采礦工程教學(xué)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(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(wèn)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(shì)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)

一、開發(fā)背景

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(wèn)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(zhǎng)、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(wèn)題。因此，本文依托礦業(yè)工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、采礦工程國(guó)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(chǎng)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(guò)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)。基于功能定位，圍繞采礦工程人才培養(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(guó)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(guò)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(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)、分析測(cè)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(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局的《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(chǎng)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(cè)監(jiān)控等礦山生產(chǎn)系統(tǒng)及其運(yùn)行過(guò)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(cè)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(chǎng)景、使用VisualStudio設(shè)計(jì)程序、使用MySQL制作數(shù)據(jù)庫(kù)、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(guò)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(guò)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(shì)：（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(wèn)題。（2）打破了實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)對(duì)場(chǎng)地、設(shè)備、師資、經(jīng)費(fèi)的依賴，通過(guò)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)：

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[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.

作者：徐劍坤 王曉振 周蕊 王珂 李穎 單位：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析與計(jì)算中心 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)