張小波 姚池 武立功 楊建華 蔣水華

摘要：由于尾礦庫(kù)潰壩規(guī)模大、破壞性強(qiáng)，在實(shí)踐教學(xué)中開(kāi)展物理模型實(shí)驗(yàn)困難較大。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為一種創(chuàng)新型教學(xué)模式，在教育教學(xué)中得到了很好的應(yīng)用并已取得良好的效果。以南昌大學(xué)尾礦庫(kù)潰壩虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系為基礎(chǔ)，提出“一平臺(tái)、二定位、三層次、四模塊”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，闡明尾礦庫(kù)潰壩虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案及其特色，總結(jié)了虛擬仿真教學(xué)方案在實(shí)施過(guò)程中存在的兩個(gè)主要問(wèn)題，并提出了相應(yīng)解決對(duì)策。

關(guān)鍵詞：尾礦庫(kù)潰壩;實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：10052909（2021）05017708

尾礦庫(kù)是用來(lái)堆存尾礦的特殊工業(yè)建筑，是金屬礦山三大控制性工程之一，尾礦庫(kù)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于礦山生產(chǎn)管理有著至關(guān)重要的影響[1]。尾礦庫(kù)潰決后往往會(huì)導(dǎo)致重大災(zāi)害，造成嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。作為一種特殊的水工建筑物，尾礦庫(kù)的工程安全已成為礦山工程和水利工程研究的一個(gè)重要方向，但長(zhǎng)期以來(lái)并沒(méi)有得到足夠的重視。在現(xiàn)有的尾礦庫(kù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教學(xué)方式傳統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)方法落后、實(shí)驗(yàn)效率低等問(wèn)題日益突出，加之尾礦庫(kù)潰壩規(guī)模大，難以通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示，因此，無(wú)法向?qū)W生直觀展示尾礦庫(kù)潰壩災(zāi)害的嚴(yán)重性。隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案已被部分高校的本科教學(xué)所采用，也為尾礦庫(kù)工程安全的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新思路。

開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措[2]。虛擬仿真作為一種新興技術(shù)已經(jīng)在水利工程和土木工程的相關(guān)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中到了應(yīng)用[3-4]。在尾礦庫(kù)潰壩實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革中，應(yīng)積極借鑒現(xiàn)有的虛擬仿真應(yīng)用實(shí)例，基于虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建尾礦庫(kù)潰壩虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生對(duì)科研實(shí)驗(yàn)的興趣，提高創(chuàng)新探索能力，實(shí)現(xiàn)高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。南昌大學(xué)現(xiàn)有江西省尾礦庫(kù)工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室是國(guó)內(nèi)首個(gè)尾礦庫(kù)安全領(lǐng)域的省級(jí)科研平臺(tái)，通過(guò)與南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院的水利工程虛擬仿真中心結(jié)合，筆者所在團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了與尾礦庫(kù)工程相關(guān)的虛擬仿真本科教學(xué)方案探索。

一、 虛擬仿真應(yīng)用于尾礦庫(kù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

尾礦是由選礦廠(chǎng)排放的尾礦礦漿經(jīng)自然脫水后所形成的固體礦業(yè)廢料，是固體工業(yè)廢料的主要組成部分。尾礦庫(kù)通過(guò)筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成，用以貯存尾礦。在現(xiàn)有的尾礦庫(kù)中，安全投入不足，尾礦庫(kù)安全基礎(chǔ)薄弱，監(jiān)察、設(shè)計(jì)、施工中“先天不足”的問(wèn)題普遍存在。尾礦庫(kù)潰壩造成的重大災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。例如：2018年9月8日，山西省襄汾縣新塔礦區(qū)980平硐尾礦庫(kù)發(fā)生特別重大潰壩事故，泄砂波及下游500米左右的范圍，造成了277人死亡和近1億元人民幣的直接經(jīng)濟(jì)損失。2019年1月25日，巴西米納斯吉拉斯州一鐵尾礦壩決堤，潰壩后沖毀礦區(qū)辦公設(shè)施和附近居民社區(qū)，造成165人死亡、160人失蹤，被沖毀區(qū)域?qū)挾燃s150米且綿延數(shù)公里。

在實(shí)際潰壩事故的分析中，大多只關(guān)注尾礦庫(kù)潰決后的破壞形態(tài)，而對(duì)尾礦庫(kù)潰決過(guò)程的特點(diǎn)和規(guī)律缺乏直觀認(rèn)識(shí)。以巴西鐵尾礦庫(kù)潰壩為例，現(xiàn)有的資料僅能顯示潰壩后泥沙流的影響范圍和危害程度，而對(duì)于鐵尾礦庫(kù)潰決時(shí)壩體的潰決形態(tài)變化、潰決時(shí)泥沙流的演進(jìn)過(guò)程及潰壩的原因則難以考究。尾礦庫(kù)工程地質(zhì)條件和周邊地理環(huán)境對(duì)尾礦庫(kù)潰壩的影響很大，因此準(zhǔn)確掌握尾礦庫(kù)周邊的地形地貌條件，明確尾礦庫(kù)周邊的居民點(diǎn)以及重大財(cái)產(chǎn)分布是進(jìn)行尾礦庫(kù)潰壩分析的前提。然而，尾礦庫(kù)的地理位置一般較偏遠(yuǎn)，多位于山區(qū)溝谷，其庫(kù)區(qū)往往存在揚(yáng)沙、坡面失穩(wěn)等眾多安全隱患，難以在尾礦庫(kù)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。由于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地有限且開(kāi)展尾礦庫(kù)潰壩的實(shí)驗(yàn)成本高，因此利用物理模型進(jìn)行本科教學(xué)演示不太現(xiàn)實(shí)。可見(jiàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式很難滿(mǎn)足尾礦庫(kù)潰壩實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面開(kāi)展。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)由于其智能、便捷和高體驗(yàn)性已經(jīng)在教育教學(xué)中廣泛使用，多所高校也已經(jīng)開(kāi)始將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系在土木工程和水利工程等工科中應(yīng)用，并且取得了良好的教學(xué)效果[5-9]。傳統(tǒng)的模型試驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)方式已經(jīng)難以滿(mǎn)足尾礦庫(kù)潰壩相關(guān)的教學(xué)需求，在我國(guó)尾礦庫(kù)眾多，質(zhì)量良莠不齊的現(xiàn)狀下，創(chuàng)新教學(xué)研究方式，緊跟時(shí)代步伐，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于尾礦庫(kù)潰壩的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，形成一套創(chuàng)新、高效、實(shí)用、準(zhǔn)確的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案成為時(shí)下的迫切需求。

二、 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的建立

為克服傳統(tǒng)方式下尾礦庫(kù)潰壩實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，緩解教學(xué)模式落后和創(chuàng)新人才培養(yǎng)之間的矛盾，南昌大學(xué)水利工程虛擬仿真中心聯(lián)合江西省尾礦庫(kù)工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出“頂層設(shè)計(jì)、以虛促實(shí)、開(kāi)放共享”的建設(shè)理念，以江西省尾礦庫(kù)工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備資源，搭設(shè)尾礦庫(kù)潰壩虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。圖1給出了“一平臺(tái)、二定位、三層次、四模塊”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。

（一）一平臺(tái)

“一平臺(tái)”是指依托江西省尾礦庫(kù)工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和南昌大學(xué)水利工程虛擬仿真中心建立的尾礦庫(kù)潰壩虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

（二）二定位

“二定位”是指尾礦庫(kù)潰壩虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)既可以實(shí)現(xiàn)以教學(xué)為主的知識(shí)導(dǎo)向型輸入功能，又可以實(shí)現(xiàn)以研究為輔的能力培養(yǎng)型輸出功能。一方面可以通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，向?qū)W生展示尾礦庫(kù)潰壩過(guò)程、破壞形態(tài)、影響范圍等直觀的仿真效果，讓學(xué)生獲取有關(guān)尾礦庫(kù)潰壩的基礎(chǔ)知識(shí);另一方面還可以讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)不同的虛擬仿真方案，使用對(duì)比分析等方法考察尾礦庫(kù)潰壩的發(fā)生機(jī)制，并嘗試性地提出災(zāi)害預(yù)警對(duì)策，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力并開(kāi)發(fā)其研究性思維。

（三）三層次

“三層次”是指將尾礦庫(kù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)劃分為基礎(chǔ)認(rèn)知層次、專(zhuān)業(yè)模擬層次和創(chuàng)新探索層次?；A(chǔ)認(rèn)知層次指尾礦庫(kù)運(yùn)行及潰壩相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，建立尾礦庫(kù)的虛擬仿真三維模型。學(xué)生可通過(guò)電腦終端隨時(shí)查看尾礦庫(kù)結(jié)構(gòu)、地理環(huán)境和地形條件等信息，獲得沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行潰壩基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生獲得基本實(shí)驗(yàn)技能，突破傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)的限制。專(zhuān)業(yè)模擬層次指以工程實(shí)例為依托，對(duì)尾礦庫(kù)潰壩事故的原因、過(guò)程、后果等進(jìn)行模擬再現(xiàn)，進(jìn)而對(duì)潰壩的原因進(jìn)行探究，并對(duì)潰壩泥砂流的影響范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)。在此基礎(chǔ)上總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)尾礦庫(kù)的潰前災(zāi)害預(yù)測(cè)以及潰后災(zāi)害影響分析。創(chuàng)新探索層次指利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)創(chuàng)新型科研實(shí)驗(yàn)課題，例如對(duì)發(fā)生潰壩的可能機(jī)理開(kāi)展探索性試驗(yàn)，嘗試提出潰壩防災(zāi)的具體措施和方案。通過(guò)三個(gè)層次的尾礦庫(kù)潰壩虛擬仿真訓(xùn)練，逐步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科研能力。

（四）四模塊

“四模塊”包括無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量模塊、大型數(shù)值仿真分析模塊、實(shí)際效果模擬演示模塊、庫(kù)區(qū)潰壩災(zāi)害預(yù)警模塊。這四個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)了尾礦庫(kù)潰壩的建模、分析和教學(xué)研究的全過(guò)程虛擬仿真，是尾礦庫(kù)潰壩虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的基本組成部分。

1.無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量模塊

獲取尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)的地形地貌信息是建立尾礦庫(kù)潰壩虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，只有基于實(shí)景信息的仿真模型進(jìn)行教學(xué)演示才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量因其具有成本低、周期短、效率高等優(yōu)點(diǎn)，為地理信息的獲取、環(huán)境監(jiān)測(cè)、應(yīng)急指揮等提供了一條新的技術(shù)途徑，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景[10]。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量以攝取得到的地表照片為基礎(chǔ)，根據(jù)幾何特征和物理特征進(jìn)行量測(cè)和分析，從而確定地面上物體的形狀、大小、空間位置及相互關(guān)系。無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量工作可分為外業(yè)（數(shù)據(jù)獲?。┘皟?nèi)業(yè)（數(shù)據(jù)處理）兩大流程。外業(yè)的主要任務(wù)是通過(guò)無(wú)人機(jī)攜帶專(zhuān)業(yè)航測(cè)相機(jī)獲取航測(cè)影像，使用無(wú)人機(jī)的定位系統(tǒng)與地面控制站組成的實(shí)時(shí)差分系統(tǒng)獲取影像的POS數(shù)據(jù)，最后通過(guò)傳統(tǒng)測(cè)量模式獲取控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)的主要任務(wù)是通過(guò)對(duì)外業(yè)獲取的航測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取所需要的航測(cè)4D產(chǎn)品，使用APS系列軟件獲取相片的像素單元，以單位像片組成的一束光線(xiàn)作為一個(gè)平差單元，以中心投影的共線(xiàn)方程作為平差的基礎(chǔ)方程，通過(guò)各光線(xiàn)束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共光線(xiàn)實(shí)現(xiàn)最佳交會(huì)，從而確定地面所有點(diǎn)的空間位置信息，最后根據(jù)需求通過(guò)處理輸出DOM（數(shù)字正射影像圖）、DEM（數(shù)字高程模型）、DSM（數(shù)字表面模型）、DLG（數(shù)字線(xiàn)畫(huà)圖）[11]。采用Context-Capture Center進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可獲取航測(cè)地區(qū)的三維實(shí)景模型，圖2為無(wú)人機(jī)航測(cè)獲得的江西省鉛山縣永平尾礦庫(kù)的三維實(shí)景模型。由圖可知，實(shí)景模型可真實(shí)反映尾礦庫(kù)周邊的地形、地貌及建（構(gòu)）筑物等地理環(huán)境信息。通過(guò)在電腦上實(shí)時(shí)查看和分析三維實(shí)景模型，學(xué)生可以準(zhǔn)確把握尾礦庫(kù)整體情況及地理環(huán)境，加深對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的認(rèn)識(shí)和理解，打破傳統(tǒng)學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間限制，同時(shí)也可以避免現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的潛在危險(xiǎn)。

2.大型數(shù)值仿真分析模塊

為了實(shí)現(xiàn)尾礦庫(kù)潰壩的全過(guò)程演示，需建立合理的數(shù)值仿真模型來(lái)模擬潰壩后庫(kù)區(qū)水和尾砂等介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。尾礦砂有別于普通流體，在礦砂的模擬分析中涉及彈性力學(xué)、流體力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、巖土力學(xué)以及砂粒和水之間的多物理場(chǎng)耦合等相關(guān)知識(shí)。正確分析尾砂粒子之間錯(cuò)綜復(fù)雜的力學(xué)關(guān)系尤為困難，當(dāng)庫(kù)區(qū)面積較大，尾砂量巨大的情況下更是難上加難。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方式很難實(shí)現(xiàn)真實(shí)狀態(tài)下砂流行為的再現(xiàn)。基于有限元、有限差分、光滑粒子流體等原理的大型巖土水利計(jì)算軟件如Ansys、Fluent、Flow-3D、Mike、PFC等組成了強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算分析模塊，將無(wú)人機(jī)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析并建立計(jì)算網(wǎng)格，再利用計(jì)算機(jī)集群進(jìn)行計(jì)算加速。以江西省永平尾礦庫(kù)的虛擬仿真模擬為例，將航測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并導(dǎo)入Civil-3D軟件中進(jìn)行三維建模，然后將模型導(dǎo)入基于有限差分法的Flow-3D軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置以及計(jì)算時(shí)長(zhǎng)和時(shí)間步距的設(shè)置，利用Flow-3D進(jìn)行模擬計(jì)算可以得到砂流的流速、壓強(qiáng)以及任意時(shí)刻壩體的潰敗特征。此外，還可將模型導(dǎo)入其他的計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了潰壩過(guò)程仿真中的多角度分析、多方法比較、多理論驗(yàn)證，力求數(shù)值仿真分析過(guò)程的快速和高效。

3.實(shí)際效果模擬演示模塊

尾礦庫(kù)潰壩后的大致過(guò)程如下：尾礦壩發(fā)生漫頂后，潰壩水流開(kāi)始沖刷下游壩體，泥沙被不斷的夾帶和沖刷;壩體坡面下游形成初始沖槽，在水流的持續(xù)沖刷下，壩體表面的沖槽逐漸加深變寬;隨著潰口流量的加大和流速的加快，沖槽逐漸向壩體上游推進(jìn)，沖槽邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)坍塌，壩體隨之潰敗[12-13]。在數(shù)值仿真基礎(chǔ)上，運(yùn)用3DS-Max、Flow-3D以及RealFlow等軟件進(jìn)行實(shí)例建模，并對(duì)潰壩砂流進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示。以潰壩過(guò)程中壩體的破壞形態(tài)，潰壩砂流的流動(dòng)特征及對(duì)下游的淹沒(méi)區(qū)域?yàn)閷?duì)象進(jìn)行仿真再現(xiàn)。如圖3為發(fā)生漫頂潰壩時(shí)潰壩水流對(duì)壩體的侵蝕過(guò)程，在軟件中輸入相應(yīng)的壩體物理參數(shù)及邊界條件進(jìn)行仿真可以直觀地觀察沖槽的形成和發(fā)展過(guò)程。學(xué)生只需要根據(jù)實(shí)際的工程背景，改變壩體尺寸、材料的參數(shù)及流體的相關(guān)性質(zhì)，即可進(jìn)行壩體潰敗過(guò)程的模擬仿真。運(yùn)用Arcgis等軟件，導(dǎo)入之前無(wú)人機(jī)測(cè)繪得到的數(shù)據(jù)并進(jìn)行三維建模，可以完整呈現(xiàn)庫(kù)區(qū)周邊的地理環(huán)境及庫(kù)區(qū)的地形特征（如圖4所示）。在此基礎(chǔ)上，軟件可實(shí)現(xiàn)下泄尾砂量和尾砂覆蓋面積的計(jì)算，為尾礦庫(kù)潰決后災(zāi)害影響范圍的精確測(cè)量和控制提供方便。同時(shí)，流體的流速、壓力、深度、流量等信息也可以方便讀?。ㄈ鐖D5所示）。相比傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真技術(shù)在條件設(shè)置、流量控制、結(jié)果讀取、數(shù)據(jù)處理等方面為教學(xué)和科研提供了便利，也極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)和科研興趣。

4.庫(kù)區(qū)潰壩災(zāi)害預(yù)警模塊

辨識(shí)并獲取尾礦庫(kù)潰壩前兆信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)潰壩險(xiǎn)情的早期預(yù)警，是確保尾礦庫(kù)安全運(yùn)行的關(guān)鍵，也是當(dāng)前潰壩災(zāi)害領(lǐng)域的熱點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題，因此庫(kù)區(qū)潰壩災(zāi)害預(yù)警是尾礦庫(kù)潰壩虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)。

首先，通過(guò)尾礦庫(kù)潰壩全過(guò)程的虛擬仿真再現(xiàn)，讓學(xué)生對(duì)壩體潰決的動(dòng)態(tài)演化和最終結(jié)果有了初步的認(rèn)識(shí)。然后，結(jié)合庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)條件、周邊地形地貌特征，以及壩體和尾砂的物理力學(xué)性質(zhì)等影響因素進(jìn)行分析，指導(dǎo)學(xué)生考察潰壩的發(fā)生原因，并根據(jù)影響程度對(duì)不同因素進(jìn)行分類(lèi)分級(jí)，初步建立潰壩災(zāi)害誘因的模塊化分析方法。最后，指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)系統(tǒng)分析各類(lèi)因素在不同水平下對(duì)潰壩路徑及災(zāi)害演化過(guò)程的影響，建立潰壩預(yù)警指標(biāo)體系，并嘗試性地提出尾礦庫(kù)潰壩的綜合預(yù)警方法。在這一實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生分析尾礦庫(kù)潰壩災(zāi)害的誘因及其影響水平，培養(yǎng)學(xué)生利用專(zhuān)業(yè)知識(shí)分析具體問(wèn)題的能力，通過(guò)建立尾礦庫(kù)災(zāi)害預(yù)警模塊，提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建立的目標(biāo)

（一）構(gòu)建多層次教學(xué)培養(yǎng)方案，培養(yǎng)學(xué)生的科研熱情及創(chuàng)新能力

依照學(xué)?！芭囵B(yǎng)新時(shí)代創(chuàng)新型水利人才”的培養(yǎng)目標(biāo)，立足實(shí)際工程項(xiàng)目，從基礎(chǔ)性認(rèn)知到創(chuàng)新型探索，以循序漸進(jìn)的教學(xué)研究方式從知識(shí)導(dǎo)向過(guò)渡到科研訓(xùn)練，逐步培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣及熱情。將科研探索建立在實(shí)際工程上，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程中，將研究成果應(yīng)用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。人才培養(yǎng)立足社會(huì)實(shí)際需求，從獲取專(zhuān)業(yè)知識(shí)到培養(yǎng)創(chuàng)新能力，再到指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)中產(chǎn)學(xué)研的相互融合和相互促進(jìn)，為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提供平臺(tái)和有效方案。

（二）創(chuàng)新校企合作模式，創(chuàng)建創(chuàng)新型尾礦庫(kù)虛擬仿真平臺(tái)

在當(dāng)前尾礦庫(kù)安全隱患突出的情況下，學(xué)校加強(qiáng)與安監(jiān)部門(mén)、設(shè)計(jì)單位、生產(chǎn)單位和高水平信息技術(shù)公司合作，以實(shí)現(xiàn)信息交流、人才交流和技術(shù)交流。通過(guò)選派學(xué)生到生產(chǎn)單位實(shí)習(xí)，一方面可以及時(shí)獲取尾礦庫(kù)的最新資料，及時(shí)更新和優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)素材;另一方面還可以帶動(dòng)尾礦庫(kù)生產(chǎn)單位的校企合作，實(shí)現(xiàn)科研成果和技術(shù)的及時(shí)轉(zhuǎn)化，推動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)向先進(jìn)化、專(zhuān)業(yè)化和多維化發(fā)展。

四、尾礦庫(kù)潰壩虛擬仿真實(shí)際應(yīng)用存在的困難及解決策略

（一）仿真設(shè)備成本高，維護(hù)費(fèi)用高

無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)、RTK、相機(jī)以及APS等后處理軟件，每一部分的設(shè)備造價(jià)都很昂貴。除了設(shè)備的購(gòu)置外，在日常使用中的維護(hù)費(fèi)用也是一筆不小的開(kāi)支。設(shè)備長(zhǎng)期使用導(dǎo)致的損壞和老化大大影響航測(cè)精度和準(zhǔn)確性，為保證教學(xué)研究效果不受影響，必須及時(shí)維修和更換;因此，主管部門(mén)應(yīng)加大相關(guān)經(jīng)費(fèi)投入，以維持虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，通過(guò)開(kāi)展校企合作模式，可將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果提供給生產(chǎn)單位以便指導(dǎo)尾礦庫(kù)安全運(yùn)營(yíng)和管理，作為回報(bào)，生產(chǎn)單位可為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室設(shè)備更換和維修、日常運(yùn)行和管理提供必要的經(jīng)費(fèi)支持。

（二） 技術(shù)及設(shè)備更新較快

隨著設(shè)備及技術(shù)的不斷迭代更新，新型科技產(chǎn)品和技術(shù)手段的出現(xiàn)也推動(dòng)著實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。高仿真、多感知、高自主性的VR（Virtual Reality）技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于安全工程教學(xué)[14]，立體化感知型課堂設(shè)計(jì)大大提高了教學(xué)效果。基于AI（Artificial Intelligence）技術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)始應(yīng)用于學(xué)生個(gè)性化自適應(yīng)學(xué)習(xí)方法培養(yǎng)，真正做到因材施教，幫助學(xué)生建立更適合個(gè)體特征的學(xué)習(xí)環(huán)境和訓(xùn)練策略，極大地提高了教育教學(xué)的“智能化”水平[15]。更多的新技術(shù)還在不斷涌現(xiàn)，及時(shí)創(chuàng)新教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)方式是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)的難點(diǎn)，也是尾礦庫(kù)潰壩實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃和持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路;因此，應(yīng)及時(shí)將前沿科技與尾礦庫(kù)潰壩實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，及時(shí)更新和完善教學(xué)方案，以進(jìn)一步提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

五、 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的改革對(duì)提高尾礦庫(kù)潰壩教學(xué)研究水平至關(guān)重要。南昌大學(xué)尾礦庫(kù)潰壩虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的提出與實(shí)踐為學(xué)生提供了自主實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)平臺(tái)，幫助學(xué)生學(xué)以致用，培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，有效解決了學(xué)校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)與實(shí)驗(yàn)資源不足之間的矛盾，為虛擬仿真技術(shù)與工程學(xué)科教學(xué)的結(jié)合提供了新思路。為此，學(xué)院將繼續(xù)加大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系的投入，加快虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)操作管理人員的培訓(xùn)，不斷更新技術(shù)和設(shè)備，最大化地發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，全面提高學(xué)校教學(xué)育人和科學(xué)研究水平。

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