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煤矿安全开采虚拟仿真实验教学中心建设与实践

范文

宋正国彭延军刁秀丽

摘要：在煤矿安全开采领域，面临着实验教学手段缺乏创新、优质教学与实验资源匮乏等问题。为了解决传统煤矿开采实践教学与人才培养之间的一些突出矛盾，利用虚拟仿真实验技术，结合面向工程实践培养应用型人才的现实需要，论述煤矿安全开采虚拟仿真实验教学中心建设理念，构建煤矿安全开采“阶段化、层次化、模块化”的实践教学体系，开发“高度仿真、虚实结合、开放共享”的虚拟仿真实验系统与虚拟仿真实验教学资源，以改善煤矿安全开采实验教学环境，提升学生创新意识、实践能力与自主学习兴趣。

关键词：煤矿安全开采;虚拟仿真;实验教学中心;虚实结合

DOI：10.11907/rjdk.192225

中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2019）012-0195-04

0引言

随着虚拟现实技术与互联网技术的迅速发展，互联网+时代的学习方式发生了重大变革。用于培养学生实践能力、创新能力以及合作解决问题能力的实验教学是高校教育改革的关键之一。目前，我国传统实验教学面临实验教学手段缺乏创新、优质教学与实验资源匮乏等问题，因此，本文尝试利用虚拟仿真实验技术构建虚拟实验教学环境解决以上问题。我国自2014年设置国家虚拟仿真实验教学中心以来，已经有几百所实验教学中心获批国家级虚拟仿真实验示范中心。通过“中国知識资源总库”，以“虚拟仿真实验中心”为关键字进行检索，可检索到2013年11月以来的期刊、会议论文等共237篇，主要内容包括实验中心建设经验、资源建设实践探索以及实验中心建设体系等。

目前，我国虚拟仿真实验中心建设已卓有成效，也取得了很多成果。在实验平台与系统构建方面，文献[1]构建虚拟仿真教学平台和虚拟仿真实验系统，平台具有开放性、互动性，学习者可以自主设计实验内容、调用系统实验资源，系统具备协同模拟实验功能;文献[2]组建“一个导向、两个特色、三个环境、四个阶段”虚拟船舶交互实验平台，采用四位一体的虚拟实验教学模式，改善实验教学环境;文献[3]建成开放性虚拟仿真实验教学平台，发挥多学科交叉优势，并采用多元化的实验教学资源建设模式。在实验资源建设方面，文献[4]开发网络共享化和虚实结合的虚拟仿真实验项目，并介绍了煤矿安全开采虚拟仿真实验教学系统模块构成;文献[5]利用三维虚拟仿真与VR教学资源开发采煤机虚拟仿真模拟实验教学系统，学习者可以针对采煤机结构、工艺流程和自动化割煤等内容进行实验。学者们还对虚拟仿真教学应用方面进行探讨，如文献[6]针对传统实验教学过程中存在的问题，探讨虚拟仿真实验在物理化学实验课程中的应用;文献[7]探索虚拟仿真技术在移动通信智慧课堂中的有效应用。本文针对煤矿安全开采领域，全面介绍煤矿安全开采虚拟仿真实验教学中心建设理念、实践教学体系构建、虚拟仿真实验系统以及实验中心应用等。

煤炭是我国社会经济发展最主要的能源之一，事关国家能源稳定大局。对于高校的采矿、安全、地质、测绘等煤矿相关专业而言，人才培养数量和质量对于能源供给与煤矿安全有着极为重要的意义。目前，受煤矿井下安全开采环境以及实习、实训条件限制，一方面，学生井下实习难度较大，很大程度上影响了人才培养质量;另一方面，由于存在如煤矿开采危险程度较高、重特大安全事故不可再现及煤炭资源合理利用等诸多问题，亟需运用虚拟现实、多媒体、智能仿真等计算机技术实现煤矿安全开采虚拟仿真，为煤炭行业人才培养、煤矿企业员工培训等创造实习实训条件。

1中心建设理念

煤矿安全开采虚拟仿真实验教学中心依托数字矿山实验室、虚拟现实实验室、多媒体技术实验室、采矿仿真实验室、煤矿机械仿真实验室、地质可视化技术实验室及地理信息系统实验室等7个实验室，面向全校的采矿工程、安全工程、测绘工程、资源勘查工程、地理信息系统、计算机科学与技术等10个本科专业开展教学与科研工作，主要研究煤矿生产与培训中面临的高危环境，将地下不可见的复杂地质体、断层、煤层进行数字化与可视化。为适应山东省绿色能源强省建设及智慧矿山的快速发展，解决煤矿开采创新人才培养面临的实践、实习与生产中的高危环境问题，该中心以采矿工程国家重点学科（培育）、计算机软件与理论山东省特色重点学科为支撑，依托煤矿安全开采实验教学中心，联合山东蓝光软件有限公司，以应用创新型人才培养为目标，创新人才培养模式，整合校内实验教学资源，推进实验教学改革，开展煤矿安全开采虚拟仿真实验教学模式的创新研究。

实验教学中心秉承“实验是培养学生工程素质和创新能力最有效教学形式”的理念，初步形成“启迪创新思维，培养创新能力，虚实结合，提高解决煤矿安全开采工程实际问题能力”的教学理念。紧密结合国家发展绿色能源的需要，充分利用学校在煤矿相关专业与计算机学科方面的优势，创新煤矿安全开采虚拟仿真创新人才培养机制，推动数字矿山建设与发展。基于云计算技术，应用虚拟、仿真等实验技术手段，突破分课程、分专业建设实验室的局限，整合优化煤矿相关专业的实验教学环境，打造开放共享、软硬件一体的煤矿安全开采实验教学平台，开发与进一步丰富虚拟仿真实验教学资源，实现对实验教学资源的高效利用。基于“高度仿真、开放共享、虚实结合”的虚拟仿真实验系统，全面改善实验条件，同时进行实验教学方法、实验模式等方面的改革研究与实践探索，以培养学生工程实践能力，激发学生创新意识，开拓学生专业视野。

2实验教学体系

中心以“虚拟与现实结合，提高解决煤矿安全开采工程实际问题能力”的绿色矿山安全开采教学理念为指导，以培养学生“工程实践能力、行业适应能力、创新能力”为目标，构建“三阶段、四层次、多模块”的虚拟仿真实验教学体系。实验教学体系架构如图l所示，可实现“煤矿安全虚拟仿真教学、煤矿生产虚拟仿真综合实践、煤矿安全生产模拟操作、校内实习矿井实习、煤矿现场实习、煤矿生产”等各阶段实践教学任务，并兼具人才培养、生产仿真、事故重现功能。其中，“三阶段”是指矿山开采基本原理、生产环节虚拟仿真教学、矿山开采虚拟仿真综合实践3个阶段，实现学生能力的全方位培养;“四层次”是指基础性实验、验证性实验、工程综合性实验及创新性实验4个实验层次，实现学生基础与创新能力的递进式培养;“多模块”是指地测、采掘、机电、通风、安全、运输等多个不同模块，涵盖煤矿安全开采各个相关领域，各实验模块根据煤矿开采技术进展不断更新实验项目，实现实验教学与煤炭安全开采领域科技发展前沿的紧密结合。

实验教学中心逐步加大校企合作力度和广度，秉承“理论与实践融合、虚实结合、能实不虚”的基本原则，将虚拟仿真实验与实体实验相结合。依托国内唯一的校内实习矿井（见图2），该矿井包括地面工业广场（井口房、天轮架、绞车房、井口平车场、防爆盖、地面压风机房、通风机房、反风道、煤矿常用小型设备拆装车间、煤矿大型设备实习车间、井口专用教室等）与下巷道工程（斜井井筒、立井井筒、斜井井底车场、中央变电所、中央水泵房、运输大巷、普采工作面、掘进工作面、地质巷道、平面交岔点、斜面交岔点、各种类型的巷道断面和风门等）。矿井布局合理、功能齐全、操作流程规范、内容丰富，含采煤和掘进工作面各一个，具有采掘、机运、通风、排水、提升系统等各类设施。将虚拟仿真实验与煤矿安全开采实验课程中的实体实验相结合，以丰富实验教学手段，提高学生的综合实践技能。

3煤矿安全开采虚拟仿真实验教学平台

以煤矿安全开采国家级虚拟仿真实验教学示范中心为依托，构建丰富的实验教学资源，打造开放共享、软硬件一体的实验教学管理系统与实验平台，如图3、图4所示。实验教学管理系统可实现网上预约实验、答疑、资料下载、网上虚拟实验、信息发布、数据收集分析、互动交流、成绩评定、成果展示等实验教学管理功能。实验平台可按照煤矿安全生产规程进行煤矿井下极端复杂环境各生产环节的虚拟仿真实验，并进行可视化遥控。

实验教学中心依托自主研制的大型煤矿安全生产矿井模拟仿真实验平台和已建立的校内实习矿井，针对煤矿开采高能耗、高风险，以及事故不可逆等行业特性，综合运用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，实现采煤、掘进、机电、运输、通风、安全等各生产环节的虚拟仿真实验，采用自主研发、科研成果转化、校企合作3种模式，加强虚拟仿真实验教学资源开发与建设，完善与扩充实验教学项目，按照煤矿安全生产规程使用煤矿虚拟实验仪器设备进行实验。如综合机械化放顶煤回采工作面虚拟仿真综合实验按照综合机械化放顶煤开采实际情况，构建综合机械化放顶煤开采虚拟仿真實验过程与三维场景，动画展现出双滚筒采煤机割煤、前刮板输送机运煤、放顶煤液压支架放顶煤、后刮板输送机运煤、顺槽刮板输送机运煤、液压支架及时支护（先移架、后移溜）、供电系统展示等过程，可以直观的方式将综合机械化放顶煤开采工艺及工作面布置展现出来，以便让学生掌握综合机械化放顶煤开采工艺流程。

中心研发的虚拟仿真实验教学平台实现了对煤矿高温、高热、高湿等极端复杂环境下地测、采掘、机电、通风、安全、运输等6大模块的仿真，以及煤矿安全生产过程中的45个虚拟仿真实验项目，部分虚拟仿真实验场景如图5所示。

同时，实验教学中心联合虚拟仿真科技企业和煤矿集团，注重产学研用相结合、校企联合协同创新，实现科研设备、科研成果、研发人员、师资队伍、实验教学资源等资源共享，加快实现将科研成果转化为实验教学内容，以进一步拓展虚拟仿真实验教学范围、丰富实验教学内容，开拓学生视野，完善学生知识结构，培养其综合设计与创新能力。

4应用实践

煤矿安全开采虚拟仿真实验教学平台基于网络进行仿真设计，通过终端设备进行虚拟实验，可实现学生以不同角色在同一虚拟环境中进行实验。

中心主要采用以下几种教学模式进行实验：①“网络虚拟仿真”实验教学模式。单纯的人机互动式和演示性实验项目坚持采用网络虚拟仿真，实验人员通过网络终端进行访问，并可以自主设计实验项目;②虚实结合实践教学模式。需要通过手柄、按钮等进行操作的实验项目将采用虚实结合的方法，并坚持能实不虚的原则，硬件操作台设计按照实际设备外形进行设计与制作，仿真程度极高，实验者能够实际操控的部分力求真实，对类似矿井瓦斯爆炸场景、大型设备动作过程等存在重大隐患、高能耗、高成本问题的实验部分才使用计算机仿真，以最大限度地提高实验人员参与程度，提升实验效果;③协同实验教学模式。如工作面开采、巷道掘进、提升机提升、瓦斯抽采等均由多工种协同完成，也是由多种设备协同配合完成的。协同实验可实现多种虚拟仿真设备的连接以及相互融合，实现学生在同一虚拟环境中以不同角色进行协同实验。

中心作为培养学生开拓创新能力与实践能力的重要基地，需要充分挖掘中心现有各项潜力，积极创造条件向学生开放，主要分为以下几种类型：①科研型。主要面向高年级本科生与研究生，实验室聘请正在主持重大项目的教师，定期发布一些科研项目中的子课题，吸收高年级优秀学生和科研能力强的研究生进入中心参与课题研究;②科技竞赛型。针对每年举办的各类科技竞赛，在导师指导下利用实验中心设备与相关资源参与竞赛活动;③自选实验课题型。中心定期收集一些学生自拟课题，然后聘请有实践经验的教师对这些课题进行筛选，被选中的同学可以进人中心进行相关研究。

5结语

将虚拟仿真实验教学应用于煤矿安全开采工程人才培养，可以解决传统煤矿安全开采实践教学与应用型人才培养之间的矛盾。本文依托煤矿安全开采国家级实验教学中心，整合实验教学资源，构建煤矿安全开采虚拟仿真实验教学平台，开辟了煤炭安全开采实验教学新模式，有效提升了学生的专业实践能力、创新能力和学习兴趣。在平台后续建设过程中，还需要逐步完善系统软件功能，加大力度开展校际合作与校企合作，开发更加丰富的虚拟实验教学项目与教学资源，探索虚拟仿真实验教学的新模式与新方法。

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