信息化步伐不斷加快，社會(huì)整體信息化程度不斷加深，信息技術(shù)對(duì)教育的革命性影響日趨明顯?！被谶@一認(rèn)識(shí)，國家不斷推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合。作為信息技術(shù)的一種，虛擬仿真技術(shù)近年來在高等教育中得到了快速的普及與應(yīng)用[1-4]，該技術(shù)對(duì)解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目條件不具備或?qū)嶋H運(yùn)行困難，涉及高?；驑O端環(huán)境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓(xùn)練等問題[5]具有顯著優(yōu)勢。

一、開發(fā)背景

采礦工程專業(yè)旨在培養(yǎng)具備固體（煤、金屬及非金屬）礦床開采的基本理論和方法，具備采礦工程師的基本能力，能夠從事礦區(qū)開發(fā)規(guī)劃、礦山設(shè)計(jì)、礦山安全技術(shù)及工程設(shè)計(jì)、監(jiān)察、生產(chǎn)技術(shù)管理及科學(xué)研究的高等工程技術(shù)人才。人才培養(yǎng)中涉及大量工程案例、工程實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)與綜合訓(xùn)練，教學(xué)實(shí)踐中存在以下問題[6]：（1）高水平科研成果及優(yōu)秀工程實(shí)踐案例轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，周期長、成本高;（2）工程實(shí)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(shí)踐基地建設(shè)困難;（3）實(shí)習(xí)實(shí)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(duì)生產(chǎn)全貌認(rèn)知有限;（4）安全生產(chǎn)專業(yè)知識(shí)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(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、采礦工程國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(tái)，研發(fā)采礦工程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)虛擬仿真軟件。

二、軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

1.軟件功能定位。采礦工程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)虛擬仿真軟件以采礦工程專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)與綜合應(yīng)用為目的，利用虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)重構(gòu)虛擬空間，再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室與礦山生產(chǎn)場景，在高度逼真的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)認(rèn)知、設(shè)備仿真操作、專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)、過程跟蹤與考核評(píng)價(jià)等。本軟件既要作為理論環(huán)節(jié)的示教工具，也要作為實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)的教學(xué)平臺(tái)與資源，實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間、任意地點(diǎn)、任意內(nèi)容、任意人員的定制化學(xué)習(xí)。

2.軟件架構(gòu)?；诠δ芏ㄎ唬瑖@采礦工程人才培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、安全培訓(xùn)、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)軟件內(nèi)容架構(gòu)進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)。

虛擬實(shí)驗(yàn)室部分：以中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為藍(lán)本，根據(jù)儀器設(shè)備運(yùn)行原理及規(guī)律開發(fā)仿真儀器，根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程及可能結(jié)果開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)，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(shí)等五大類實(shí)驗(yàn);安全生產(chǎn)教育培訓(xùn)部分：以原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布的《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(shí)的工程實(shí)例，根據(jù)災(zāi)害事故發(fā)生機(jī)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(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、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(yùn)輸、調(diào)度、監(jiān)測監(jiān)控等礦山生產(chǎn)系統(tǒng)及其運(yùn)行過程;虛擬礦山工程實(shí)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(jì)、生產(chǎn)裝備選型與操作、礦壓觀測等工程實(shí)踐活動(dòng)。

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Visual Studio設(shè)計(jì)程序、使用MySQL制作數(shù)據(jù)庫、采用PhotoShop設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)虛擬仿真軟件在理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)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(jí)教學(xué)，也可借助VR設(shè)備、個(gè)人終端進(jìn)行個(gè)體學(xué)習(xí)，也可通過互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行任意時(shí)間、任意地點(diǎn)、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(shí)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(tái)，解決了以往采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源緊張、工程實(shí)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(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)對(duì)場地、設(shè)備、師資、經(jīng)費(fèi)的依賴，通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了任意時(shí)間、任意地點(diǎn)、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(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)方法。（3）將實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、安全培訓(xùn)及所涉及的理論知識(shí)統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)，并納入統(tǒng)一平臺(tái)管理，保證了理論教學(xué)—實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的相互銜接與貫通，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的動(dòng)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(tái)，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)：

[1]狄海廷，董喜斌，李耀翔，辛穎，石金龍.高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的可持續(xù)發(fā)展機(jī)制研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（05）：236-238，242.

[2]杜彥敏.基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)研究[J].教育教學(xué)論壇，2018，（15）：273-274.

[3]賀占魁，黃濤.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（02）：108-111，116.

[4]李平.推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用 提高高校教育教學(xué)質(zhì)量[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018，37（01）：1-4.

[5]教育信息化“十三五”規(guī)劃[Z].【教技[2016]2號(hào)】

[6]熊祖強(qiáng)，歐陽凱，韓亞峰.煤礦開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)研究[J].中州煤炭，2015，（03）：80-82，88.

Development and Application of Virtual Simulation Software for Experiment and Practice Teaching of Mining Engineering

XU Jian-kun1，WANG Xiao-zhen1，ZHOU Rui2，WANG Ke3，LI Ying4

（1.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China;

2.Advanced Analysis & Computation Center，China University of Mining & Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China;3.School of Computer Science & Technology，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China;4.Department of Educational Administration，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Abstract：In the training of mining engineering talents，there are many problems such as the extreme risk working environment，a large number of experiments with high cost，high consumption and irreversible operation，difficulties in construction of practice base and transformation of high level scientific research achievements and excellent engineering cases and so on.In this paper，a teaching software is developed by virtual simulation technology to solve the problems，focusing on four teaching parts：experimental teaching，safety training，cognition practice and production practice.By determining accurately software functions，designing software structure，developing technical system and steps，finally，the virtual simulation software of mining engineering experiment practice teaching is successfully developed.The software is widely used in teaching relying on various terminals，showing remarkable advantages and effects and achieving highly recognition.

Key words：experiment and practice teaching;virtual simulation;software development;teaching platform