韓森，劉萍，吳桂義，王沉

（貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州貴陽 550025）

礦山電工課程是采礦工程、安全工程本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課，通過本課程的教授，使學(xué)生掌握煤礦電工技術(shù)及安全的基本理論、基本知識和基本技能，了解煤礦電工技術(shù)及電氣安全的最新進展和發(fā)展動態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生具有一定的實踐動手能力和應(yīng)用能力，為從事工程技術(shù)工作打下良好基礎(chǔ)。

1 礦山電工課程特點

傳統(tǒng)的礦山電工課程主要通過理論教學(xué)和實驗課程來進行，課程教學(xué)存在以下特點[1-2]：

（1）課程內(nèi)容較多。

本課程共7章內(nèi)容，包括礦山供電系統(tǒng)、供電系統(tǒng)短路電流計算、礦山供電設(shè)備、安全用電及保護、采掘機械設(shè)備電氣控制、采區(qū)供電設(shè)計計算以及礦井照明。課程內(nèi)容覆蓋面廣，概念較多，學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容繁多。另一方面，除了采區(qū)供電設(shè)計需要應(yīng)用前述各章知識點外，其余章節(jié)之間聯(lián)系不太緊密，且課程知識內(nèi)容涉及概念、計算、設(shè)備選型、電路圖分析等，需要學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容調(diào)整學(xué)習(xí)思路，對于學(xué)生掌握課程知識點提出了更高要求。

（2）部分內(nèi)容抽象，不易理解。

本課程部分內(nèi)容比較抽象，單純通過文字說明和平面圖片不易理解，比如各級采區(qū)變電所內(nèi)設(shè)備布置以及設(shè)備間的連接、低壓配電開關(guān)和檢漏繼電器配合使用、多臺磁力起動器之間的連鎖控制等內(nèi)容，在教學(xué)過程中都需要安排較多時間來講解，學(xué)生也需要花費較多時間和精力才能基本掌握。對于這些內(nèi)容，部分安排實驗學(xué)時，但一方面，實驗室內(nèi)相關(guān)礦山電工設(shè)備種類和數(shù)量有限，無法大范圍覆蓋教學(xué)難點，另一方面，學(xué)生在電工實驗操作過程中，需要動手連接一些電路，學(xué)生實驗過程中的安全問題也必須考慮。

（3）與現(xiàn)場聯(lián)系不夠緊密。

隨著礦山智能開采和安全高效開采的不斷深入，礦井現(xiàn)場的電氣控制技術(shù)得到長足發(fā)展，課程教材及教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況脫節(jié)。另外對于礦井的整體供電系統(tǒng)、各級變電所的設(shè)置以及內(nèi)部設(shè)備布置，包括變壓器、配電開關(guān)等具體設(shè)備，通過傳統(tǒng)教學(xué)，很難生動形象地使學(xué)生接受并理解。雖然學(xué)生有機會去礦山實習(xí)，但由于電氣系統(tǒng)設(shè)備的危險性和特殊性，一般只會安排參觀變電所，學(xué)生往往只能走馬觀花地看個表面，對于現(xiàn)場礦山電器設(shè)備的了解十分有限，對礦山電工知識難以形成深層次的認識和理解。

（4）學(xué)生難以發(fā)揮主觀能動性。

在課程教學(xué)過程中，雖然有互動，但受到學(xué)時限制，加之課程內(nèi)容較多，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中仍多處于被動接受的狀態(tài)，雖然有一些實驗內(nèi)容，但限于實驗室硬件條件，實驗學(xué)時占比較小，學(xué)生不能充分發(fā)揮自身主觀能動性，使得學(xué)習(xí)參與程度不夠深入，教學(xué)效果往往事倍功半。

針對礦山電工課程教學(xué)特點，為在教學(xué)過程中有效地解決這些問題和難點，進行課程教學(xué)方法的改進十分必要，考慮到目前虛擬仿真技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，因此探討在傳統(tǒng)礦山電工理論教學(xué)和實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上，利用虛擬仿真實驗教學(xué)手段對課程教學(xué)進行補充和改進。

2 礦山電工虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容

虛擬仿真實驗教學(xué)是國家信息化教育戰(zhàn)略的重要實踐內(nèi)容[3-4]。虛擬仿真技術(shù)，簡稱VR，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，同時，也是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域[5]。隨著VR技術(shù)實現(xiàn)方式的不斷成熟，其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，其中就包括高校實踐教學(xué)。以VR技術(shù)為代表的虛擬仿真實踐教學(xué)方式，因其廣泛的跨學(xué)科適應(yīng)性、良好的沉浸式體驗效果、系統(tǒng)搭建的快速性和基本不受場地和資金限制的特點，為高校虛擬仿真實踐教學(xué)提供了一種建設(shè)性的解決方案，尤其在理工科實驗實訓(xùn)實習(xí)等教學(xué)中的應(yīng)用范圍和應(yīng)用價值很大[6-9]。

礦山電工虛擬仿真教學(xué)平臺可以完善和彌補傳統(tǒng)理論實驗教學(xué)的不足，一方面可以最大限度地共享實驗資源，降低實驗成本；另一方面可以突破時空限制，豐富教學(xué)的內(nèi)容和形式。對于礦山電工的教學(xué)，可以結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，提高課程的生動性和趣味性，促使學(xué)生主動參與其中，提高教學(xué)效果。主要可在以下幾個方面體現(xiàn)[10]：

（1）礦井供電系統(tǒng)及供電設(shè)備。

通過虛擬仿真技術(shù)，結(jié)合具體礦井供電條件，建立從礦井地面變電所到井下中央變電所，再到采區(qū)變電所、移動變電站、采掘工作面配電點直至具體用電設(shè)備的一整套礦井供電系統(tǒng)，使各級變電所內(nèi)設(shè)備的布置以及各電器設(shè)備，比如高壓配電開關(guān)、變壓器、低壓饋電開關(guān)、磁力起動器、檢漏繼電器等主要電器元件的內(nèi)部主要元件能夠具體生動地展示出來。通過虛擬仿真教學(xué)軟件，把礦井使用的先進電器設(shè)備和用電負荷具體生動地展示出來，使學(xué)生沉浸在整體礦山供電系統(tǒng)的虛擬環(huán)境中，了解整個礦井供電系統(tǒng)以及井下各場所使用的安全和生產(chǎn)設(shè)備，增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

（2）短路電流計算。

常規(guī)短路電流計算是在確定短路計算點后繪制等值計算圖，然后把從系統(tǒng)到短路點的總阻抗計算出來，利用總阻抗計算三相短路電流值，再通過三相短路電流計算兩相短路電流、短路電流的沖擊值、沖擊電流的有效值和短路容量。在對高低壓開關(guān)保護裝置整定時，可以通過最大三相短路電流來校驗保護裝置的承載能力，利用最小兩相短路電流校驗保護裝置動作的靈敏性。利用虛擬仿真教學(xué)軟件，可以顯示從系統(tǒng)到短路點的各處電器元件以及電纜的電阻和電抗值，一方面可以切換短路點的位置，使學(xué)生可以計算各處短路點的短路參數(shù)，對各位置的短路參數(shù)有個縱向的比較，另外對于最大三相短路電流和最小兩相短路電流的位置也可以通過虛擬仿真互動，讓學(xué)生操作選擇，加深學(xué)生對保護裝置動作整定校驗的理解。

（3）安全用電及保護。

煤礦井下三大保護：漏電保護、保護接地和過流保護。通過虛擬仿真軟件展示發(fā)生漏電故障以及可能造成人身觸電的原因，通過人機互動，模擬礦井發(fā)生漏電的各種情況（包括單相漏電、兩相漏電和三相漏電以及發(fā)生人身觸電）時，檢漏繼電器和低壓開關(guān)漏電保護裝置的動作，以及選擇性漏電保護動作的發(fā)生順序。對于保護接地，通過對全礦井保護接地系統(tǒng)的展示，讓學(xué)生直觀地了解整個礦井井下接地網(wǎng)絡(luò)，同時，對于接地保護對人身觸電安全的作用也可以通過人機互動，模擬有保護接地和無保護接地條件下，發(fā)生人身觸電時流過人身的電流，更加深入地反映保護接地的作用。對于過流保護，可以將各種過流保護元件的動作原理以及在過流保護中起到的作用通過動畫形象具體地體現(xiàn)出來。

（4）采掘機械設(shè)備的電氣控制。

機械設(shè)備的電氣控制主要是通過磁力起動器來控制電動機的起動、停止和正反轉(zhuǎn)，以及通過聯(lián)鎖控制實現(xiàn)滿足一定操作程序的控制，比如風(fēng)電閉鎖、多臺膠帶運輸機的連鎖起動等。通過虛擬仿真可以把磁力起動器控制電動機的動作原理，特別是各個元器件的動作順序生動具體地展示出來。另外可以讓學(xué)生自己進行磁力起動器、電動機及電源間的線路連接，學(xué)生可以進行嘗試，給了學(xué)生犯錯和多次嘗試的機會，使學(xué)生能更深入、有效地掌握設(shè)備電氣控制原理。

（5）礦井供電設(shè)計計算。

礦井供電設(shè)計部分，是對前面知識的總結(jié)和實際應(yīng)用。由于設(shè)計過程中，需要合理利用礦井的開采方案和設(shè)備選型結(jié)果，通過人機互動，讓學(xué)生結(jié)合礦井實際情況，按照礦井供電設(shè)計步驟，完成礦井供電設(shè)計的每一部分內(nèi)容，比如礦井各級變電所以及工作面配電點的位置的確定、供電方案的確定，礦井各級變電所內(nèi)變壓器、高壓開關(guān)柜、低壓配電裝置以及各段電纜的選型和校驗，使學(xué)生通過人機互動掌握整個礦井各部分的設(shè)計方法以及設(shè)計內(nèi)容。

3 礦山電工虛擬仿真教學(xué)實施

（1）礦山電工虛擬仿真教學(xué)方案制定。

首先對礦山電工教學(xué)大綱和教學(xué)計劃進行修改，根據(jù)課程章節(jié)增加虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時，把虛擬仿真教學(xué)融入課前預(yù)習(xí)、課程教學(xué)、課后作業(yè)、成績考核等教學(xué)計劃中。

（2）礦山電工虛擬仿真教學(xué)過程[11-14]。

①在開展虛擬仿真教學(xué)前，先在傳統(tǒng)課堂上對相關(guān)知識點進行講解，并且結(jié)合下節(jié)課虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容布置相應(yīng)的預(yù)習(xí)任務(wù)，這樣有利于學(xué)生認識相關(guān)知識的難點和重點，從而在虛擬仿真學(xué)習(xí)過程中有的放矢、更加高效。通過目標(biāo)任務(wù)的驅(qū)動機制，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動思考的習(xí)慣和能力，提高課堂學(xué)習(xí)效率。

②在虛擬仿真教學(xué)開始時，對學(xué)生的課前學(xué)習(xí)情況進行檢查，并對學(xué)生預(yù)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行解答。指導(dǎo)學(xué)生開啟教學(xué)設(shè)備，進入相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容界面，并確定本節(jié)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生進行相應(yīng)的操作。學(xué)生開始學(xué)習(xí)后，認真回答學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的疑問，爭取將相關(guān)難點和疑問當(dāng)堂解決。

③課程結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生對課程內(nèi)容和學(xué)習(xí)效果進行總結(jié)，以加深學(xué)生對本節(jié)課程知識內(nèi)容的理解與掌握，同時加強與學(xué)生的交流，了解虛擬仿真教學(xué)過程中應(yīng)該加強和改善的部分，以便更好地完善仿真系統(tǒng)內(nèi)容，提高虛擬仿真教學(xué)效果。

④另外，對于要進行虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)實操的相關(guān)實驗內(nèi)容，可以先對學(xué)生進行相關(guān)理論知識的講解，使學(xué)生知曉實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗步驟等，再指導(dǎo)學(xué)生進入虛擬仿真系統(tǒng)操作界面進行操作，獲得相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理和分析。

（3）礦山電工虛擬仿真教學(xué)考核。

礦山電工虛擬仿真教學(xué)的考核主要表現(xiàn)在平時課堂實操階段和期末操作考核階段，通過平時成績和期末考核成績，從學(xué)生專業(yè)知識掌握、技能操作水平以及學(xué)習(xí)態(tài)度等多方面綜合評判學(xué)生在虛擬仿真教學(xué)過程中的整體表現(xiàn)[15]。通過教學(xué)考核，督促學(xué)生認真投入學(xué)習(xí)，積極思考，最終充分掌握教學(xué)內(nèi)容，提升綜合能力。

4 結(jié)語

總之，通過利用虛擬仿真教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生更加深入地參與到課程教學(xué)過程中，提高學(xué)生對整個礦井供電系統(tǒng)的整體認知水平，加深學(xué)生對各個知識點的認識和理解，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，從而提高課堂效率，使學(xué)生真正地理解所學(xué)課程內(nèi)容，并能結(jié)合現(xiàn)場實際情況運用所學(xué)知識技能。