基于虚拟矿井建设的采矿工程学科实验教学方法探讨

刘钦节 杨科

摘 要 实验教学在培养学生实践动手能力和创新思维训练等方面具有重要意义。本文针对安徽理工大学采矿工程学科现有实验条件及实验教学现状，总结分析了实验教学过程中的一些问题与不足，探讨了一种基于虚拟矿井建设的采矿工程学科实验教学方法。该方法通过构建兴趣驱动的游戏般的实验环境，使互动媒体实验教学与课堂理论教学相统一，挖掘学生的自主性、探索性和创新性，循序渐进地培养具有实践能力强、素质高、创新型的高素质人才，可为相关专业实验教学体系改革提供重要借鉴。

关键词 实验教学 虚拟矿井 采矿工程

中图分类号：G424文献标识码：A

Study on Experimental Teaching Methods for the Mining Engineering

Disciplines based on Virtual Coal Mine Construction

LIU Qinjie， YANG Ke

（School of Mining and Safety， Anhui University of Science and Technology， Huai'nan， Anhui 232001）

Abstract The experimental teaching methods have great significance in cultivating students' practical ability and creative thinking training. In view of the experiment conditions and existing shortcomings in experiment teaching of Anhui University of Science and Technology， the authors put forward a tentative experiment teaching method based on virtual coal mine construction for mining engineering college students. Aiming to impart professional experiment knowledge and to improve students' innovation capability， this method integrates the interactive media experiment teaching process to in-class theory teaching， excavates students' autonomy， exploration and innovation abilities， by constructing the interest driven game-like experiment environment， which can provide an important reference for the reform and further research on relevant disciplines experimental teaching methods.

Key words experimental teaching; virtual coal mine construction; mining engineering

实验教学活动，是大学生学习知识、训练技能、培养创新思维、锻炼实践动手能力的一个重要环节，在全面推进采矿工程专业人才素质教育过程中具有十分重要的意义。①而目前采矿工程专业大学生的培养仍局限于课堂讲授和陈旧模型的观摩，不仅实验教学环境单一、互动环节薄弱，而且不能充分调动学生积极性和探索性，无法保证相关教学质量。

为了有效改善采矿工程学科专业课程实验教学的效果，充分调动学生学习专业课程的自主性、探索性和创新性。本文结合安徽理工大学采矿工程学科现有实验条件及相关教学现状，总结分析了实验教学过程中的一些问题与不足，探讨了基于虚拟矿井建设的以任务为目标、兴趣为驱动的采矿工程学科实验教学方法。

1 安徽理工大学采矿工程学科实验教学现状

安徽理工大学采矿工程学科充分认识到实验教学在培养学生实践能力和创新能力方面具有的重要作用，為此，严格按照专业培养计划，建立了利于培养学生实践能力与创新能力的实验教学体制，组建成立了多个省部重点实验室、研究中心、大学生创新实践基地等，为学生开展课外科技创新实践活动提供了一个良好的软硬件环境，逐渐形成了围绕培养学生实践动手能力和创造思维构建采矿工程专业实验课程体系，建立完整的实验教学质量保障体系。然而，由于目前普遍以“厚基础、宽口径”为办学指导思想，加之教学内容更新慢、教学方法模式化、教学环境单一等因素的制约，致使采矿工程学科实验教学过程尚存在一些问题与不足，②③如：

（1）投资大，运行成本高。采矿工程学科，建设一个系统完备的专业实验室，至少需要花费数百万。此外，实验过程中的能源、物料及不可避免的仪器设备的损坏消耗巨大。

（2）运行效率低、总体利用率不高。实验设备通常是按照预先设计的实验目的购置的，能够支持的实验内容比较单一，同时受益学生有限，而且在2次实验之间，处于闲置状态，总体利用率相对较低。

（3）教学形式相对单一，缺乏完善的统筹与安排，计划性不强，针对性较弱，不能充分调动学生的积极主动性。

（4）实验资源不足，不能满足广大学生的实际需求，在很大程度上抑制了学生参与实验教学活动的积极性和主观能动性。

（5）现有模型陈旧、展示手段单一、更新效率低，阻碍了采矿工程专业学生实践创新能力的培养。

2 基于虚拟矿井建设的采矿工程学科实验教学方法的提出

采矿工程专业教学的首要任务是培养学生对矿山实体与工程视图之间的一种形象思维和逻辑思维能力。然而，由于缺乏现场认识，学生们难以想出书本上呆板图形所要表达的矿山巷道形状、结构特征及其相互之间的空间关系。

如果能够利用近年来迅速发展起来的虚拟样机技术构建一个“五脏俱全”的矿井生产环境，分别利用声音、图形、图像、动画和实物照片等多角度多方位地冲击学生的感官神经，可以极大地吸引学生的注意力、提高实验教学效率。同时，通过三维游览和兴趣驱动的游戏模式表達出传统教学手段无法描述的现象和规律，使学生从不同角度观察各种井巷、硐室等的结构形状和空间位置关系，而且还可以针对不同的教学内容和教学目的，带领学生在虚拟生产矿井中游览每个井筒、巷道和硐室，使学生身临其境、切身感悟，不仅可以大大增强学生对抽象事物的感受能力，而且还能有效激发学生的学习兴趣，促使学生充分发挥主观能动性，达到一个良好的教学效果。④

基于此，本文综合利用虚拟现实技术、仿真技术、计算机图形图像技术等生成逼真的“虚拟矿井建设”实验场景，按照采矿工程专业毕业生在从事工作后的实际晋升途径，分别设计出工作岗位角色和工作任务，并配备必要的设备、仪器和工具，让同学们在虚拟情境中完成自己未来岗位的工作任务，并获得晋升及奖励，促使学生进行更深层次的实践动手操作。不仅可以提高学生的实验积极性，而且可以得到许多在常规实验中难以实现的效果和实验现象。

3 基于虚拟矿井建设的采矿工程学科实验教学方法的构建

通过构建基于兴趣和任务驱动的囊括矿井工业广场、完整地面生产系统、井筒及提升运输设备、井底车场（包括中央变电所、水泵房、水仓、煤仓、转载硐室、炸药库、充电硐室等）、测风站、掘进工作面（综掘、炮掘）、采煤面（炮采、普采、综采等）功能完善、配套齐全的大型综合虚拟矿井建设的实验场景，不仅可以形成独特的实验教学体系，而且能够让学生对煤矿生产各系统、各环节进行掌握和实践操作，便于激发他们奋发向上的精神和珍惜热爱生活的态度。具体构建方法为。

（1）分析当代大学生的求新、求异、个性化的需求，探讨一种新型的基于兴趣驱动的采矿工程学科虚拟实验方法，让学生在虚拟的“矿井建设”环境下完成自己的专业实践训练，通过构建兴趣驱动的游戏般的实验环境，使互动媒体实验教学与课堂理论教学相统一。

（2）总结分析我国现有虚拟实验在硬件装备、软件配置等方面的现状，收集整理学生、实验教师等对虚拟实验教学的评价，明确采矿工程专业学科“虚拟矿井建设”实验可行性;

（3）综合利用虚拟现实技术、仿真技术、计算机图形、图像技术等虚拟现实技术构建采矿工程学科实验教学场景实现方法。

（4）基于虚拟矿井建设的实验教学体系建设，主要内容包括。

①人物角色设计及其晋升体系：以大学生毕业后从事矿业生产工作的实际职称系列或管理系列为依据设定相应的角色。

②角色任务分配及奖惩办法;根据采矿工程行业各职称系列人员所从事的具体工作内容设计出虚拟矿井建设过程中各角色的任务。通过本部分内容的学习，可使学生们明确自己以后的实际工作内容和所需要的专业知识，进而明确大学期间需要掌握的专业知识。

③实验道具设计，即虚拟矿井建设所需的设备、仪器、系统及工具等，使学生们掌握采矿生产过程中的设备配套、功能原理及其操作方法，并加深相关作业的工艺过程和关键环节控制等专业知识。

④角色身份及相关装备的获取途径及条件设计：基于现有职称晋升标准，制定出虚拟矿井建设中各角色任务的晋升条件，使学生们对于自己未来的成长方式有个大致的了解，从而准确把握大学期间的任务和目标。

⑤基于计算机虚拟现实技术，生成逼真的实验情境，使学生在该情境中借助必要的道具对实验对象进行操作，实现“虚拟身份”的真实体验。

4 结语

采矿工程学科是一门实践性很强的学科， 对于学生的三维空间想象力、多学科协调配合的能力和较强的实践动手能力等要求较高。本文探讨了基于虚拟矿井建设的实验教学方法，为实验教学提供一种崭新的技术手段和改革方向，不仅有助于提高专业课程的学习成效，并循序渐进地培养具有实践能力强、素质高、创新型的高素质人才，而且通过虚拟现实中的职业生涯规划与预演，对于培养学生奋发向上的精神和珍惜、热爱生活的态度具有重要意义。

资助项目：安徽理工大学校级教研项目（2014JYXM035）

注释

① 杨德传.采矿专业本科生工程实践性教学探讨[J].科技信息，2011.20：441-442.

② 刘钦节，王文.关于提高采矿工程专业课程教学质量的思考[J].黑龙江科技信息，2012.36：201-201.

③ 韩磊，杨科.采矿工程三维可视化虚拟实验室建设[J].实验技术与管理，2011.28（6）：211-213.

④ 张能福，何新矿，阎旭骞.虚拟现实技术及其在采矿中的应用[J].金属矿山，2002（11）：23-25.