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采矿工程教学中虚拟仿真系统的应用

2019/09/16 阅读:

摘要:为了解决传统煤矿开采实验教学受场地、设备等因素的影响,我院建立采矿安全虚拟仿真教学系统,利用仿真实操教学系统通过GRPC与LRServer交互,LRServer通存储过程与实验教学管理系统交互,弥补传统教学法的不足,提高采矿、安全人才培养质量,加强学生实践能力和创新精神培养,促进优质资源整合和共享,提升办学水平和教育质量,带动学校实验室的建设和发展。

关键词:虚拟仿真;采矿工程;创新人才

针对本科专业教学中涉及高危或极端的环境,不可及或不可逆的操作,高成本、高消耗、大型或综合训练等实验,采用三维仿真技术模拟真实的实验环境,让用户在虚拟的三维环境下进行实验和实训,使用信息网络技术对用户进行实验和实训的数据进行采集,再通过虚拟仿真实验教学管理平台进行实验课程安排和实验效果的考察,从而可以解决实际实验存在的问题。

1采矿与安全虚拟仿真教学体系

1.1虚拟仿真教学体系目标

矿与安全虚拟仿真实验教学系统面向全校学生、三维虚拟仿真平台基础上的实验教学软件。依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术,煤矿井工矿、金属矿地下矿、露天矿专业技术相结合,构建高度仿真的虚拟井下生产、露天生产和灾害环境,让学生在虚拟环境中开展学习,是一套以沉浸式显示和实时交互为主要功能的新一代数字媒体教学平台。

1.2教学体系的内容

采矿与安全虚拟仿真教学系统,包含地下煤矿虚拟仿真教学系统、金属地下矿虚拟仿真教学系统,三大系统。

1.2.1地下煤矿虚拟仿真教学系统该系统主要针对地下煤矿实验、实践教学,选取实际煤矿作为仿真基地,其主要功能包括:(1)煤的形成过程可视化;(2)矿井地面工业广场及周边地理环境可视化;(3)矿井地质环境、煤层、地质构造可视化等36项教学模块。

1.2.2金属地下矿虚拟仿真教学系统该系统主要针对金属矿的实验、实践教学,选取典型金属地下矿作为虚拟基地,建立井上工业广场、井下三维巷道和关键场所模型;建立典型金属矿地下开采环境和设备、人员模型,提供三维可视化环境,其主要功能包括:(1)金属矿床的形成过程可视化展示;(2)金属矿地表工业广场及周边地理环境可视化;(3)充填采矿系统仿真等17个教学模块。

1.2.3露天矿虚拟仿真教学系统该系统主要针对露天煤矿教学研发。选取典型露天煤矿作为实验区域,建立露天煤矿地表开采环境和设备、人员模型;提供三维可视化操作环境;满足学习中的矿山基础知识和生产系统的认识目的,达到教学实习的要求。其主要功能包括:露天矿地表地理环境场景;露天矿地质模型和矿体场景;露天矿关键设备可视化场景及设备介绍等。

2项目的创新

2.1教学模式的创新

采矿安全虚拟仿真教学系统不同于以往的实验教学中心之处,在于网络共享,虚拟现实。虚拟仿真教学系统建成后,改变原有实验教学模式、理念。传统采矿工程实验教学中,由于场地限制、仪器限制,导致重课堂教学、轻实验教学的情况。在虚拟仿真实验中心的支持下,树立新的实验教学理念,切实以学生为本,以培养学生的实践和创新能力为核心,将以学生为本能力培养的实验教学理念切实贯穿于矿井开采、灾害防治、矿井设计等实验教学的各个环节之中。实验方式以沉浸式环屏为主,同时配备光学或交互追踪系统、虚拟现实头盔等。用于操作和演示与专业相关的虚拟仿真实验,加大实验室开放力度,培养学生的综合素质和创新意识,使更多的本科生有条件接触到高危的矿山环境,同时参与创新设计实验,为优秀、拔尖人才脱颖而出提供新的机制。

2.2实验技术手段的创新

(1)实现了全矿井的虚拟仿真教学。构建了从井上到井下、从宏观到微观的矿井虚拟创景,可以全方位、立体化的仿真整个矿井生产环境和工艺流程。矿井的种类也涵盖了井工矿、露天矿和金属矿三种,真正实现了统一平台下的全矿井虚拟仿真教学。(2)实现了虚拟仿真教学系统和教学管理系统的无缝衔接。虚拟仿真教学系统和教学管理系统的无缝衔接实现对实验教学的全周期管理。试验机教学系统中进行事务性操作,仿真系统中进行实操,数据在两个系统中同步、共享,消除了数据孤岛,方便了教学管理,提高实验教学质量。(3)实现了仿真系统多平台多样式的展示方式。采矿安全虚拟仿真教学平台系统可支持普通显示器、大屏幕及VR头盔多种展示方式,采用“VR+采矿安全教育”的技术手段,构建高精度虚拟矿山实训环境、实训设备,丰富了实验教学的方式,学生体验不同的展现效果,实现“理论、仿真、实践”一体化。

2.3实验教学内容的创新

针对本科专业教学中涉及高危或极端的环境,不可及或不可逆的操作,高成本、高消耗、大型或综合训练等实验,采用三维仿真技术模拟真实的实验环境,让学生在虚拟的三维环境下进行实验和实训,使用信息网络技术进行实验和实训的数据进行采集,通过虚拟仿真实验教学管理平台进行实验课程安排和实验效果的考察,从而可以解决实际实验存在的问题。虚拟仿真实验教学系统在学生使用过程中产生大量的数据,包括学生学习时间、学些模块时间、学些内容及学些结果、测试成绩等等。仿真实操教学系统通过GRPC与LRServer交互,LRServer通存储过程与实验教学管理系统交互,实现仿真实操教学系统和实验教学管理系统数据同步。

3采矿安全虚拟仿真教学系统在采矿工程专业教学中的应用

3.1采矿安全虚拟仿真教学系统在露天采矿学课程中的应用

露天采矿学本课程旨在使学生通过学习了解露天矿开采工艺、矿山工程基础上,系统地掌握露天矿设计的基本原理、设计程序、设计内容及设计方法,使其具备初步的露天矿山设计能力,为今后从事露天矿山的科研、设计、生产、管理等工作奠定必要的理论与技术基础。利用虚拟仿真教学系统,学生可以直观的接触露天矿地表地理环境场景;露天矿地质模型和矿体场景;露天矿关键设备可视化场景及设备介绍;露天矿剥采过程模拟场景;露天矿主要剥采工艺流程展示;无人化穿孔、装药、铲运、运输作业仿真;露天矿边坡监测系统仿真及边坡失稳仿真;露天矿运输事故仿真;调度室仿真模拟;排土场生态恢复模拟。对掌握采矿学课程知识点发挥重要的作用。

3.2采矿安全虚拟仿真教学系统在煤矿开采学课程中的应用

煤矿开采学是采矿工程专业的核心课程学6学时课程实验、2周的课程设计和3周的生产实习。通过实验教学,使学生对采煤工艺和矿井的地面工业广场与采区准备方式有一定的掌握,从而满足采矿工程专业中对煤炭开采工艺和采区巷道布置的感性认识,矿井提升、运输、通风、排水和动力供应等生产系统。要求学生初步掌握在各种不同条件下选择合理的开拓方式,使其技术上可行,经济上合理。通过一个矿井的立体模型绘制出该矿井的开拓开采巷道布置平面图,从而掌握矿井生产系统的建立和矿井平面图的绘制技术。通过虚拟仿真系统,学生可以对,矿区概况、工业广场、开拓方式、准备方式、生产系统采掘工艺、灾害防治等有直观的认识,能够漫游于虚拟场地中,对达成煤矿开学课程教学目标有重要的支撑作用。

4结束语

在国家以本为本的思想下,本科教育的改革探索是当前高校的一项重要任务,如何在探索出本科教学的创新之路,虚拟仿真实验系统的开发与应用无疑成为高等教育教学改革研究的有效可行方式之一。在互联网+时代学生信息需求量增大,活跃的思维方式决定了其获取知识需要更多的渠道和手段。因此,构建以学生学习为中心,综合运用现代化教育技术的教育教学机制,是当前人才培养的核心任务和目标。将虚拟仿真实验教学系统应用于采矿工程实验教学中,使实验教学更加有趣生动,实验教学手段更加丰富多彩,能够增强学生的自主学习能力和创新能力,实现了矿山井上、下真实场景的仿真,尤其涉及不可逆的工艺及不安全的场所,学生不用下井就能体验真实的生产环境,为矿山安全生产、人员生命安全提供重要技术保障,为传统的采矿工程的实验教学及学习模式注入新的活力,并对高素质采矿工程专业创新性人才培养产生深远的影响。教改项目:中国矿业大学(北京)2019年校级教改项目,采矿虚拟仿真实验教学方法研究

参考文献

[1]张秋昭,张书毕等.《矿山测量学》课程实践教学的虚拟仿真教学方法[J].能源技术与管理,2017.42(4):14-16.

[2]杜计平,孟宪锐.采矿学[M].中国矿业大学出版社,2014:1-8.

[3]高永涛.露天采矿学[M].冶金工业出版社,2010:13-25.

[4]胡晓松,李娟.基于虚拟仿真实验教学系统的医学形态学实验自主学习平台的构建与应用[J].创新教育,2018(28):131-132.

[5]樊守艳,王继浩.基础医学虚拟仿真实验教学现状分析与展望[J].中国教育信息化,2018(2):88-89.

作者:姜喜迪 侯运炳 单位:中国矿业大学

采矿工程教学中虚拟仿真系统的应用

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