露天矿台阶爆破虚拟仿真系统的建设与实践

钟祥华，于 岩，楼晓明，刘青灵，刘文元

（福州大学 紫金矿业学院，福建 福州 350108）

在采矿工程专业培养中，露天矿台阶爆破是核心课程，其中的实验教学占较高比重，是完成专业培养目标的必要内容。然而，传统的露天矿台阶爆破中的大部分实验项目具有风险大、成本高、消耗大及实际操作难等特点。矿山实验现场迫于安全及生产经营的压力，很难安排学生开展实验工作[1]。此外，露天矿台阶爆破实验曾尝试采用爆破器材及模型等方式来替代，但教学效果不佳[2]。传统的实验教学导致学生的专业素质和专业能力不足，很难适应智慧矿山企业对人才的要求，已经成为该课程教学面临的普遍问题。

计算机网络、多媒体及虚拟仿真技术的发展及普及，为高等教育教学的多元化和深层次发展带来了机遇[3]。虚拟仿真技术为矿山技术人员提供一种逼真的三维虚拟环境，使用户不仅可以沉浸在虚拟矿山场景中，还可以与之进行实时交互，用户可以沉浸于数据空间，能以更自然、更直接的方式与数据交互，这是传统的二维 CAD设计图和预渲染回放的三维动画所无法达到的[4]。

我校采矿工程专业结合当前高校实验教学的新变化，利用信息技术建立了露天矿台阶爆破虚拟仿真系统。该系统利用现代网络技术、VR技术，多维度展现露天矿台阶爆破的整个工艺流程，解决了现场实习难、危险系数大、了解不全面、师资不足等难题，为学生提供了安全、逼真的交互环境。

本文以露天矿台阶爆破虚拟仿真系统的建设与实践为例，介绍了该系统建设的必要性、可行性、建设内容及建设成效，为采矿工程专业乃至其他相关专业虚拟仿真系统的建设提供借鉴。

1 传统露天矿台阶爆破教学中存在的问题

露天矿台阶爆破课程实验教学的特殊性决定了现场实验教学需要到实际的矿山企业开展，这就需要矿山企业的支持，同时学校也需要专门的经费作保障，而现场的实验教学暴露出很多问题。一方面，对于提供实验场所的矿山企业而言，其生产经营目标重、安全责任大，爆破实习很难安排；另一面，对于高校而言，到矿山企业开展爆破实习，成本较高[5]。此外，在实验教学中，教师曾尝试使用爆破器材及模型等方式来替代实验，但教学效果不佳。具体问题表现在以下几个方面：

1.1 传统实验教学场地无法满足

露天矿台阶爆破实验教学活动安排在矿山企业现场，不仅给企业的生产经营带来影响，也给企业的安全管理带来难题。生产和安全是矿山企业的两大生命线，大部分矿山企业对接待学生实习缺乏动力。近年来，学校也通过各种渠道来力图解决这个问题，比如建立露天矿台阶爆破实践基地[6]，但企业的实践基地仍受企业生产经营的影响。此外，福建省是全国首批 3个国家生态文明试验区之一，且实践基地所在地的上杭县为生态文明建设示范县，对安全环保要求很高，尽管当地的矿山企业提供了很好的实践平台，但实习时间还是很难保证。

1.2 传统实验教学指导教师无法保证

露天矿台阶爆破现场实验教学需要具有矿山一线工作经验的教师指导，为此学校开创性地引入“工程型”教师参与教学的理念，选拔有现场实践经验的高级工程师由学校培训合格后上岗。这些“工程型”教师具有丰富的现场管理经验，通过专业的教学培训后具备教学能力，能够胜任工程型人才的培养要求，培养的毕业生能够快速胜任矿山工作。“工程型”教师教学成为我校“紫金模式”教学的重要组成部分，而“校企深度融合‘紫金模式’协同育人创新与实践”获2018年高等教育国家级教学成果二等奖[7]。但“工程型”教师存在一些问题，如人事调动、岗位变动以及思想波动、考核机制不完善等。尽管我校已经开展了5轮培训工作，共聘任了15位该课程的“工程型”教师，仍面临现场指导教师不足的问题。

1.3 传统实验教学模型限制大

露天矿台阶爆破实验教学中的验证型、演示性观摩实验受实验空间和制作成本的制约，设计的实验内容不能达到课程的教学目的。爆破场景受实验室条件限制，用模型很难模拟和重现。例如，学生必须掌握和认识不同类型盲炮的处理方式，包括：（1）情况为爆破网路未破坏，最小抵抗线无变化；（2）情况为雷管爆，而炸药未炸；（3）情况为部分炮孔拒爆以及大块和根底处理方法。这3种情况用模型很难解释清楚。此外，爆破孔的设置、钻孔等步骤在实验室也很难演示；且传统的爆破工程中实物模型是单一的、局部的以及静态的，代表性差，与实际场景还有较大的差异。因此，受时间和空间的限制，传统实验教学模型很难达到预期的教学效果。

此外，现场实验教学虽然可以提高学生的认识，但成本高，而且现场看到的只是某个时间点的情况，学生在头脑中很难建立起爆破时的动态模型。多媒体教学与演示虽然可以丰富教学内容，而且也直观生动，但师生互动差，教学效果差。

2 露天矿台阶爆破虚拟仿真系统建设的必要性

露天矿台阶爆破是采矿工程专业必须掌握的一门实践性强的专业课程，提高实验教学质量最有效的方法是让学生通过实践将课堂上的知识用于实际工程中，掌握相关原理及数据分析方法。对于实验教学项目，师生最关心的是该项目的教学深度、广度和教学内容对提升教学效果的作用。爆破工程实验涉及高危环境，现场实习成本高，虚拟仿真实验系统拉近了真实现场实践与实验教学之间的距离，让不能做、做不上和做不好的实验步骤通过虚拟仿真技术在实验教学中得以实现，拓展了实验教学项目广度与深度。同时，虚拟仿真系统拓展了教学内容，提升了教学效果[8]。利用虚拟仿真技术将传统的实验操作场景完美呈现，对露天矿台阶爆破完整的场景三维进行仿真，可以对整个爆破流程，主要包括爆破参数和爆破工艺的设计、钻孔、验孔、装药、堵塞、网络连接、警戒和起爆、爆后检查及处理等，进行虚拟再现。虚拟仿真系统采用第一视角的主场景方式，为学生带来现场体验，让学生快速掌握露天矿台阶爆破的整体工艺流程和爆破设计方案。露天矿台阶爆破虚拟仿真系统安全环保，不受时空限制，学生们可以在反复学习中提高自己的实践能力。因此，通过虚拟仿真系统，学生能够在较短时间内对整个露天矿台阶爆破有直观三维立体视觉感受，更能准确地把握生产环节上的关键点，从而培养出采矿专业毕业生应有的系统观与大局观，而这些是传统的实践教学没有办法做到的[9]。露天矿台阶爆破虚拟仿真系统的建设，不仅对凿岩爆破课程和采矿生产实习课程的教学是有力补充，而且通过整体爆破工艺流程的展示，拓展项目广度和深度，延伸实习时间和空间，对培养学生的系统性意识、激发学生对专业的学习兴趣和研究潜能、增强学生的工程实践能力也具有重要意义。

3 露天矿台阶爆破虚拟仿真系统的构建

我校采矿工程专业是教育部首批“卓越工程师教育培养计划”的实施专业，并通过了国家工程教育专业认证。露天矿台阶爆破虚拟仿真实验项目被列为2019年福建省高等学校虚拟仿真实验教学项目，该项目正在申报国家虚拟仿真项目。根据课程的教学目的和教学要求，虚拟仿真系统涵盖教学全过程，包括虚拟现场场景的设计、虚拟实验的设计、虚拟实验的开展，并嵌入动态交互式模块。在具体虚拟设计中，将虚拟主场景在距民房20 m外仿真为一个渐高的台阶，岩石的特性参数随着台阶高度的变化而变化。根据爆破的流程，设计19个实验步骤，包括爆破参数和爆破工艺的设计、钻孔、验孔等。通过对虚拟场景中各步骤的学习和实验，学生对台阶爆破过程中整体与部分的关系形成一个清晰的认识，而各种特殊识别标志的学习以及专项作业、任务闯关让学生在体验虚拟现实的娱乐功能功效的同时，可以进行不同地质环境条件下的不同爆破参数和爆破工艺设计，并进行合理的爆破施工。整个系统的具体布局如图1所示。

图1 露天矿台阶爆破虚拟仿真系统的布局

3.1 虚拟爆破场景，解决场地限制问题

矿山企业很难安排学生开展爆破实验，直接给实验教学带来困难。同时，由于爆破行业的危险性，现场实验易让学生心生恐惧。虚拟仿真系统的建设及应用，可有效解决实验场地问题。虚拟仿真实验不受现场实验时间、空间和安全等问题的限制，能直观表达具有空间、时间复杂特性的系统构成及工艺流程，有利于教学质量的提高[10]。学生只需要在计算机前完成实验，进入系统后，立刻就有“身临其境”的感觉。

在虚拟仿真实验系统中，将每个步骤涉及的不同作业过程和重要机械设备设计为嵌入式虚拟仿真场景，学生通过操作、设计等交互式动作，实现更复杂的实践活动。为了增强学生对不同爆破实体的理解，在实验中设置了多个台阶场景，在场景中的多个位置设置鹰眼，学生可多视角观察台阶，并对台阶上各项参数（岩石的硬度系数、岩石完整性、是否有水、岩石抗压拉及剪切强度、岩石密度、台阶高度、距民房距离等）进行设置（如图2所示）。在台阶爆破起爆药包制作步骤里，可直接拖动起爆药包制作所需的3种主要材料至合成栏，点击合成，从而动态展示起爆药包的制作过程，同时配合语音讲解和文字面板说明，介绍起爆药包制作的时间、地点和制作方法，并说明制作起爆药包时的注意事项（如图3所示）。此外，在各个爆破流程中，添加三维视角，学生可从各个视角观察爆破场地、爆破机械和爆破材料等，并可旋转、缩小和放大视图。通过虚拟仿真系统的使用，学生可以在接近现实的场景中完成实习任务。

图2 露天矿台阶爆破中的虚拟台阶

图3 露天矿台阶爆破中模拟起爆药包制作

3.2 线上线下协调，解决师资不足问题

师资问题困扰着传统矿山爆破实验的开展。露天矿台阶爆破虚拟仿真系统建成后，从根本上解决了师资不足问题。仿真系统的后台由专业的软件公司设计完成，任课教师根据操作规程以及教学需要及时更新系统。整个教学过程只需要一名授课教师和一名计算机管理员即可完成。露天矿台阶爆破虚拟仿真系统总体布局采用线下与线上结合的方式进行。学生在线下根据教师要求进行仿真练习，熟悉整套仿真系统的使用方法及步骤；而专业教师在线上进行集中教学管理、资源管理、考核管理等，学生通过网络平台进行相应的虚拟实验、专项作业和任务闯关。在整体布局中，学生独立完成从爆破场景设计、虚拟爆破实验再到最后实验报告提交的全过程，教师可随时监控学生的学习情况。

必要的考核对于培养学生的综合能力至关重要，可直接提升学生学习的积极性[11]。露天矿台阶爆破虚拟仿真系统让考核变得灵活而简单。在虚拟仿真系统中，学生最终成绩由实际操作专业成绩、闯关成绩和实验报告组成。其中，爆破中的每个步骤成绩构成实际操作专业成绩，考核学生的独立思考和动手能力；而带有娱乐性质的闯关成绩构成总成绩的一部分，考核学生的反应能力和专业知识的储备水平；实验报告成绩侧重考查学生的综合能力、报告撰写与文字编辑能力等。依据最终成绩，系统自动形成成绩表，并对成绩进行分析和解译。任课教师可以根据课程的教学要求，调整需要掌握的实验步骤的分值，将在实际工作中常见的操作设置为关键考核点，记入闯关成绩。学生在轻松的学习环境下，掌握专业知识和提高实践能力，可以达到预期的考核目的。因此，在露天矿台阶爆破虚拟仿真系统的应用中，教师可以对学生进行实时指导，任课教师和计算机管理员配合即可完成相应的教学任务。

3.3 动态交互式仿真，解决模型失真问题

露天矿台阶爆破虚拟仿真系统在模拟的三维空间中设计了人机交互，实现虚拟世界与现实世界的无缝对接，其内容强调交互操作[12]。在实验中，虚拟仿真系统将以往由教师演示或模型替代的部分全部转为学生根据爆破场景的设计及操作。在台阶爆破虚拟仿真设计时，教师明确学生需要掌握的操作，对一些重要的步骤，设计了必要的交互动作，让学生自主完成。学生通过点击特殊识别标志，启动嵌入式虚拟仿真场景，根据实际情况，分别启动语音介绍、视频插播、放开三维鼠标权限便于交互式操作。比如，爆破器材参数设置栏里，包括炸药、起爆器材、辅助工具3大模块。炸药模块三维仿真了乳化炸药（包括各种直径）和铵油炸药，点选后会对其爆速等参数作相应的简介。起爆器材包括导爆索、普通电雷管、导爆管雷管、电子数码雷管等的三维仿真，同时可以选择段别及对应的延期时间。辅助工具中三维仿真毛竹片供学生选用（如图4所示）。学生们可以根据每一个模块的提示，结合实验内容，对爆破器材进行设置。不同的设置方式可以模拟不同爆破效果。通过对爆破步骤有针对性的设计，学生可以把控操作步骤，通过实验效果验证实验方案的可行性，弄清自己设计的实验的优劣。

图4 爆破器材实物设置

在虚拟仿真系统中，为了提升教学效果，专业的软件工程师将整个爆破操作演示类的教学内容制作成动画融入虚拟仿真场景中。例如，在台阶爆破炮孔布置栏里设计了一个爆破炮孔布置框，框中包含填写爆破的排数、布孔方式（方形、矩形或梅花形）、钻孔角度等参数等，点击动画演示后，虚拟仿真系统开始在平整好的场地台阶上动态演示炮孔布置的过程，同时配合语音讲解有关炮孔布置的原则（如图5所示）。此外，在台阶爆破起爆警戒栏里，点击动画演示，虚拟仿真系统开始展示台阶爆破警戒的全过程预警，包括预警信号发出—清场—派出岗哨—临时交通管理—坚守岗位—起爆信号—坚守岗位—解除信号—撤除警戒，同时配合语音讲解和文字面板说明，解说要清场的因素及其理由、岗哨的位置及注意事项、3个信号的发出及信号发出后人员的响应情况（如图6所示）。因此，学生们在虚拟动态实验中，安全意识和规范意识得到提升。通过动态交互式设计，学生可以在轻松的环境下学习知识，从而摆脱模型演示无法达到预期教学效果的局面。

图5 露天矿台阶爆破中模拟钻机钻孔

图6 露天矿台阶爆破中模拟爆破警戒

4 露天矿台阶爆破虚拟仿真系统建设成效及出现的问题

针对露天矿台阶爆破课程的特殊性，课程的教学方法和教学内容在不断创新，从最初的爆破现场操作演示到拍摄真实爆破视频讲解，再到简单的 Flash动画视频，最后使用虚拟仿真教学系统软件[13]。露天矿台阶爆破虚拟仿真系统建立后，教师可直接在线上和学生交流，并根据实际的教学目的和教学效果及时改进系统；学生可以充分利用虚拟仿真系统的优势和性能，随时随地学习，反复演练，重复操作[14]。虚拟仿真教学解决了传统实验教学受空间和时间的限制的问题，此外，漫游式的操作体验、嵌入式的交互、动态仿真等大大提高了学生对爆破工程实践的学习兴趣，提升了教学效果[15]。爆破工程是高危行业，学生对爆破实验自带恐惧，虚拟仿真系统可改变大家对爆破课程的恐惧感，而且能培养按规章操作的良好习惯，强化了安全意识。同时，学生的实践能力、创新能力和科研能力得到提高。采用虚拟仿真教学的采矿专业的毕业生进入矿山工作后适应能力强，能很快胜任岗位，得到用人单位的认可。尽管露天矿台阶爆破虚拟仿真系统有着多种优势，但仍存在一些问题[16]，如交互性不够、逼真不足等。虚拟仿真系统的真实性和矿山现场实验还有差别，虚拟仿真的真实度不够，在实际的教学工作中，应适当安排爆破现场实验，可以考虑在生产实习时适当加入。

5 结语

露天矿台阶爆破教学中引入虚拟仿真技术，对露天矿台阶爆破完整的场景进行三维仿真，对整个爆破流程进行虚拟再现，解决了实际爆破现场不能进入的难题以及实验时间无法保证的问题，可以有效提高教学效率和教学效果，缓解了该课程实验难度大的问题。露天矿台阶爆破虚拟仿真系统采用第一视角的主场景方式，为学生带来现场体验，可以使学生快速掌握露天矿台阶爆破的整体工艺流程和爆破设计方案，能够加深学生对台阶爆破的认识程度，提高学生专业兴趣、创新能力和科研能力，为采矿工程专业及其他相关专业相关课程的教学改革提供了有益的经验。