探讨虚拟现实技术在采矿工程教学的应用

探讨虚拟现实技术在采矿工程教学的应用
O 引言
采矿工程专业是培养适合时代发展需要的新型矿山专业技术人才的一个实践性很强的专业。

专业所设置的课程如《井巷工程》、《矿井提升与运输》、《采煤学》等课程，同现实结合非常紧密，里面牵涉到非常多的随时间演变的三维模型。

在传统的教学方法中，往往采用理论教学和实践教学相结合的方法，首先在课堂上讲授理论知识，然后通过生产实习、认识实习和毕业实习等各种形式，对照矿山实际情况，认识学习矿山开拓方式方法，矿山机械布置、运转、操作，各工艺流程的相互配合等知识。

由于理论教学和实习教学是分立的课程，表现为理论和实践的相互脱节。

从而出现这样一种情况：教师在黑板上用图纸、照片甚至录像等各种教学手段费力讲解，而学生对很多具体的工程实际问题仍旧不能形成正确的认识。

究其原因在于：矿山是一个复杂的多维生产系统，受个人的空间想象力限制，人们仅靠文字和二维或者三维的图纸不容易清楚地了解煤矿的生产系统和运营情况，不能够迅速形成一种身临其境的感觉。

而虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术则可以实现这种需求。

1 虚拟现实技术简介
虚拟现实的概念提出于20世纪70年代，90年代初开始受到广泛重视，并得到了快速发展，目前已经发展成涉及计算机图形学、人机接口技术、传感技术及人工智能技术、心理学、人类工程学等学科领域的一项综合技术。

虚拟现实系统具有三个主要特征，即沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagenation）。

通过使用者与虚拟环境的各种对象的相互作用，产生如同现实世界一样的真实感。

在虚拟现实环境中，使用者不仅能获得身临其境的感觉和体会，还可以通过某些手段影响和改变虚拟环境，把虚拟现实系统作为模拟操作，模拟施工，模拟决策等的平台，从而大大丰富了参与者的身心体验，提高了参与者对对象系统的认知水平。

VR是计算机技术的高级阶段，目前世界范围内的VR技术的研究可归纳为危险环境及远程环境下的监控操作、科学感知、CAD、教育培训、空间探索、医学和娱乐等方面[5]。

2 传统教学手段的局限性
目前矿业工程各专业常用的教学手段主要有：
传统的课本加挂图，配合老师的板书和讲解。

这种教学模式是最传统的的模式。

缺点主要是不够生动形象，虽然挂图能够用图片、图纸的形式阐释矿山模型，但学生对模型的认识流于平面化，很难在头脑中形成立体模型，并且也很难想象模型随时间的演化情况。

多媒体教学，配合教师的讲解以及部分板书。

这种教学方法通过幻灯片、音视频资料以及计算机3d模型等，极大的丰富了教学内容，生动直观，学生易于接受。

但这种教学方法局限于教师讲，学生听的传统模式，学生不能参与互动，使教学效果有所欠缺。

现场教学，缺点是对于矿山而言，看到的现场是只是在某个时间点上的情况，学生很难在头脑中建立起随时间演化的矿山动态模型。

并且受矿山生产现状以及学生人身安全保障的限制，很多具有危险性的生产环节学生是不允许现场观看的。

另外，矿山是一个很大的生产系统，学生往往只能看到局部，而很难看到矿山的整体情况。

3 虚拟现实技术在采矿工程专业教学中的优势
弥补教学设备仪器的不足。

以《矿山机械》这一课程为例，最好的学习方法应该是理论结合实物教学。

但是受高校现实条件所限，学校不可能购置种类齐全的大型机械，更不可能给学生提供操作机会。

而利用虚拟现实技术，通过在计算机上虚拟出与传统设备相似的造型、功能和操作面板，使用者只需要通过鼠标和键盘操纵面板上的虚拟按钮、开关、各种控制杆等来实现传统设备的各种功能操作。

这样，学生不但学会了各种仪器的构造、操作，同时也避免了现场操作各种仪器带来的危险以及大量的经费投入，还有利于学生自学。

拓展学生的三维立体视野。

采矿工程所涉及的开采现场，无论是露天开采还是井工开采，无论是煤矿开采还是金属矿开采，都是一个复杂的三维生产体系。

应用虚拟现实技术，可以在计算机上实现学生对全矿井各个部分的漫游，使学生身临其境的去体验，能迅速熟悉矿井生产系统各个环节，提高学习效率，有助于将来工作时能快速适应矿山环境。

动态展示矿山施工过程。

以《井巷工程》这门课程为例，里面牵涉到很多井巷的施工过程、人员组织以及机械调配等。

传统的教学手段，很难给学生讲清楚在钻眼、装药、爆破、通风、装岩、运输等各个环节中，人员的配合、机械的相
互协调等错综复杂的关系。

而通过虚拟现实技术，让学生通过计算机去组织一次施工，去发现学生预想的方案中存在的问题，从而通过进一步改进形成合理的施工方案。

有助于学生在脑海中形成一个随时间变化的动态的矿山施工模型。

辅助采矿工程设计。

从设计角度讲，在采矿工程中CAD已经得到了相当程度的应用。

计算机代替了传统的手工绘图，但目前采矿工程中应用的软件大部分都是二维的。

如果利用虚拟现实技术，将能更高效的完成采矿设计。

利用虚拟现实技术，设计者在设计期间可以随时看到与实物最贴近的三维设计结果，可以直接进行三维设计和修改，能最快地反应设计结果，也最自然地符合了设计思路，从而使设计更加高效直观。

模拟受各种因素限制的过程、操作。

采矿工程各专业中存在很多受各种因素限制而无法给学生实习、操作和现场演示的内容。

比如：《爆破工程》中各种炸药的爆炸，炸药、导火索、雷管等的连接等具有危险性的过程和操作；《矿山地质》中地层随时间的动态演化，地表在各种风化作用下的变迁，岩石之间的互相转变等；《矿井通风》中各种风流的流动，瓦斯的涌出，积聚等。

所有这些过程、操作，如果通过虚拟现实教学，将能够生动、安全的展示给学生，提高学生的学习兴趣，满足教学的个性化需要。

4 虚拟现实技术在采矿工程学科群教学中的应用前景
虚拟现实技术已经发展了数十年，在采矿工程技术中的应用目前已经有所研究，主要应用于矿山生产，主要取得的成就有：汉诺丁大学AIMS研究室应用VR 技术开发的房柱式开采模拟系统VR-MINE。

南非CSIR公司礦业分公司用区域3D 沉积模型来模拟各种断层构造。

徐州市旗山煤矿的VR矿井生产模拟系统等[2]。

在教学方面，目前虚拟现实技术已经有了很多应用，查阅资料可知，目前虚拟现实技术在物理学、艺术、地学、机械设计、电子、土木建筑等教学中均有所涉及，另外，查阅相关资料可知，目前未见该技术在矿业工程各专业如采矿工程、安全工程、矿物加工工程等专业教学中有所应用[1-6]。

综上所述，目前虚拟现实技术在采矿工程学科群教学中的应用程度仍旧很低，可利用的教学软件、课件和教学资源仍旧比较少，但是由于虚拟现实技术的出现，其强大的功能决定了这种新的教学媒体必将广泛应用于教学，并对采矿工程学科群的教学产生巨大的推进作用。

参考文献
[1] 唐星焕．虚拟现实技术在建筑专业教学中的应用［J］．湘潭师范学院学报（社会科学版），2003，25（4）：129~130
[2] 吴清法．虚拟现实技术在采矿工程中的应用［J］．山东煤炭科技，2008，4：69~70
[3] 岳建伟，张大伟．虚拟现实技术提高建筑施工的教学［J］．科技资讯，2007，10：239~240。