發布時間：2021-06-22所屬分類：教育職稱論文瀏覽：1次
摘 要： [摘要]采礦工程是一門緊密結合生產實際、實踐性很強的基礎學科，但新冠肺炎疫情期間，學生的現場實習受到了極大的限制，教學效果大打折扣。以東北大學金屬礦山巖石力學與安全開采國家級虛擬仿真教學平臺為基礎，構建了面向地下采礦工程的虛擬仿真系統，通過
[摘要]采礦工程是一門緊密結合生產實際、實踐性很強的基礎學科，但新冠肺炎疫情期間，學生的現場實習受到了極大的限制，教學效果大打折扣。以東北大學金屬礦山巖石力學與安全開采國家級虛擬仿真教學平臺為基礎，構建了面向地下采礦工程的虛擬仿真系統，通過虛擬現實技術及數值仿真技術為學生再現地下采礦的設備儀器、巷道布置、井下環境和施工過程，極大地激發了學生的學習興趣，提高了學生的創新能力，增強了教學效果。
[關鍵詞]虛擬現實;采礦工程;本科教學;實習
礦業是我國的第一產業，礦產資源是工業發展的基礎。采礦工程是工科領域的重要基礎學科，是一門緊密聯系生產實際、實踐性與理論性結合很強的課程[1，2]。相關實習實踐活動可以讓學生將課堂上所學的基礎理論與現場實際應用聯系起來，也是學生畢業設計認識和獲取現場資料的重要途徑[3]。因此，工程實習是采礦工程專業本科學習的關鍵環節，在采礦人才培養中具有舉足輕重的地位和作用[4]。
然而大量事實表明，采礦工程專業實習活動存在實習質量低下、學生實踐熱情不高、實習經費不充分、實習內容安排不合理等問題[5-7]。2020年，突如其來的新冠肺炎疫情極大地限制了學生相關實習實踐活動的開展，讓時間本就不充裕的實習活動陷入停滯狀態，一些學生甚至沒有看過現場狀況就著手進行畢業設計，嚴重影響了采礦工程本科的教學效果。另外，采礦工程涉及門類繁多，與采礦直接相關的學科就包括地下采礦、露天采礦、井巷工程、巖體力學、礦井通風與安全等，這些學科相互聯系緊密，交叉性強，內容還具有一定的抽象性，如礦井開拓采準巷道之間的三維位置關系、巖體周圍應力場模型，以及隨著開挖后應力場的遷移和演化規律。若僅僅以傳統的平面圖或者剖面圖進行表示，學生往往難以理解，并嚴重影響教學效果。而虛擬現實技術因交互性、沉浸性和構想性等特點，可以讓參與者進行沉浸式的體驗，所形成的信息環境也具備交互效能多維化的特點[8，9]，使學生對采礦工程課程的教學內容有身臨其境的感覺，并為學生的學習提供更好的學習環境。因此，本文主要探討虛擬現實技術在采礦工程專業教學中的應用。
一、采礦工程教學存在的問題
(一)教學手段有限
傳統的平面圖、立面圖、剖面圖讀圖較難，且相關圖表不夠生動形象，學生對模型的認識也停留在二維階段，導致對金屬礦山地上地下整體結構缺乏直觀認識。盡管多媒體教學配合教師的講解，以及相關計算機3D模型的展示已經極大地豐富了教學內容，但是反映的內容仍比較片面，與現場實際還有較大的差別[1]。
(二)教學內容顯示度不足
采礦工程涉及的開拓采準、運輸等系統十分復雜，除了在采區的水平和傾斜巷道、平硐和豎井采用運輸工藝外，周邊配套的溜井、井底車場、礦倉、水倉也都各具特色，系統之間相互交錯，層次立體感強[10]，一個簡單的平面圖或者3D圖很難對其進行全面的描述。另外，采礦是一個復雜的動態地質工程問題，礦山開挖及開采活動貫穿于礦山服務期限的始終，礦山自始至終處于復雜的動態開挖、回采過程之中，一個靜態的模型很難將地下采礦活動的時空關系進行有機的展示，學生很難對整體系統有一個準確的把握。
(三)教學過程交互性不強
學生是學習的主體，教學效果的優劣取決于能否充分發揮師生的積極性。求知欲是推動學生進行主動學習的源動力。學生無法直接參與互動，會直接影響教學效果。但目前的教學方法仍是教師起主導作用，學生僅僅是被動地看和聽，無法對課堂知識的掌握情況進行實時反饋，降低了學生的學習效率。
(四)教學方法的局限性
采礦工程中許多教學內容由于受到場所、安全性等多種因素的影響，無法給學生進行直接的演示。例如，爆破工程中炸藥的連接過程、起爆過程等具有危險性的過程[2];又如，講解礦山應力場估算時，巷道開挖后的應力場的遷移和演化規律也無法使學生產生直觀的印象。
(五)實習效果不佳
采礦工程的實習活動面臨著聯系實習地點困難、經費短缺、實習內容不全面和過程簡化等問題[6]。例如，一個采礦班的學生標準人數大約為25人，由于地下礦山往往處于半封閉環境，且一般是通過教師的講解和演示來進行授課的，大部分學生只能在旁觀看，導致學生對實驗過程印象不深，更談不上對相關問題的獨立思考和分析。另外，礦山實習不同于常規的其他學科的現場實踐，現場實習活動具有一定的危險性，往往無法直接深入一線工作環境中，導致學生走馬觀花，無法保障實習效果。
二、虛擬現實平臺的開發方法
(一)數據資料的收集
相關虛擬圖像的建立首先需要相關的數據資料，搜集資料越多，虛擬場景的逼真程度越高[1]。例如，鉆孔三維數據，包括收集孔口數據結構、測斜數據結構、采樣信息數據結構、巖性信息數據結構等，并指定三維視圖中顯示的內容，包括孔口符號及顏色、孔口文字及顏色、鉆孔軌跡顏色、鉆孔軌跡兩側的文字標注內容及顏色，搜集到上述內容后即可繪制出鉆孔的三維軌跡模型。
(二)實體模型的建立
金屬礦山地上地下整體三維建模是采礦工程專業的主要課程內容。可通過3DMax、3DMINE等軟件依據勘探線定義若干剖面，在剖面上依據鉆孔軌跡顯示的采樣和巖性信息進行鉆孔揭示，圈定出剖面多邊形，再調用建模模塊，連接序列剖面輪廓線，建立礦體三維模型。
(三)虛擬場景合成
利用建立好的模型，通過實景管理軟件對模型進行光照、紋理、材質、自然環境乃至聲音等方面的渲染，其中精細匹配的材質貼圖可以降低實體建模的復雜程度，而且會顯著提高整個場景的真實感，增強用戶對虛擬環境的沉浸感[11]。
(四)數據集成與交互控制
三維模型與數據庫的聯系可以通過VR系統軟件提供的數據庫接口建立，主關鍵字為名稱。搜索可以獲取與名稱對應的數據信息，且數據庫中的信息可以實時更新。借助VR系統已有的人機交互界面控制選項或者編寫腳本語句功能，可實現上述需求。
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三、教學改革實踐應用
(一)采礦設備的虛擬模型
井下的設備紛繁復雜，包括開拓設備、開采設備、運輸設備、照明設備等。東北大學虛擬現實教學中心建立了采礦設備虛擬模型素材庫，如圖1所示。這些模型的使用使原本抽象的內容變得十分形象和具體，并且這些模型可以任意調節顯示視角和觀察距離，也可以進行局部的放大和縮小，有效克服了采礦工程專業傳統教學內容顯示度不足、學生觀察效果不佳的弊端。另外，通過圖1可以看出，這些教學實物模型往往體積巨大，只有在一線工作現場才能看到，原來的教學活動很難逐一展示，而現在的模型庫可以隨時調用所需模型，大大增強了教學的靈活性。
(二)礦山三維整體模型
礦井上下三維集成建模是與礦山有關的各專業的主要課程。由于實驗的宏觀性，該實驗不能開設實體實驗，導致學生對井上井下集成的礦井結構缺乏直觀感性的認識。通過建立整體三維模型，學生在全局上對于各種巷道的三維空間結構布置有了直觀的認識，而且通過利用虛擬現實模型的漫游功能，可以讓學生身臨其境地在全礦井各部位進行漫游，從而迅速熟悉礦山運輸系統，提高學習效率。
(三)采礦施工工藝的實踐應用
采用虛擬現實技術可以動態展示地下采礦工藝實施的整個流程。圖2展示了露天礦山的臺階推進過程。學生可以通過虛擬現實系統，在虛擬生成的環境中進行模擬施工，從而對整個施工工藝有更加全面的認識和理解。
(四)數值模擬結果與虛擬現實的結合
通過虛擬現實技術及數值仿真技術為學生再現礦山應力場演化規律及礦山災害場景，變枯燥的文字和靜態圖片為動態、可交互且具有沉浸感的虛擬場景。以新穎的教學方式激發學生的好奇心，通過學生在場景中進行的虛擬漫游和模型操作，實現互動式學習。以虛擬場景為載體將教學內容傳授給學生，迅速提高學生對礦山地壓顯現規律、巖體冒落規律、散體移動規律，以及動力災害的致災機理、致災環境、致災過程的認識，并能夠輔助進行操作，以實現授課內容的多樣化，提升教學效率與學習效果。不僅可以實現礦體形象、開挖進度的三維可視化模擬和查詢，而且可以對相關監測斷面應力場和位移場進行剖切分析和可視化查詢，幫助學生掌握理論知識，深刻理解工程設計原理，加深對未知現象的探索，提高學習興趣和創新能力。
四、結語
基于東北大學金屬礦山巖石力學與安全開采國家級虛擬仿真教學平臺，通過建立豐富的虛擬模型素材庫，并結合國內典型礦山的實際，建立虛擬礦山，對金屬礦山地上地下整體三維建模與開采工藝的虛擬仿真，為學生提供全天候的實習環境，使學生能夠身臨其境，并能夠根據虛擬礦山中遇到的巖石力學問題進行礦山災害的虛擬實驗，提出自己的解決方案，以幫助學生熟悉金屬礦山生產環境，并熟練掌握巖石力學在礦山中的應用，提升學生的創新能力。
教學實踐表明，將虛擬現實技術融入采礦工程專業實踐不僅有利于學生了解礦山開采的狀況，還實現了科研成果向教學實踐的轉化，拓展了學生的創新思維，形成了巖石力學實驗研究和學術交流并舉的實踐創新教學模式，實現了“教與學互動、科研與教學結合、能力與興趣共增”的教學目標。——論文作者：侯晨a，b，朱萬成a，b，劉洪磊a，b，張鵬海a，b
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