高校采矿工程虚拟仿真实验平台建设研究

作者:查重猫     发表时间:2021-06-30 09:02:26   浏览次数:34



  摘要:采矿工程虚拟仿真实验平台在高校的教学和科研领域发挥了重要作用,提高了学生的专业理论水平和动手实践能力,提升了高校的实践教学水平,推进了当前我国高校的实验教学改革。分析了目前我国主要矿业高校采矿工程虚拟仿真实验平台建设现状,总结了中国矿业大学(北京)综采放顶煤虚拟仿真实验平台建设思路,并提出为顺应互联网发展趋势我国采矿工程虚拟仿真实验平台后续建设相关建议,对今后各高校同类实验平台建设具有借鉴意义。

  关键词:虚拟仿真;实验平台;采矿工程;综采放顶煤

  虚拟仿真实验平台以多种智能化技术为基础,通过对多种大型实验设备的模拟再现,设计出传统实验的实验流程及场景,使教师和学生在虚拟场景中通过人机交互的方式进行各类实验,实现传统实验同样甚至更高的要求,在高校的教学实验过程中做到以“虚”代“实”,由被动学习转化为主动学习,是将虚拟仿真技术、多媒体计算机技术以及其他学科专业理论相结合的成果[1]。

  采矿工程虚拟仿真实验平台依托采矿类专业基础原理,引入计算机、多媒体技术,改善了以往实验室的诸多不足,推动了矿业学科的发展[2]。本文分析了我国高校采矿工程虚拟仿真实验平台的建设现状,总结了中国矿业大学(北京)采矿工程综采放顶煤虚拟仿真实验平台的建设思路,并提出为顺应互联网发展趋势高校虚拟仿真平台进一步发展的相关建议。

  1我国采矿工程虚拟仿真实验平台的建设现状

  国内最先起步的是工程领域的虚拟仿真实验平台,工程类专业学科教学内容以及各类实验具有较强的实操性,以往的实验平台往往需要花费较大的成本实施,一些工科专业例如采矿工程专业的实践教学环节具有较高的危险性,如果虚拟仿真实验平台具有较逼真的效果,即可代替原有实验平台,既降低了危险,又可让学生感受现场实境。通过调研国内矿业类高校的虚拟仿真实验平台建设情况,现以中国矿业大学(北京)、东北大学、中南大学、河南理工大学为例,总结其建设现状如表1所示。

  很多矿业高校都在筹建具有自身学科特色的虚拟仿真实验平台,在采矿工程实践和教学训练当中,要求学生掌握矿山开采、巷道支护及岩石力学等课程的专业知识并且能够深刻理解采煤、掘进、机电、通风、运输和排水等系统的具体运作,虚拟仿真实验平台的出现解决了高危的作业环境使得实践基地建设困难的问题[3];提升了师生对矿山生产全貌的认知,丰富了各类实验内容,切实推进了实验教学体制的改革;降低了传统实验室在教学、管理和科研方面的复杂性和风险性,使得虚拟仿真实验受众更多、效率更高。

  2采矿工程虚拟仿真实验教学平台建设思路

  中国矿业大学(北京)采矿工程专业是我国第一批“双一流”学科,面临着新的发展机遇和挑战,世界一流学科必定要求建设与其相匹配的世界一流实验平台,既包括科研实验平台,又包括教学实验平台[4]。中国矿业大学(北京)依托国家政策支持和自身矿业学科教学的迫切需求,建成了两大虚拟仿真实验平台,分别是深基坑内支撑体系设计分析虚拟仿真实验平台和综采放顶煤虚拟仿真教学实验平台。本文以综采放顶煤虚拟仿真实验教学平台为例,总结采矿工程虚拟仿真实验教学平台的建设思路。

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  综采放顶煤是针对厚煤层开采的1项工艺,是我国在煤炭开采领域取得的关键性成果。在开采时需要在厚煤层底端设置1个2~3米的长壁工作面,利用复合机械化方法进行作业,最后将煤炭通过“放煤窗口”放出[5]。此项技术具有十分复杂的体系结构,常规实验室无法提供大型作业设备,以及实验所需厚煤层等原材料。为了建立学生对综采放顶煤工艺以及矿井生产系统的真实感认知,掌握其工作面的操作技巧、详细结构以及运行原理,培养其综采放顶煤组织、操作、管理能力,学校设立了综采放顶煤虚拟仿真实验教学平台。

  该平台将信息技术与实验教学深度融合以实现现代化教学。实验平台的总体架构分为应用层、仿真层、服务层、支撑层和数据层共5层,每一层都为其上层提供技术支持,最终实现虚拟实验教学环境的搭建;实验平台采用了先进的HTML5和云端渲染串流技术,使得整个实验系统运行流畅;通过引进VR技术使学生获得真实井下作业的体验,丰富实验操作认知;综采放顶煤实验平台以开放式虚拟仿真实验教学管理平台为基础,利用无缝数据接口与用户实施对接,并通过ilab-x虚拟共享开放实验平台提供的面向学生用户的智能指引、自动批改等服务功能,引导学生用户进行自主化实验,增强综采放顶煤试验项目的开发服务能力,提升开放服务效果。

  实验平台不断创新实验教学模式和方法以实现高水平教学。第一,设计思路的创新。采用沉浸展示、观摩学习、交互操作、现场实践、工艺流程综合模拟训练以及线上线下结合方式开展实验。基于煤矿开采学核心课程的实验教学大纲将综采放顶煤虚拟实验与采矿学、采矿机械等学科内容相融合,实现理论学习与实验操作的统一。第二,教学理念的突破。虚拟仿真实验教学项目避免了以往实验中注入式以及满堂灌的教学方式,注重加强“以学生为中心”的现代教学理念,将学习资源和空间开放共享,引导学生自主学习,并通过线上多模块的考核,了解学生知识技能掌握程度,为后续的教学提供参考。第三,教学方式的规范。采用模块化的实验教学方式,将综采放顶煤实验教学分为开采平面整体认知、采煤设备学习、综采放顶煤工艺和教学实验考核4个模块,每个模块都不是孤立存在的,摒弃了单一实验教学的“孤岛”。例如整体认知与设备学习模块奠定了综采放顶煤工艺学习的基础,实验考核模块又是对前3个模块学习的综合检验。形成4大模块相互关联、层层深入的虚拟实验体系,如图1所示。

  实验平台构建了“多位一体”实验教学体系。建立了“双师双能”型师资队伍,吸引兼具教师和矿业工程师资质的人才加入虚拟仿真教学队伍中,在学生理论水平增强和实验技能培养的同时,强化学生的工程能力,为今后从事采矿相关工作起到良好的过渡作用。学校选派多名矿业领域的学科带头人、教授与工程师负责组织协调、实验教学以及管理工作,设置学生兼职岗位,帮助采矿类研究生通过实验平台进行科研工作。为落实“校企合作”,从企业引进多名软件工程师承担虚拟仿真教学平台维护、软件研发的工作,形成产学研多位一体的教学科研体系。

  3采矿工程虚拟仿真实验平台后续建设相关建议

  采矿工程虚拟仿真实验平台是采矿工程专业教学的延伸与发展,具有工程技术、管理创新以及实践交叉的特点。采矿工程虚拟实验平台的建设也应顺应互联网的发展趋势。综合中国矿业大学(北京)采矿虚拟仿真实验平台的建设经验和对其他矿业高校该平台建设过程中的调研情况,对该平台建设提出建议,为其他高校实验室后续建设提供参考。

  3.1推进虚拟仿真实验平台的设计与创新

  为了顺应互联网的发展趋势,虚拟仿真教学平台在建设过程中应完善现有的成果并增加更多创新性元素,使参与者获得更好的体验。

  第一,设计创新功能模块。应在满足基础功能上进一步增强虚拟仿真实验平台的功能特性,例如能够添加流程报错、实验结果分析、线上互动交流、设备维护等辅助模块,使得虚拟体系更加完备。用户层的设计上应更多地应用人体工程学,使学生更加便捷地进行采矿各类实验的操作,能够在相对狭小的空间内获得舒适的体验。

  第二,构建统一的技术体系。在实验平台的开发设计上需要更多应用VR,AR,3D仿真技术,使得实验场景更加逼真。根据采矿工程实验平台五大类实验的软件架构基本要求,构建统一的技术体系。例如:使用3DMax制作三维模型,使用Unity3D进行三维场景规划,使用VisualStudio进行程序设计,使用MySQL作为数据库的制作工具,采用Photoshop进行界面的设计。

  第三,增加创新性实验内容。学校可根据自身采矿学科建设情况,通过借鉴其他高校采矿虚拟仿真实验平台的各类实验模式和方法,用于自身平台实验的增添与创新过程中,学生也可在完成现有实验操作和理论知识的基础上,通过阅读文献,对未知因素进行大胆设计和探索,提出实验创新的各类观点并参与到后续虚拟仿真实验改进的过程当中[6]。

  3.2进一步落实实验教学资源的共享

  为推进教学资源的高效利用,各高校应该进一步探索教学平台共享的机制和模式。例如,对共享平台实现区域化、创立有偿使用机制等,开放对象既要包含学生、教师还要涉及更多的社会人员、科研人员等,探索出了一条全面的开放之路[7-8]。目前国家开设了ilab-x实验空间国家级虚拟仿真实验共享平台,中国矿业大学(北京)的两大仿真实验教学项目已在平台上注册。学生和教师可以通过自己的账号和密码实现平台上实验教学项目的操作和学习。综采放顶煤项目已经与新疆工程学院达成共享机制,未来计划增设煤矿智能开采等3门虚拟仿真实验课程并面向全国煤炭高校推广,预计5年内服务人数达到50000人。为使我国的采矿学科虚拟仿真实验开展范围更为广泛,应该大力推进矿业高校结成联盟,拥有虚拟仿真实验平台的高校可以将自身虚拟仿真实验平台的资源与其他矿业高校共享,互通有无。拥有国家级虚拟仿真实验平台的矿业高校更应该起到带头作用,带领其他矿业高校建立整个矿业领域的区域共享平台。

  3.3不断设计和完善教学管理体系

  教学管理体系是高校虚拟仿真实验平台运作的根本保障,建设一支能力出众、结构合理的教学管理队伍是进行实验和科研的根本保障[9]。

  第一,教学体系的设计。实验平台构建教学体系时应做到统筹规划,设置一名具备采矿专业知识和丰富管理经验的教师作为实验平台主任负责采矿实验方案设计与总体协调,两名副主任负责教学的落实,若干实验平台骨干成员负责实验教学以及实验辅助,并聘请软件工程师作为产品经理负责实验项目的开发和网络维护。落实“校企合作”和产学研一体化的理念。

  第二,管理体系的完善。可借助互联网建立网络管理平台,负责课程管理、学生实验操作监督、与校外交流沟通以及平台日常维护等工作形成教学和管理相辅相成、互为增进的虚拟仿真教学管理体系[10]。

  采矿工程虚拟仿真实验教学平台在后续的实验建设中应结合自身学科特色,借鉴其他高校经验,使得仿真实验进一步多元化、高效化,并将理论教育、工程实践和科研工作相结合,发挥采矿专业的特色。

  4结语

  采矿工程虚拟仿真实验平台在本专业的实验内容和操作方法基础上,引入计算机技术、虚拟仿真技术、多媒体技术、人机交互技术,使之成为矿业高校日常教学和科学研究的重要工具。我国矿业高校在虚拟仿真实验平台建设过程中取得了长足的发展,在今后的建设过程中还应继续发挥采矿领域教学的特色,建立并健全矿业高校虚拟仿真实验教学平台,通过引进先进的设备和技术提升实验的可操作性,吸引更多的人才加入实验平台的研发、建设、教学和管理队伍当中,进一步创建矿业高校的虚拟仿真教学联盟,从而实现资源共享,提升学生实验实践能力,丰富采矿专业知识,推动实现多专业、多角度、高度智能共享的采矿学科虚拟仿真教学实验平台全方位的发展,切实落实虚拟实验平台教学教育体制改革,以实践教学水平的提高带动高校整体教学水平的提升。——论文作者:薛黎明张艺王豪杰

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