采礦工程教學虛擬仿真軟件的開發(fā)
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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、實踐基地建設困難、大量高成本高消耗不可逆操作的實驗、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開發(fā)教學軟件。圍繞實驗教學、安全培訓、認識實習、生產(chǎn)實習四個教學環(huán)節(jié)，準確定位軟件功能，設計軟件架構，制定開發(fā)技術體系及步驟，最終成功研制了采礦工程實驗實踐教學虛擬仿真軟件。該軟件依托各種終端在教學中得到了廣泛應用，并表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢與效果，獲得了較高認可。
關鍵詞：實驗實踐教學；虛擬仿真；軟件開發(fā)；教學平臺
一、開發(fā)背景
人才培養(yǎng)中涉及大量工程案例、工程實踐、實驗與綜合訓練，教學實踐中存在以下問題[6]：（1）高水平科研成果及優(yōu)秀工程實踐案例轉(zhuǎn)化為教學資源，周期長、成本高；（2）工程實踐及綜合訓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)任務壓力，實踐基地建設困難；（3）實習實踐中，學生往往集中于礦山龐大生產(chǎn)系統(tǒng)的某一環(huán)節(jié)，對生產(chǎn)全貌認知有限；（4）安全生產(chǎn)專業(yè)知識及技能教育培訓環(huán)節(jié)缺失；（5）涉及大量高成本、高消耗、不可逆操作的實驗，實驗教學開展困難。虛擬仿真技術有助于解決這些問題。因此，本文依托礦業(yè)工程國家級實驗教學示范中心、采礦工程國家級虛擬仿真實驗教學中心、江蘇省礦業(yè)工程虛擬仿真教學資源共享平臺，研發(fā)采礦工程實驗實踐教學虛擬仿真軟件。
二、軟件設計與開發(fā)
1.軟件功能定位。采礦工程實驗實踐教學虛擬仿真軟件以采礦工程專業(yè)知識的學習與綜合應用為目的，利用虛擬現(xiàn)實、仿真技術與計算機技術重構虛擬空間，再現(xiàn)實驗室與礦山生產(chǎn)場景，在高度逼真的環(huán)境中實現(xiàn)系統(tǒng)認知、設備仿真操作、專業(yè)知識學習、過程跟蹤與考核評價等。本軟件既要作為理論環(huán)節(jié)的示教工具，也要作為實驗、實習環(huán)節(jié)的教學平臺與資源，實現(xiàn)任意時間、任意地點、任意內(nèi)容、任意人員的定制化學習。2.軟件架構?；诠δ芏ㄎ?，圍繞采礦工程人才培養(yǎng)的實驗教學、安全培訓、認識實習、生產(chǎn)實習四個教學環(huán)節(jié)，對軟件內(nèi)容架構進行了如下設計。虛擬實驗室部分：以中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程實驗教學中心為藍本，根據(jù)儀器設備運行原理及規(guī)律開發(fā)仿真儀器，根據(jù)實驗過程及可能結(jié)果開發(fā)虛擬實驗，可進行巖石力學、相似物理模擬、探測監(jiān)測技術、分析測試技術、采礦模型認識等五大類實驗；安全生產(chǎn)教育培訓部分：以原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局的《煤礦安全規(guī)程》及相關規(guī)范為依據(jù)，總結(jié)大量真實的工程實例，根據(jù)災害事故發(fā)生機理、致災規(guī)律及專家組認定意見，制作煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程視頻教程、煤礦典型災害警示教程、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)礦井為藍本，運用虛擬現(xiàn)實、仿真技術，重構高度逼真的三維場景，學生可以直觀、形象、全面地了解回采、掘進、運輸、調(diào)度、監(jiān)測監(jiān)控等礦山生產(chǎn)系統(tǒng)及其運行過程；虛擬礦山工程實踐部分：在以現(xiàn)代化礦井為藍本重構的虛擬環(huán)境中，學生可以在回采工作面與掘進工作面開展生產(chǎn)工藝設計、生產(chǎn)裝備選型與操作、礦壓觀測等工程實踐活動。3.軟件開發(fā)。在上述架構下，采用統(tǒng)一的技術體系，使用3DMax制作三維模型、使用Unity3D制作三維場景、使用VisualStudio設計程序、使用MySQL制作數(shù)據(jù)庫、采用PhotoShop設計界面。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格一致，開發(fā)過程中制定了統(tǒng)一的標準與接口。
三、軟件應用
采礦工程實驗實踐教學虛擬仿真軟件在理論教學、實驗教學、實踐教學中得到了廣泛應用，既可借助大屏、環(huán)幕等終端進行班級教學，也可借助VR設備、個人終端進行個體學習，也可通過互聯(lián)網(wǎng)平臺進行任意時間、任意地點、任意內(nèi)容、任意人員的定制化學習。該軟件已在高校采礦工程專業(yè)教學以及礦山從業(yè)人員技能培訓方面進行了推廣應用，在實際應用中體現(xiàn)了以下優(yōu)勢：（1）提供了一套完整系統(tǒng)、直觀形象、經(jīng)濟安全的立體化教程及虛擬仿真教學平臺，解決了以往采礦工程實驗教學資源緊張、工程實踐教學資源短缺、生產(chǎn)安全教育培訓環(huán)節(jié)缺失等問題。（2）打破了實驗實踐教學對場地、設備、師資、經(jīng)費的依賴，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了任意時間、任意地點、任意內(nèi)容、任意人員的定制化學習，改變了傳統(tǒng)的實驗實踐教學方法。（3）將實驗教學、實踐教學、安全培訓及所涉及的理論知識統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設，并納入統(tǒng)一平臺管理，保證了理論教學—實驗教學與實踐教學的相互銜接與貫通，實現(xiàn)了對學生實踐能力的動態(tài)跟蹤與考核。（4）借助虛擬仿真技術將高水平科研成果及優(yōu)秀工程案例轉(zhuǎn)化為教學資源，并納入本軟件平臺，加快了科研成果向教學資源的轉(zhuǎn)化速度，降低了轉(zhuǎn)化成本。
參考文獻：
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作者：徐劍坤 王曉振 周蕊 王珂 李穎 單位：中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院 中國礦業(yè)大學現(xiàn)代分析與計算中心 中國礦業(yè)大學計算機科學與技術學院 中國礦業(yè)大學
