采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践

马文顶，吴作武，万志军，屠世浩，张 源

（1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 教务部，江苏 徐州 221116）

煤炭行业走绿色、安全、高效之路的理念已经成为共识［1］，而这一理念的实现离不开大量基础扎实、工程素养高、实践与创新能力强的高级工程技术人才。目前，大学毕业生实践创新能力的培养还存在以下突出问题：煤炭企业安全生产责任大、生产任务重，在企业进行实践教学难度大；煤矿机械价格高昂、耗电惊人，实践培训成本高；煤矿生产条件复杂、事故隐患多、安全风险大，很多实验难以采用传统方式实现；综合设计型和科研创新型实验项目所需实验设备无法满足需要，传统验证型实验教学项目的教学方法和手段已不能满足需要。显然，传统实验教学存在诸多不足之处，需要新的实验教学手段予以加强和填补［2］。采矿工程虚拟仿真实验教学在此情况下应运而生。矿业工程实验教学中心针对采矿高危的极端环境，开采过程不可逆的操作，大型设备操作的综合训练高成本、高消耗等特殊情况，探索安全、可靠、直观和经济的实验教学平台，已是众望所归。在这种形势下，我校成立采矿工程虚拟仿真实验教学中心，并于2014年获批为国家级虚拟仿真实验教学中心（下称中心）。

虚拟仿真实验教学采用虚拟现实的软件和模拟器，可以多次重复、安全环保、成本低廉、节约能源，在美、日、加、法、澳等发达国家得到普遍采用，我国很多行业如航空航天、汽车驾驶、医学和材料等专业教学中也普遍采用虚拟仿真技术［3－6］。在采矿工程专业大学生实践创新能力培养环节中引入虚拟仿真模式，并扩展到煤矿虚拟仿真实验和企业实践教学，不仅有助于学生对采矿专业知识的深入理解和掌握，学习实验技能，培养科研创新意识，而且可以让学生在实验室熟悉煤矿机械操作，为企业实践中有关技能培养打下坚实基础，为学生实践创新能力的培养提供有力的保障［7－8］。

1 虚拟仿真实验教学体系建设

中心坚持学科建设与人才培养相结合、教学与科研相结合、理论教学与实验教学相结合、虚拟仿真与真实实验相结合的原则，构建了“模块化、层次化、多元化”的虚拟仿真实验教学体系（如图1所示），即“理论教学、工程训练、科研活动”3个模块，“多空间多系统演示仿真实验”、“综合与设计仿真实验”、“创新与前沿仿真实验”3个层次，以及不同层次、不同模块相互交叉、融合渗透，研究开发了大量虚拟仿真实验项目，形成了常规实验—虚拟仿真实验—井下实景实验并举的立体化实验教学新模式。

图1 采矿工程虚拟仿真实验教学体系

1.1 三个教学模块

（1）“理论教学”模块主要针对理论教学，将理论教学中的难点内容和演示性实验项目虚拟和仿真化，强化学生对理论教学内容的理解和掌握；

（2）“工程训练”模块主要针对煤矿现场实践，如通过现代化矿井漫游仿真，使学生获得沉浸式煤矿实践体验，通过矿井灾害再现仿真，使学生产生震撼性的安全教育，以及通过综采（或综掘）工作面工艺仿真及虚拟操作互动实训，强化训练学生实际操作能力；

（3）“科研活动”模块主要结合教师科研与学科建设项目，通过学生参与完成部分内容，使学生得到科研方法和实验技能方面的训练。

1.2 三个实验层次

（1）“多空间多系统演示仿真实验”层次主要是演示性试验，让学生了解煤炭开采的基本过程及其常见问题的解决方法；

（2）“综合与设计仿真实验”层次则主要开展根据虚拟仿真实验设备进行自由搭建和组合实验项目；

（3）“创新与前沿仿真实验”层次主要面向学科和行业发展前沿，让部分学有余力的学生参与中心教师的科研项目，将科研项目研究成果转化为虚拟仿真实验教学资源。

不同模块、不同层次相互交叉、融合渗透，形成多元化的虚拟仿真实验内容，共同构成采矿工程虚拟仿真实验教学体系。

2 虚拟仿真实验教学资源与队伍建设

2.1 虚拟仿真实验教学资源建设

中国矿业大学采矿工程虚拟仿真实验教学中心拥有的实验教学资源包括多空间多系统演示仿真、综合与设计仿真，以及创新与前沿仿真3个系列，每个系列包含多个实验项目。根据实验项目的目的和功能的不同，大致可以分为认知矿山、熟知矿山、安全矿山、绿色矿山等4个类别。中心根据科学规划、资源共享的原则，统筹规划科学研究、学科建设与虚拟仿真实验教学中心建设，及时将学科建设和科学研究成果转化为优质虚拟仿真实验教学资源，形成了科研与学科建设和实践教学相融通的机制。

（1）学科建设和科研成果转化为虚拟仿真实验教学资源。把“211工程”、“985工程”优势学科创新平台、江苏省优势学科建设工程、煤炭资源与安全开采国家重点实验室建设和“973项目”、“863项目”、“支撑计划项目”等国家重大科研项目建成的虚拟仪器设备向本科实验教学开放，增设综合性和创新性实验项目。如“973项目”课题研究成果“矿震仿真及远程监测监控平台”，增设综合性和创新性实验项目4个；“863项目”研究成果“薄煤层自动化综采工作面工艺”，增设综合性和创新性实验项目3个；“985工程”优势学科创新平台建设项目成果，增设“关键层在采动岩体运动中的控制作用虚拟仿真”、“保水开采数值模拟实验”等绿色开采虚拟实验项目5个。

（2）根据学科特色，自主研制虚拟仿真实验平台。根据学科前沿和行业发展最新成果，先后研制成功“现代化矿井漫游仿真平台”、“综采（综掘）工作面工艺仿真及操作虚拟实训互动平台”、“绿色开采虚拟仿真平台”、“安全教育培训虚拟仿真平台”等10多个虚拟仿真实验教学平台或系统；开发了“矿井生产系统仿真演示”、“岩层移动过程相似模拟仿真”、“综合机械化开采工艺互动仿真”、“煤矿保水开采仿真”、“矿井突水灾害再现仿真”等虚拟仿真实验教学内容120多项。这些虚拟仿真实验资源涵盖了验证型实验、综合设计型实验和科研创新型实验3个层次，以综合设计型实验和科研创新型实验为主，极大地拓展了本专业虚拟仿真实验教学范围、丰富了虚拟仿真实验教学内容。

（3）科研与学科建设和科研训练相结合，多让学生进入实验室接受科研训练。学生可以参加教师科研与学科建设项目、参与虚拟仿真设备建设等，在直接利用虚拟仿真实验设备自主配置开展实验的同时，学到了科研的基本方法，受到了科学精神的熏陶。如“现代化矿井生产系统虚拟现实模型”、“基于增强现实的巷道认知及矿压实测实验”、“瓦斯爆炸再现仿真系统”等许多虚拟仿真实验项目就是学生在中心教师指导下参与完成的。在丰富虚拟实验教学资源的同时，对于开阔学生视野、提升学生知识结构、培养学生的综合设计和创新能力也起到了很大的推动作用。

中心已经形成了实验室常规实验—虚拟仿真实验—井下实景实验并举的立体化实验教学新模式。此外，中心配套建设了高效、便捷的实验教学信息化管理平台，实现了利用虚拟仿真设备自由搭建和配置组合开展综合设计型和科研创新型实验的目标，确保了创新人才培养过程中综合设计型与研究创新型实验、毕业论文、科研训练实验需要。

2.2 虚拟仿真实验教学队伍建设

采矿工程专业坚持理论教学与实验教学相贯通，专业教师同时承担专业课程教学和实验课程教学；中心本着“引进急需人才、用好现有人才、稳定关键人才、培养年轻人才”的原则，制定了一系列实验教师队伍建设与管理措施。校企共建，聘请有实力的企业高级工程技术人才参与虚拟仿真实验教学，形成了一支以院士为核心的老、中、青结合，专兼职结合，年龄和职称结构合理，学术水平高，教学科研能力强的实验教学队伍，促进了中心的可持续发展。

青年教师是中心建设和可持续发展的主力军，中心实施了青年教师队伍实践能力多渠道培养机制：

（1）为刚参加工作的青年教师聘请教学科研业绩突出的教授作为教学导师，具体指导青年教师熟悉各教学环节、教学方法及教学手段；鼓励青年教师进入矿山企业博士后工作站或到企业挂职锻炼，培养教师的实践能力；

（2）安排教师深入现场开展企业合作科研项目，提高创新实践能力；

（3）加强校企合作，聘请企业兼职教师参加虚拟仿真实验指导；

（4）注重教师学缘结构的改善和教师的国际化教育背景；

（5）根据青年教师科研方向和个人特长，有计划地安排部分青年教师重点从事虚拟仿真实验教学工作。

中心非常重视虚拟仿真实验教学资源的开发工作，采矿工程学科设有采矿系统工程与数字矿山研究方向，以本方向教师为主研究开发了“矿井生产系统虚拟现实系统”、“矿震仿真及远程监测监控平台”、“绿色开采虚拟仿真平台”等虚拟仿真实验平台，获得多项软件著作权。其他教师结合个人学科建设和科学研究成果，研发了大量虚拟仿真视频资料，这些资料均已转化为中心的实验教学资源。

3 虚拟仿真实验的教学平台建设

采矿工程虚拟仿真实验教学中心将现有虚拟仿真实验教学资源整合到实验教学资源开放管理平台、数值模拟与仿真实验平台和工程实训与安全培训平台等3个平台运行。依托中国矿业大学数字化校园建设，建成了相应的信息化设备及网络信息安全平台，并确保虚拟仿真实验教学平台安全高效运行。

3.1 采矿工程实验教学资源开放管理平台

中心现有“采矿概论”、“矿山岩石力学”、“矿山压力及其控制”、“岩层控制的实验方法及实测技术”等课程的教学录像，真实地重现了生产现场及实验室实验过程。中心建设了认知矿山、熟知矿山、安全矿山、绿色矿山4类虚拟仿真实验教学资源，计算机再现了矿井生产系统及装备、矿井开采方法及工艺、设备工作原理及使用过程、灾害演变过程、矿压观测原理与测试技术等。这些教学资源均可由学生在采矿工程虚拟仿真实验教学资源开放管理平台上自行学习与自主使用。学生可以自主动手配置、连接、调节和使用这些虚拟机械设备及矿压观测仪器等开展综采工作面、掘进工作面矿山压力显现观测，或进行支护参数设计，以及其他与煤矿开采有关的实验项目。

采矿工程虚拟仿真实验教学资源开放管理平台在校园网面向所有用户开放，对校内外公布虚拟仿真实验教学信息，提供虚拟仿真实验教学平台链接等相关服务。学生可在校园内任意网络接入点访问平台资源，不仅可以方便地利用平台资源学习和开展实验，还可以根据平台上提供的器材自由搭建合理的典型实验项目。此外，虚拟仿真实验教学资源开放管理平台还具有信息发布、实验数据收集分析、互动交流、成绩评定、成果展示等功能。该平台由专职人员管理及维护，确保信息安全与网络畅通。

3.2 采矿工程数值模拟与仿真实验平台

数值模拟与仿真是采矿工程专业重要的研究方法之一，在计算机上通过数值计算和图像显示的方法，对工程问题进行仿真与推演，达到研究解决问题的目的。采矿工程虚拟仿真实验室拥有ITASCA系列FLAC（FLAC3D）、UDEC（3DEC）、PFC2D（PFC3D），和FLUENT、ABQUES等数值模拟与仿真软件，可以开展由于开采引起的岩层运动与矿压显现及其控制、巷道支护设计、采煤工作面支架选型设计等问题的研究，为采矿工程专业本科生和研究生培养提供了完备的虚拟仿真平台。实验室拥有可开展大型数值计算的服务器，并由专人维护、管理，保证教学、科研需要。

3.3 采矿工程实训与安全培训平台

为了培养学生安全意识和动手能力，采矿工程虚拟仿真实验教学中心利用虚拟仿真技术建立了采矿工程虚拟仿真实训室，拥有可进行人机对话的矿压实测实训系统和煤矿主要生产设备操作培训系统。矿压实测实训系统是在物理模型基础上，利用虚拟现实技术拓展物理模型运动空间，通过安装在物理模型上的实测仪器仪表测试矿山压力，警示安全隐患。煤矿主要生产设备包括采煤机、掘进机、提升机等，实验室所拥有的采煤机虚拟实训操作教学系统、掘进机虚拟实训操作教学系统、提升机虚拟实训操作教学系统利用人机对话方式培训学生对主要生产设备的安全操作技能。

4 虚拟仿真实验教学资源的开放机制建设

4.1 虚拟仿真教学资源开放共享

4.1.1 面向行业高校的共享

中心努力促进实验教学资源在全国煤炭等矿业院校的开放共享。中心建成的《采矿学》国家级精品资源共享课程；编写的“岩层控制的实验方法与实测技术”等3部实验教材、16部实验讲义；研究开发的10多个虚拟仿真实验教学平台及虚拟仿真实验项目等基本实现了行业高校共享。5年来，中心还为行业高校培养师资80余人、接受国内外学者进修40多人次、邀请国外专家实验教学交流与示范教学20余次、主办国际及全国性学术与教学研讨会4次、煤炭高校实验教学会议3次。

4.1.2 面向行业与社会服务

中心对有关中央企业总部及其下属煤矿企业、省属煤矿企业总部及其下一级煤矿企业的总工程师和副总工程师3 000多人进行了培训。培训主要内容包括煤矿矿长保护矿工生命安全7项规定、矿井开拓与开采、新型材料与矿用材料、冲击矿压灾害防治、煤与瓦斯突出预测技术、矿井运输与提升、矿山绿色开采技术及应用等。特别是中心建设的矿震虚拟仿真与远程监控系统已在全国20多个矿区实现联网，将现场数据通过网络传输到该平台后，经过拥有自主知识产权的虚拟仿真与软件分析，对矿震进行预测与预警，实现学校与矿山的资源共享，为煤矿的安全生产提供预防与保障。

4.1.3 面向淮海经济区的辐射

淮海经济区处于江苏、山东、河南、安徽的交界区域及长三角和环渤海经济区之间，人口一亿多，有高校45所，中国矿业大学处于淮海经济区中心城市徐州，中心一直加强向周边地区高校示范辐射作用。如接待淮海工学院、淮北煤炭师范学院、徐州师范大学、安徽理工大学，河南理工大学等高校的来访交流，进行共建合作，每年举办一次淮海地区高校矿业类实验教学研讨会或中心主任交流会，举办实验教师培训班为本区域培养实验教师25人，目前他们已成为各校的实验教学骨干。

另外，中心鼓励与支持教师勇于创新，注重教学与科研相结合，承接纵向科研项目、教改项目以及横向科研项目。通过面向社会开放，开展技能培训、考工考级、技术咨询、产品开发、校企合作等，扩大了我校与各级政府和企业间的联系，扩大中心在社会的影响，充分发挥了优质资源共享的作用。

4.2 虚拟仿真实验教学效果

4.2.1 面向矿业类专业开设各类实验课程

中心每年面向全校17个专业的6 180人次全日制本科生开设矿业工程类实验课程，年实验约13.5万人时，并承担本科生毕业论文、科技创新活动等。中心向全校及淮海经济区大学生毕业设计、科研训练、课外科技活动及各类创新竞赛开放，年接待创新实践学生数900多人次，为我校和区域内各级各类本专科学生实验教学、创新实践及区域经济发展发挥着重要的实践基地和实验示范作用，有效地促进了我校各相关学科、专业的交叉、渗透、融合和发展。

4.2.2 面向行业和国内同类高校辐射

全国其他11所原煤炭部所属高校及其他32所非煤院校也招收采矿工程专业学生，采矿工程虚拟实验教学中心建设模式在这些院校中进行了推广，中心的成果与资源对行业高校实现共享，在实验教学研究与人才培养等方面得到国内外同行的肯定。近5年来中心多次接受来自中南大学、东北大学、重庆大学、新疆大学、河南理工大学、西安科技大学、山东科技大学、安徽理工大学、内蒙古科技大学、内蒙古工程大学、河北工程大学等高校教师的交流与观摩学习。

4.2.3 培养和提升学生的综合素质

经过中心坚持不懈的建设，进一步理顺了实验教学管理体制、整合资源、改革实验教学体系、研究实验教学内容、强化实验教学方法和手段，为学生提供了更多、更好的发展自身综合素质和创新能力的机会，带动了一大批学生自觉参加到自主选择实验项目或教师的科研项目中去，推动了学生自主学习能力、综合素质和创新能力的培养，实现了实验教学指导思想的根本转变，取得了良好的教学效果。

5 虚拟仿真实验教学中心的特色与创新

采矿工程虚拟仿真实验教学中心根据科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展的指导思想，创建了煤矿重大灾害过程及不安全环境虚拟仿真实验教学平台、煤矿复杂环境下大型昂贵机械设备虚拟仿真实验教学平台和完备的虚拟矿井生产系统和虚拟仿真互动实训平台等3个虚拟仿真实验教学平台，破解了煤矿开采特种行业条件下安全生产要求和大规模学生实践困难的矛盾问题，实现了资源共享，为矿业类大学生实践和创新能力的培养创出了一条特色之路。

（1）创建了煤矿重大灾害过程及不安全环境虚拟仿真实验教学平台。采用虚拟仿真技术，再现了煤矿瓦斯爆炸、瓦斯突出、煤尘爆炸、火灾、冒顶、矿震、突水等安全事故以及其他不安全生产环境，强化了学生对煤矿安全事故的成因、经过和危害的认识和理解，产生了震撼性的煤矿安全警示教育效果。

（2）创新了煤矿复杂环境下大型昂贵机械设备虚拟仿真实验教学平台。将煤矿大型机械设备、矿压监测仪器以及井下复杂环境虚拟仿真化，建成了虚拟煤矿机械设备和矿压监测仪器，实现了大型昂贵机械设备和相关仪器的虚拟仿真操作、自由搭建与配置，丰富和拓宽了虚拟仿真实验教学内容和范围。

（3）建立了完备的虚拟矿井生产系统和虚拟仿真互动实训平台、矿井虚拟漫游系统和采掘工作面虚拟仿真互动教学系统，实现了生产矿井的全景透视和沉浸式漫游，以及煤矿机械设备的虚拟互动操作，开拓了学生视野，提升了学生综合设计和创新能力。

6 结束语

采矿工程虚拟仿真实验教学中心依托矿业工程国家级实验教学示范中心，以培养大学生创新精神和综合工程实践能力为导向，引入计算机虚拟现实技术和数值模拟与仿真技术，建设了“模块化、层次化、多元化”的虚拟仿真实验教学体系和实验教学资源，实现了虚拟仿真实验教学资源的开放共享，以及智能化和网络化管理，破解大学生实践实训和科研创新训练难题。作为国内领先的虚拟仿真实验服务平台，中心需要更好地聚集效应，吸引更多的虚拟产品企业入驻、合作，共同托起培养煤矿创新人才的伟业。

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［1］钱鸣高，许家林.科学采矿的理念与技术框架［J］.中国矿业大学学报：社会科学版，2011（3）：1－7，23.

［2］李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平［J］.实验室研究与探索，2013，32（11）：5－8.

［3］王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议［J］.实验室研究与探索，2013，32（12）：5－8.

［4］李亮亮，赵玉珍，李正操，等.材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设［J］.实验技术与管理，2014，31（2）：5－8.

［5］程思宁，耿强，姜文波，等.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践［J］.实验技术与管理，2013，30（7）：94－97.

［6］蒲丹，周舟，任安杰，等.多层次综合性虚拟仿真实验教学中心建设经验初探［J］.实验技术与管理，2014，31（3）：5－8，16.

［7］徐雪战，孟祥瑞，何叶荣，等.基于三维可视化与虚拟仿真技术的综采工作面生产仿真研究［J］.中国安全生产科学技术，2014，10（1）：26－32.

［8］廖传义.3D仿真游戏在煤矿安全生产培训管理系统中的应用［J］.中国安全生产科学技术，2012，8（5）：155－158.