陳見行，劉 鵬，張 村

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083）

采礦概論B 是中國礦業(yè)大學(xué)（北京）為非采礦工程和非安全工程專業(yè)開設(shè)的一門通識教育必修課，其目的是幫助本校內(nèi)非采礦和非安全專業(yè)的學(xué)生們了解中國煤炭的開采現(xiàn)狀及世界煤炭開采的發(fā)展?fàn)顩r。目前，該課程已經(jīng)在中國礦業(yè)大學(xué)（北京）多個專業(yè)開展授課，包括土木工程、工業(yè)工程和法學(xué)專業(yè)等。但該課程在授課過程中也存在一些問題，例如所授課的對象為外專業(yè)學(xué)生，學(xué)生對于煤炭開采和煤礦地質(zhì)沒有前期的理論知識基礎(chǔ)，因此在學(xué)習(xí)該課程時對礦井的開拓、采煤方法及煤層產(chǎn)狀等專業(yè)知識理解不清，造成學(xué)習(xí)上的困難。為了解決該問題，本文提出在實驗課程中將三維物理模型試驗和虛擬仿真實驗進行結(jié)合，以增強學(xué)生對理論知識的理解，達到提高學(xué)習(xí)效果的目的。

一、實驗教學(xué)體系

在實驗教學(xué)過程中，通過對物理模型進行講解，并讓學(xué)生動手操作這些物理模型，讓學(xué)生們熟悉采礦工程中的巷道及采煤設(shè)備等；在此基礎(chǔ)之上，通過對虛擬仿真系統(tǒng)進行講授，并讓學(xué)生親自操作虛擬仿真系統(tǒng)中的采礦設(shè)備，讓學(xué)生掌握采礦工程中的工序和流程，從而可以更好地與理論知識相結(jié)合，強化所學(xué)習(xí)的理論知識。下面分別從物理模型實驗和虛擬仿真實驗操作兩方面進行闡述。

（一）物理模型實驗

為了幫助本科生更好地熟悉和掌握采礦工程專業(yè)的相關(guān)知識，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）采礦工程專業(yè)建設(shè)了采礦工程實驗室，在該實驗室中布置了井田開拓和采礦設(shè)備等傳統(tǒng)模型；此外，為了開拓學(xué)生視野，還布置了太空采礦模型、煤礦地下水庫模型及煤炭地下氣化模型等。

在講授完課堂的理論之后，授課教師帶領(lǐng)學(xué)生來到采礦實驗室，圍繞物理模型進行講解。在模型講解時，首先圍繞煤的形成過程進行講解。在講解過程中，對照物理模型，圍繞歷史上的聚煤期展開講授，讓學(xué)生們了解煤炭的由來。由于物理模型中還專門做出了成煤植物的效果，如圖1 所示，教師在講解過程中，對照這些成煤植物，向?qū)W生們講解蕨類植物、裸子植物和被子植物演變?yōu)槊禾康倪^程。

圖1 煤炭由植物的遺骸轉(zhuǎn)變而來

在了解了煤炭的形成歷史之后，結(jié)合實驗室內(nèi)的中國煤炭資源分布圖，向?qū)W生們講解煤炭資源在我國東部、中部及西部的分布狀況，在講解過程中對我國東部礦區(qū)所面臨的“三下壓煤”問題及深部開采問題進行闡述，并對中部礦區(qū)和西部礦區(qū)的發(fā)展趨勢進行解釋，從而可以讓學(xué)生更直觀地了解煤炭資源在我國的分布狀況及各個區(qū)域的煤炭資源開采現(xiàn)狀。

隨后，圍繞井田開拓的問題進行講解。由于實驗室中，分別設(shè)置了煤層在淺埋、深埋及埋藏在山體中的模型，對照這些模型，分別為學(xué)生講解斜井開拓、立井開拓和平硐開拓的布置方式，對照模型讓學(xué)生了解各種開拓方式的特點及適用范圍。此外，由于物理模型中布置了不同顏色的燈泡，當(dāng)通電后，燈泡可以發(fā)出不同的顏色，用以表征運煤、運料及通風(fēng)等系統(tǒng)的路線，從而可以在講解開拓系統(tǒng)時，對照講解煤礦開采中的三大系統(tǒng)路線圖。與課堂講解相比，依托物理模型并結(jié)合模型中不同顏色的燈泡進行講解，更容易讓學(xué)生掌握井田開拓的特點并能強化學(xué)生對煤礦三大系統(tǒng)的認(rèn)識。

在對開拓的模型講解完之后，緊接著圍繞階段的劃分進行講解。在課堂理論知識講解時，給學(xué)生講解了當(dāng)煤層傾角大于12°時可以按照采區(qū)式進行劃分；而煤層傾角小于12°時可以按照帶區(qū)式進行劃分。但這種講解不便于學(xué)生進行形象的對比，也不便于學(xué)生理解兩者的差異。而通過模型講解，可以有效解決這一問題。在采礦實驗室內(nèi)，分別布置了傾角大于12°和傾角小于12°的煤層開采模型，針對這兩種模型，分別布置了對應(yīng)的階段劃分方式，即采區(qū)式劃分和帶區(qū)式劃分，如圖2 所示。學(xué)生通過直觀對比，就可以看出兩種不同劃分方式的區(qū)別。此外，教師在進行講授時圍繞兩種不同的劃分方式，對其中的井巷名稱及巷道布置關(guān)系進行講解，能讓學(xué)生清晰認(rèn)識到采區(qū)式和帶區(qū)式的區(qū)別。

圖2 階段的劃分方式

煤炭的開采離不開現(xiàn)代化的采煤設(shè)備，而采礦實驗室中一個重要的組成成分便是采礦的相關(guān)設(shè)備模型。在對該部分模型進行講解時，根據(jù)采煤工藝的不同，分別對普通機械化采煤工藝（普采）及綜合機械化采煤工藝（綜采）所需要的設(shè)備進行講解。例如，在對普采設(shè)備進行講授時，分別對采煤機的切割過程及單體支柱的工作原理進行講解，讓學(xué)生更為直觀地學(xué)習(xí)普采工藝中的裝備及其工作過程。在對綜采設(shè)備進行講授時，圍繞采煤機、刮板輸送機及液壓支架之間的配合關(guān)系進行講解，從而讓學(xué)生能夠更形象地認(rèn)識綜采工藝中的“三機配套”原理。在采煤設(shè)備的模型中，還專門設(shè)置了開關(guān)按鈕和割煤按鈕等，在講解過程中讓學(xué)生動手操作這些按鈕，從而可以直觀看到采煤機割煤動作等，以加深對采煤設(shè)備工作原理的認(rèn)識。

在模型展示的最后環(huán)節(jié)，教師圍繞海洋采礦模型、月球采礦模型和煤炭地下氣化模型等新興方向進行講解，從而讓學(xué)生對未來采礦的發(fā)展趨勢和方向有一定的了解和認(rèn)識。

（二）虛擬仿真實驗

雖然模型展示可以有效幫助學(xué)生直觀認(rèn)識到采礦中各種巷道布置方式及采礦設(shè)備等，但學(xué)生對煤礦井下的開采環(huán)境仍然沒有直接的體會。考慮到中國礦業(yè)大學(xué)（北京）采礦工程專業(yè)剛剛建設(shè)了虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，因此本文提出將該虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用在采礦概論B 實驗課中，以補充模型教學(xué)的不足，增加學(xué)生們對井下環(huán)境的切身體會。

該虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)依托“虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺”進行搭建，通過在該共享平臺上搜索“綜采放頂煤虛擬仿真教學(xué)實驗”便可以直接定位到該虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，進入該教學(xué)系統(tǒng)，便可以開展虛擬仿真實驗。

在進行虛擬仿真實驗時，教師首先對該虛擬仿真系統(tǒng)的基本概況進行講授，包括場景認(rèn)知、設(shè)備學(xué)習(xí)及綜放工藝等。在場景認(rèn)知的環(huán)節(jié)，教師可以向同學(xué)們展示礦山環(huán)境的基本概況，利用該環(huán)節(jié)內(nèi)的動畫向同學(xué)講解礦山地面工業(yè)廣場內(nèi)的組成部分。在設(shè)備學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)，對虛擬仿真實驗系統(tǒng)中的采煤機和液壓支架等裝備進行講解。該虛擬仿真系統(tǒng)可以將各種裝備進行拆分，以液壓支架為例，其拆分后的效果如圖3 所示。利用這種方法可以讓學(xué)生更為詳細(xì)地了解采礦裝備的內(nèi)部構(gòu)造，并更清晰地認(rèn)識到采礦裝備中構(gòu)件的裝配關(guān)系。

圖3 液壓支架結(jié)構(gòu)圖

此外，在設(shè)備學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，由于系統(tǒng)設(shè)置了各采礦設(shè)備的功能屬性并配備控制面板，因此可以通過操作這些動作按鈕，讓采礦設(shè)備完成相應(yīng)的規(guī)定動作。在教師演示完采礦設(shè)備的各種功能之后，可以讓學(xué)生進行上機實驗，并要求學(xué)生操作這些動作按鈕以了解和學(xué)習(xí)采礦設(shè)備的工作過程。

隨后教師便可以圍繞綜放工藝展開教學(xué)。而綜放工藝環(huán)節(jié)也是該系統(tǒng)的亮點所在，該虛擬仿真系統(tǒng)能夠真實地還原煤礦井下的環(huán)境，因此能夠讓學(xué)生“沉浸式”體驗煤礦井下各種巷道的位置關(guān)系，以及井下各種設(shè)備的工作狀態(tài)。當(dāng)進入綜放工藝模塊之后，教師可以首先播放虛擬仿真系統(tǒng)中的工藝視頻，讓學(xué)生了解該虛擬仿真系統(tǒng)所反映的綜采放頂煤開采狀況。當(dāng)學(xué)生們熟悉了所模擬的綜采放頂煤開采的基本概況之后，便可以展開工藝實踐和工藝循環(huán)部分的實驗。

在工藝實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生以第一視角進入虛擬仿真系統(tǒng)，從而可以身臨其境地感受到井下的開采環(huán)境。此外，該虛擬仿真系統(tǒng)也配置了專門的按鍵，用以模擬在井下巷道中行走，例如通過點擊鍵盤上的“W”鍵，可以讓視角前移，模擬井下人員向前行走。

在工藝循環(huán)部分，學(xué)生同樣以第一視角進入所模擬的井下環(huán)境，在此環(huán)節(jié)，學(xué)生可以根據(jù)系統(tǒng)提示完成一套完整的綜采放頂煤工藝循環(huán)，如圖4 所示，包括泵站的開機、采煤機的開機、割煤、移架及放頂煤等。在完成了放頂煤的模擬之后，學(xué)生可以按照系統(tǒng)提示，對采煤機、刮板輸送機和膠帶輸送機關(guān)機。經(jīng)過這一套工藝循環(huán)的實驗，學(xué)生對綜采放頂煤工藝能有更清晰的認(rèn)識。

圖4 綜采放頂煤開采工藝

當(dāng)完成了以上虛擬仿真實驗之后，學(xué)生可以點擊“實驗考核”，此時，系統(tǒng)會隨機出題，學(xué)生根據(jù)實驗環(huán)節(jié)所學(xué)習(xí)的內(nèi)容進行作答，當(dāng)作答完成后便可以提交，待提交后，該虛擬仿真系統(tǒng)會自動打分并公布正確答案，學(xué)生對照正確答案查看自己作答錯誤的原因，從而可以查缺補漏。

二、學(xué)生反饋討論

在物理模型實驗中，教師圍繞物理模型進行講解，并讓學(xué)生操作物理模型以加深對采礦知識的理解；在虛擬仿真實驗中，教師依托虛擬仿真系統(tǒng)進行講解，并安排學(xué)生們進行實踐操作，以學(xué)習(xí)采礦設(shè)備及工藝流程。但只采用這種方式，仍然是教師對學(xué)生的單向知識輸出，教師并不能很好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。因此，在兩次實驗結(jié)束之后，教師均設(shè)置與學(xué)生的反饋討論環(huán)節(jié)。

在反饋討論環(huán)節(jié)中，教師與學(xué)生圍繞實驗過程中的內(nèi)容展開討論，學(xué)生就實驗過程中的疑問進行提問，并由教師進行解答。此外，學(xué)生還可以圍繞實驗中的不足進行建議，以便于教師了解實驗教學(xué)中需要改進的地方，從而可以在后續(xù)的實驗教學(xué)中進行不斷地完善。

三、實驗結(jié)果評價機制

由于實驗教學(xué)是課程教學(xué)中的重要組成部分，所以實驗教學(xué)也需給出對應(yīng)的成績。本門課程設(shè)定實驗成績的原始分為100 分，并由物理模型實驗成績和虛擬仿真實驗成績兩個部分構(gòu)成，每個部分原始分均為100 分，匯總后兩部分成績各占最終分的50%。

對于物理模型實驗，分別從物理模型的學(xué)習(xí)狀況和實驗報告的完成質(zhì)量進行評價，其評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 物理實驗成績的評價標(biāo)準(zhǔn)

對于虛擬仿真實驗，分別從虛擬仿真系統(tǒng)的學(xué)習(xí)情況及實驗報告的完成質(zhì)量進行評價，其評價標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 虛擬仿真實驗成績的評價標(biāo)準(zhǔn)

四、結(jié)束語

針對采礦概論B 課程的授課對象均為非采礦工程和非安全工程專業(yè)的本科生，且學(xué)生不能很好地理解采礦工程專業(yè)知識的情況，本文提出在實驗課程的教學(xué)中將物理模型實驗和虛擬仿真實驗進行結(jié)合的方法。

在物理模型實驗中，教師圍繞實驗室內(nèi)的井田開拓模型、采煤設(shè)備模型及未來采礦模型等進行講授，同時讓學(xué)生動手操作一些模型，以充分理解采煤設(shè)備的工作方式；在虛擬仿真實驗中，教師圍繞虛擬仿真系統(tǒng)中的各種模塊展開講解，并讓學(xué)生在個人電腦端親自操作虛擬仿真系統(tǒng)里的設(shè)備并完成相應(yīng)的工藝流程，讓學(xué)生身臨其境地感受到井下作業(yè)環(huán)境。在實驗課程結(jié)束之后，依托學(xué)生反饋討論機制，探討學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)狀況，并聽取學(xué)生們針對實驗課程的建議，以便進一步改進實驗課程。針對這種將物理模型實驗和虛擬仿真實驗結(jié)合教學(xué)的方法，提出了對應(yīng)的評價機制，從而能夠針對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況進行評判和打分。