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1、虚拟仿真技术在地下工程教学中的应用 摘要：针对当前采矿工程专业学生教学中普遍存在的难点和问题，提出了将虚拟仿真技术引入教学过程中的方法，建立了矿井巷道虚拟仿真系统，将教学中的难点内容和演示性试验项目虚拟和仿真化，并在采矿工程专业核心课程地下工程教学中进行了实践，取得了较好的效果，为工程类专业教学改革供应了有益的阅历。 关键词：虚拟仿真；地下工程；教学实践 中图分类号：G642.0 文献标记码：A 文章编号：1674-932426-0183-03 引言： 随着经济发展和产业结构的调整，工程类行业需求人才特点发生了明显的改变，对高校毕业生的实力有了新的要求和期盼，要求高校毕业生既要具备扎实的基础理
2、论和专业学问，还要具备分析解决实际问题的实力和基本操作技能1。从当前高校工程类专业的教学现实看，传统的教化方法和手段已经不适应这种教化发展形势，当前高校毕业生实践创新实力的培育还不能完全适应行业和企业的须要。针对该问题，很多教化工作者创新教学模式和方法2-5，从工程类专业特点动身，将计算机虚拟仿真技术引入教学环节，取得了不错的效果。本论文结合采矿工程专业特点和教学现实，将虚拟仿真技术引入专业核心课程地下工程教学环节，有效地提高了教学效果和效率，缓解了采矿工程学生实践教学难度大的问题。 一、地下工程教学现状与难题 近年来，煤炭行业走绿色、平安、高效之路的理念逐步成为共识，而这一理念的实现离不开大
3、量基础扎实、工程素养高、实践与创新实力强的高级工程技术人才的培育，因此对高校采矿工程专业的教学工作提出了更高的要求。地下工程课程为采矿工程专业本科生的核心课程，主要讲授井工开采的矿井地下空间的设计、开挖、支护、维护、系统运转等一系列工艺过程，而且涉及到大量的材料、仪器和装备，是一门实践性很强的应用课程，须要理论教学与实践教学紧密相连。但是由于煤炭行业的高危极端环境、大型设备操作高成本高消耗等现实状况，学生的实践教学环节受到了很大的限制，主要表现在以下两个方面： 1.企业现场实践难度大，学生实习效果不能完全保障。煤矿生产主要是在地下进行，生产条件困难、空间狭小、环境较为恶劣、事故隐患多，煤炭企业
4、基于较重生产任务和较大平安责任的考虑，担忧高校生现场实践影响正常生产或引起平安事故，接受学生实习实践的动力不足。即使接受学生实习，也大多仅允许学生参观停产工作面或示范工作面，而且参观时间短，学生很难充分相识和熟识井下作业环境、生产系统和装备操作流程等关键环节。 2.传统试验室实践方式限制多，验证型试验教学的方法和手段不能满意须要。采矿工程专业学生必需驾驭和相识瓦斯爆炸、顶板垮落、突水、冲击地压、火灾等事故发朝气理和表现形式，但受试验室条件限制，传统试验方式无法重现这些灾难和事故；传统验证型试验如岩石力学性质试验等，观测到的表象多于实质；此外受试验空间和制作成本的制约，传统的采矿实物模型是静态的
5、、局部的、单一条件的，不具有广泛代表性。 二、虚拟仿真技术在地下工程教学中的可行性与优势 虚拟现实技术6，简称VR，是20世纪80年头新崛起的一种综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等。它由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的虚拟环境，可以逼真地模拟现实世界的事物和环境，人投入到这种环境中，马上有“亲临其境”的感觉，并可亲自操作，自然地与虚拟环境进行交互。 虚拟仿真试验教学采纳虚拟仿真的软件和模拟器，可以多次重复，平安、环保、成本低廉，节约能源，在美、加、法、澳等发达国家得到普遍采纳，我国许多行业如航空飞行、汽车驾驶培训等也普遍采纳虚拟仿真培训7-8。随着
6、电子技术的高速发展和计算机技术的普遍应用，有相当一部分传统的地下工程的设计也被先进的计算机协助设计和虚拟仿真技术所取代，这为虚拟仿真技术应用到地下工程教学环节中供应了必要技术条件。 在采矿工程专业高校生地下工程教学环节中引入虚拟仿真技术，可以有效解决实践教学环节的难题，具有明显的优势。例如，虚拟仿真模型既能实现矿井的全景透视展示，还能实现生产过程的虚拟再现，可极大地激发学生的学习爱好，提高学生对煤矿生产过程的理解；虚拟仿真试验能很好地重现瓦斯爆炸、顶板垮落、突水、冲击地压、火灾等煤矿事故的发生过程，大大强化学生对现象背后本质规律的理解和把握，培育科研创新意识，为学生实践创新实力的培育供应有力的
7、保障。 三、虚拟仿真技术在地下工程教学中的详细应用 针对采矿工程专业特点和教学现实，将虚拟仿真技术引入地下工程教学环节，通过建立矿井巷道虚拟仿真系统，将教学中的难点内容和演示性试验项目虚拟和仿真化，强化学生对理论教学内容的理解和驾驭。 1.创新了井巷虚拟仿真系统，实现学生沉醉式漫游。为了增加学生对不同类型巷道空间位置、用途、断面等方面的相识和理解，针对我国矿井巷道类型的多样性，利用计算机虚拟仿真技术，选取矿井巷道典型布置方式搭建了地下工程虚拟仿真试验系统的基本框架，并提取不同类型巷道典型特点，对巷道类型、功能进行分类集中呈现，共同构成地下工程仿真试验系统的巷道版块，各类巷道实现类型、功能、空间
8、位置和搭接关系的有机结合，形象直观地呈现给学生。由巷道用途展示、巷道层位展示、巷道断面形态与尺寸展示、巷道协助工程展示、空间位置和搭接关系展示等版块组成，依据服务年限、用途、围岩、应力等因素综合考虑，将几个板块相互联系、相互交叉浓缩布置，有机统一地构成整个巷道生产系统。 利用虚拟仿真技术构建的矿井巷道生产系统打破了时空的限制，一方面可以将改变缓慢的岩层移动用较短的时辰表示出来，另一方面也可以将较大范围的不行见空间的改变直观表示出来。学生可以直观地相识巷道系统，实现矿井巷道系统的全景透视展示和沉醉式漫游，大大地提高了学生的学习爱好，对所学的学问有一个深刻的相识，提高了学习效率。 2.用动态的虚拟
9、仿真工艺过程替代静态的图片教学，提升学生感知水平。在巷道系统的合适地点布置仿真掘进工作面，能够依据教学须要动态呈现巷道掘进工艺，学生在场景、声音的引导下，熟识巷道掘进作业工序，感受掘进工作面作业环境。一组是岩巷爆破施工基本工序的仿真虚拟呈现：工作面定向、炮眼布置、钻眼作业、装药连线、爆破通风、洒水、临时支护、装岩运输、永久支护、水沟掘砌和管线安装，学生还可以亲身体验炮眼设计和布置工作及对应的爆破效果。另一组是综合机械化掘进作业线的虚拟动态呈现，虚拟呈现三种高效掘进设备和工艺配套的作业线：悬臂式掘进机与单体锚杆钻机或机载锚杆钻机配套作业线、连续采煤机与锚杆钻车配套作业线、掘锚机组一体化掘进作业线
10、。在巷道仿真系统中，考虑巷道类型和功能，分别构建金属支架支护、砌碹支护、锚杆支护及联合支护为主体，金属网、钢带、喷浆、注浆加固支护为协助的多种支护形式呈现块段，并在每种支护形式块段虚拟呈现巷道围岩与矿井现场支护不行见范围的剖面状况，虚拟呈现各支护的施工作业工艺。除传统支护形式的集中展示外，还以科研团队的自主科研成果为依托，建设了巷道支护新技术展示块段，例如可接长锚杆支护、柔性锚杆支护、大变形弹性锚索支护、高强框形工字钢支架支护、桁架锚索支护等；建立工作面超前支护展示块段，设置单体柱超前支护、超前液压支架支护、弹性锚索刚性铰接顶梁超前支护的对比展示。 学生可以直观相识矿山生产环境及巷道掘进与支护
11、工艺，计算机当中的声、图、文并茂功能，可以使教学过程变得生动活泼，提高学生的感知水平和学习爱好，丰富感性相识，加深学生对教学内容的理解。 3.用生动的虚拟仿真实物替代传统的单调曲线，提高学问的可接受性。利用虚拟仿真技术建立了巷道用仪器设备材料辨识模块，巷道虚拟仿真系统中的仪器设备材料辨识模块包含的掘进施工设备、支护施工设备、支护材料、矿压监测仪器、探测仪器等，贯穿于巷道掘进、支护、维护、监测监控整个服务全程。在计算机建设巷道用仪器设备材料的素材库并注明较为具体的参数、性能、适用条件、运用方法等信息的说明书，学生利用虚拟显示系统均可按须要或按类别查看，而且可以实现360无死角查看，并可拆装。 虚
12、拟仿真中的图形演示和拆装功能，可以为老师供应形象表达的工具，将传统依靠单调机械曲线等抽象的教学问题变得详细形象，大大提高学问的可接受性。 4.用虚拟仿真再现井巷灾难形态，强化震撼性教化效果。作者所在团队中有多名巷道围岩限制领域的知名专家，多年来主持了多项国家级的相关探讨项目和课题，取得了一系列达到国际领先或国际先进水平的以巷道围岩限制为主题的科研成果，以这些先进探讨成果为基础，在巷道虚拟仿真系统中建设巷道围岩失稳形态与灾变模块，重现巷道冒顶、冲击、突水等平安事故，作为虚拟仿真试验室的特色之一，对于提高学生透过围岩改变表象理解背后力学机理的实力、培育学生探究科学本质的精神和爱好、促进先进科研成果
13、的传播和普及、利用科研成果促进教学水平的提升都具有重要的意义。 借助已有科研成果“巷道围岩塑性区形成与扩展成像系统”，建设了巷道围岩变形-破坏-失稳演化过程中岩体环境、应力环境、支护体状态三者的联动系统，学生可以通过计算机随意设定巷道的基础条件，通过虚拟影像反应设定条件下，巷道围岩变形破坏、围岩应力、支护体工作状态之间的联动改变，在井下环境的虚拟场景中，与计算机进行沟通互动，直观感受巷道围岩灾变形态，了解巷道围岩变形破坏的力学本质和主控因素，强化了学生对煤矿平安事故的成因、经过和危害的相识和理解，产生了震撼性的煤矿平安警示教化效果。 四、结论 针对采矿工程专业特点和教学现实，将虚拟仿真技术引入
14、地下工程教学环节，通过建立矿井巷道虚拟仿真系统，将理论教学中的难点内容和演示性试验项目虚拟和仿真化，强化学生对理论教学内容的理解和驾驭。教学实践表明，虚拟仿真技术引入教学环节可以有效地提高教学效果和效率，提高采矿工程专业学生实践创新实力，肯定程度上缓解采矿工程学生实践教学难度大的问题，为创新教学模式方法和工程类专业教学改革供应了有益的阅历。 参考文献： 1杨珍贵，张勇，侯运炳.采矿工程专业人才培育模式改革J.中国煤炭，2022，：33-35. 2张劲.利用虚拟现实技术创建教学新模式J.常州工程职业技术学院学报，2022，：26-28. 3李松湘.虚拟仿真技术在电子技术课程教学中的应用探讨D.湖
15、南师范高校，2022. 4朱敏.虚拟试验与教学应用探讨D.华东师范高校，2022. 5赵骄傲.虚拟现实技术在采矿工程课程体系教学中的应用J.中国科教创新导刊，2022，：182+184. 6顾邦军，万华明，杨丽，等.虚拟现实技术在高校教化中的几点思索J.中国现代教化装备，2022，：42-44. 7宋达.虚拟现实技术在教化领域中的应用与设计D.东北师范高校，2022. 8叶裴雷.虚拟现实技术及应用分析J.电子技术与软件工程，2022，：44. 第9页 共9页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页