矿山电工虚拟仿真教学探讨

韩森，刘萍，吴桂义，王沉

（贵州大学 矿业学院，贵州贵阳 550025）

矿山电工课程是采矿工程、安全工程本科生的专业基础课，通过本课程的教授，使学生掌握煤矿电工技术及安全的基本理论、基本知识和基本技能，了解煤矿电工技术及电气安全的最新进展和发展动态，培养学生具有一定的实践动手能力和应用能力，为从事工程技术工作打下良好基础。

1 矿山电工课程特点

传统的矿山电工课程主要通过理论教学和实验课程来进行，课程教学存在以下特点[1-2]：

（1）课程内容较多。

本课程共7章内容，包括矿山供电系统、供电系统短路电流计算、矿山供电设备、安全用电及保护、采掘机械设备电气控制、采区供电设计计算以及矿井照明。课程内容覆盖面广，概念较多，学生学习内容繁多。另一方面，除了采区供电设计需要应用前述各章知识点外，其余章节之间联系不太紧密，且课程知识内容涉及概念、计算、设备选型、电路图分析等，需要学生根据学习内容调整学习思路，对于学生掌握课程知识点提出了更高要求。

（2）部分内容抽象，不易理解。

本课程部分内容比较抽象，单纯通过文字说明和平面图片不易理解，比如各级采区变电所内设备布置以及设备间的连接、低压配电开关和检漏继电器配合使用、多台磁力起动器之间的连锁控制等内容，在教学过程中都需要安排较多时间来讲解，学生也需要花费较多时间和精力才能基本掌握。对于这些内容，部分安排实验学时，但一方面，实验室内相关矿山电工设备种类和数量有限，无法大范围覆盖教学难点，另一方面，学生在电工实验操作过程中，需要动手连接一些电路，学生实验过程中的安全问题也必须考虑。

（3）与现场联系不够紧密。

随着矿山智能开采和安全高效开采的不断深入，矿井现场的电气控制技术得到长足发展，课程教材及教学内容与现场实际生产情况脱节。另外对于矿井的整体供电系统、各级变电所的设置以及内部设备布置，包括变压器、配电开关等具体设备，通过传统教学，很难生动形象地使学生接受并理解。虽然学生有机会去矿山实习，但由于电气系统设备的危险性和特殊性，一般只会安排参观变电所，学生往往只能走马观花地看个表面，对于现场矿山电器设备的了解十分有限，对矿山电工知识难以形成深层次的认识和理解。

（4）学生难以发挥主观能动性。

在课程教学过程中，虽然有互动，但受到学时限制，加之课程内容较多，导致学生在学习过程中仍多处于被动接受的状态，虽然有一些实验内容，但限于实验室硬件条件，实验学时占比较小，学生不能充分发挥自身主观能动性，使得学习参与程度不够深入，教学效果往往事倍功半。

针对矿山电工课程教学特点，为在教学过程中有效地解决这些问题和难点，进行课程教学方法的改进十分必要，考虑到目前虚拟仿真技术在高校教学中的应用越来越广泛，因此探讨在传统矿山电工理论教学和实验教学的基础上，利用虚拟仿真实验教学手段对课程教学进行补充和改进。

2 矿山电工虚拟仿真教学内容

虚拟仿真实验教学是国家信息化教育战略的重要实践内容[3-4]。虚拟仿真技术，简称VR，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，同时，也是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域[5]。随着VR技术实现方式的不断成熟，其在各个领域的应用越来越广泛，其中就包括高校实践教学。以VR技术为代表的虚拟仿真实践教学方式，因其广泛的跨学科适应性、良好的沉浸式体验效果、系统搭建的快速性和基本不受场地和资金限制的特点，为高校虚拟仿真实践教学提供了一种建设性的解决方案，尤其在理工科实验实训实习等教学中的应用范围和应用价值很大[6-9]。

矿山电工虚拟仿真教学平台可以完善和弥补传统理论实验教学的不足，一方面可以最大限度地共享实验资源，降低实验成本；另一方面可以突破时空限制，丰富教学的内容和形式。对于矿山电工的教学，可以结合虚拟仿真技术，提高课程的生动性和趣味性，促使学生主动参与其中，提高教学效果。主要可在以下几个方面体现[10]：

（1）矿井供电系统及供电设备。

通过虚拟仿真技术，结合具体矿井供电条件，建立从矿井地面变电所到井下中央变电所，再到采区变电所、移动变电站、采掘工作面配电点直至具体用电设备的一整套矿井供电系统，使各级变电所内设备的布置以及各电器设备，比如高压配电开关、变压器、低压馈电开关、磁力起动器、检漏继电器等主要电器元件的内部主要元件能够具体生动地展示出来。通过虚拟仿真教学软件，把矿井使用的先进电器设备和用电负荷具体生动地展示出来，使学生沉浸在整体矿山供电系统的虚拟环境中，了解整个矿井供电系统以及井下各场所使用的安全和生产设备，增强学生学习兴趣，提高学习效率。

（2）短路电流计算。

常规短路电流计算是在确定短路计算点后绘制等值计算图，然后把从系统到短路点的总阻抗计算出来，利用总阻抗计算三相短路电流值，再通过三相短路电流计算两相短路电流、短路电流的冲击值、冲击电流的有效值和短路容量。在对高低压开关保护装置整定时，可以通过最大三相短路电流来校验保护装置的承载能力，利用最小两相短路电流校验保护装置动作的灵敏性。利用虚拟仿真教学软件，可以显示从系统到短路点的各处电器元件以及电缆的电阻和电抗值，一方面可以切换短路点的位置，使学生可以计算各处短路点的短路参数，对各位置的短路参数有个纵向的比较，另外对于最大三相短路电流和最小两相短路电流的位置也可以通过虚拟仿真互动，让学生操作选择，加深学生对保护装置动作整定校验的理解。

（3）安全用电及保护。

煤矿井下三大保护：漏电保护、保护接地和过流保护。通过虚拟仿真软件展示发生漏电故障以及可能造成人身触电的原因，通过人机互动，模拟矿井发生漏电的各种情况（包括单相漏电、两相漏电和三相漏电以及发生人身触电）时，检漏继电器和低压开关漏电保护装置的动作，以及选择性漏电保护动作的发生顺序。对于保护接地，通过对全矿井保护接地系统的展示，让学生直观地了解整个矿井井下接地网络，同时，对于接地保护对人身触电安全的作用也可以通过人机互动，模拟有保护接地和无保护接地条件下，发生人身触电时流过人身的电流，更加深入地反映保护接地的作用。对于过流保护，可以将各种过流保护元件的动作原理以及在过流保护中起到的作用通过动画形象具体地体现出来。

（4）采掘机械设备的电气控制。

机械设备的电气控制主要是通过磁力起动器来控制电动机的起动、停止和正反转，以及通过联锁控制实现满足一定操作程序的控制，比如风电闭锁、多台胶带运输机的连锁起动等。通过虚拟仿真可以把磁力起动器控制电动机的动作原理，特别是各个元器件的动作顺序生动具体地展示出来。另外可以让学生自己进行磁力起动器、电动机及电源间的线路连接，学生可以进行尝试，给了学生犯错和多次尝试的机会，使学生能更深入、有效地掌握设备电气控制原理。

（5）矿井供电设计计算。

矿井供电设计部分，是对前面知识的总结和实际应用。由于设计过程中，需要合理利用矿井的开采方案和设备选型结果，通过人机互动，让学生结合矿井实际情况，按照矿井供电设计步骤，完成矿井供电设计的每一部分内容，比如矿井各级变电所以及工作面配电点的位置的确定、供电方案的确定，矿井各级变电所内变压器、高压开关柜、低压配电装置以及各段电缆的选型和校验，使学生通过人机互动掌握整个矿井各部分的设计方法以及设计内容。

3 矿山电工虚拟仿真教学实施

（1）矿山电工虚拟仿真教学方案制定。

首先对矿山电工教学大纲和教学计划进行修改，根据课程章节增加虚拟仿真教学内容和学时，把虚拟仿真教学融入课前预习、课程教学、课后作业、成绩考核等教学计划中。

（2）矿山电工虚拟仿真教学过程[11-14]。

①在开展虚拟仿真教学前，先在传统课堂上对相关知识点进行讲解，并且结合下节课虚拟仿真教学内容布置相应的预习任务，这样有利于学生认识相关知识的难点和重点，从而在虚拟仿真学习过程中有的放矢、更加高效。通过目标任务的驱动机制，培养学生自主学习、主动思考的习惯和能力，提高课堂学习效率。

②在虚拟仿真教学开始时，对学生的课前学习情况进行检查，并对学生预习过程中发现的问题进行解答。指导学生开启教学设备，进入相应的教学内容界面，并确定本节课程的学习内容，指导学生进行相应的操作。学生开始学习后，认真回答学生在学习过程中的疑问，争取将相关难点和疑问当堂解决。

③课程结束后，引导学生对课程内容和学习效果进行总结，以加深学生对本节课程知识内容的理解与掌握，同时加强与学生的交流，了解虚拟仿真教学过程中应该加强和改善的部分，以便更好地完善仿真系统内容，提高虚拟仿真教学效果。

④另外，对于要进行虚拟仿真教学系统实操的相关实验内容，可以先对学生进行相关理论知识的讲解，使学生知晓实验目的、实验原理、实验步骤等，再指导学生进入虚拟仿真系统操作界面进行操作，获得相关实验数据，并进行数据处理和分析。

（3）矿山电工虚拟仿真教学考核。

矿山电工虚拟仿真教学的考核主要表现在平时课堂实操阶段和期末操作考核阶段，通过平时成绩和期末考核成绩，从学生专业知识掌握、技能操作水平以及学习态度等多方面综合评判学生在虚拟仿真教学过程中的整体表现[15]。通过教学考核，督促学生认真投入学习，积极思考，最终充分掌握教学内容，提升综合能力。

4 结语

总之，通过利用虚拟仿真教学，激发学生学习的兴趣，使学生更加深入地参与到课程教学过程中，提高学生对整个矿井供电系统的整体认知水平，加深学生对各个知识点的认识和理解，充分发挥学生学习的主观能动性，从而提高课堂效率，使学生真正地理解所学课程内容，并能结合现场实际情况运用所学知识技能。