金属矿山岩石力学与安全开采虚拟仿真教学实验中心建设与教学实践

杨天鸿 张春明 于庆磊 朱万成 张鹏海

摘要：传统的实验教学内容已经不适应新形势对创新人才能力培养的要求，不能体现时代特色和新的教育观念，缺乏理论联系实际的有效方法。虚拟仿真实验不但可以获得与真实实验相同的体会，而且可以规避真实实验或操作可能带来的各种危险，还可以打破时空限制。在保证教学效果的前提下还可以极大地节省成本，具有传统实验室难以比拟的优势。通过金属矿山岩石力学与安全开采虚拟仿真实验教学中心的建设，我们对传统的教学内容实施大刀阔斧的改革，在发展的过程中始终遵循“物理实验与虚拟实验并重”、“校内学习与校外实践并重”、“科学研究指导教学实践”、“理论学习与工程应用并重”的教学理念，走出一条产学研有机结合的新路。让学生主动参与虚拟实验的设计和开展创新型实验，有利于创新人才能力培养，也有利于实现“教与学的互动、理论与实践的结合、能力与兴趣的共增”的教学目标。

关键词：虚拟现实；虚拟仿真；实验教学；金属矿山；岩石力学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）17-0140-06

一、发展历程

东北大学是一所以工科为主的多科性、研究型国家重点大学，是国家“211工程”、“985工程”和“双一流”重点建设高校。资源与土木学院是东北大学重点建设的四大工科学院之一，现有四个一级学科博士点。目前学院形成了以采矿工程首批国家重点学科为龙头，资源与土木两大学科群为主体，七个学科协同发展的局面。由于计算机技术、多媒体技术、虚拟现实技术、人工智能技术、数据库技术的快速发展为大型复杂采矿、岩土工程设计等提供了可靠、安全和经济的实验方法与手段，学校和学院近年来十分重视虚拟仿真实验及实验室的建设。“十一五”到“十二五”期间，累计投入建设经费2000余万元，用于虚拟教学环境、虚拟实验室条件、师资队伍与实验改革等方面的建设。经过多年的不懈努力和发展建设，我院建成了全国唯一的一个国家级金属矿山岩石力学与安全开采虚拟仿真教学实验中心。由于金属矿山无论是采矿方法还是硬岩岩石力学特性明显不同于其他矿山，因此本中心的建立对于学生认知金属矿山复杂的采矿工艺和岩石力学性质具有重要的意义，也是对国家矿业工程一级学科建设的重要补充。

中心的发展历程可大致分为四个阶段，分别为探索与积累阶段、初步建设阶段、快速发展阶段以及形成系统教学平台阶段，如图1所示。

第一阶段：探索与积累阶段（1995—2004年）

东北大学金属矿山岩石力学与安全开采虚拟仿真实验教学中心始建于1995年，是资源勘查工程、采矿工程、测绘工程、工程力学、安全工程等专业教学、科研的重要基地。

1995年，王青教授归国后建立起国内第一个矿山设计优化仿真系统，成为中心雏形建立的重要标志及成果。同时为中心下属采矿优化设计虚拟仿真实验室的建立奠定了基础。随后，在1996年，唐春安教授开发出国内第一个岩石破裂过程仿真系统软件RFPA，为中心成立初期的重要成果。同时为中心下属岩石破裂过程与大规模并行计算数值实验室的建立奠定了基础。

第二阶段：初步建设阶段（2005—2008年）

2005年，以逐渐完善的东北大学岩石破裂过程仿真模拟系统作为技术支撑平台，中心先后在国内外10余所高校建立了岩体力学数值仿真教学中心和实验室，不断加强和其他高校合作的同时扩大了中心自身的影响力。2005—2006年，依托岩石破裂过程仿真模拟系统的《岩石破裂过程数值试验》获辽宁省教学成果一等奖。2006年，引进加拿大劳伦特大学矿山虚拟仿真系统，包括大屏幕被动立体虚拟现实系统硬件及GOCAD软件，同时外派部分中心内人员赴加拿大培训、进修。至此，中心内软、硬件均已基本齐全，人员素质得到一定提升，中心水平得到了一次整体提升。

第三阶段：快速发展阶段（2009—2012年）

经过多年的积累与建设，中心已初具规模。在该阶段，中心不断加强教学模式上的创新，将虚拟仿真领域内的科研成果转化为教学的重要辅助手段，帮助学生理解课程内容。

2009年，中心获批辽宁省岩土力学与工程示范教学中心。2009—2010年，中心所授课程《岩石力学》获省精品课。2011—2012年，中心先后与中视典数字科技有限公司、上海天域时捷信息系统有限公司以及上海华弓数字科技有限公司合作，对原有虚拟现实系统的软、硬件进行了升级。2012年，中心所授课程《采矿学》获国家级精品课。

第四阶段：形成系统教学平台阶段（2013—2017年）

经过这一阶段的发展，中心至2013年已形成了系统性的虚拟仿真实验教学平台，虚拟仿真成为教学的重要内容。2013年，建立东北大学—山东招金集团有限公司国家级工程实践教育中心。2014年，中心所授课程《采矿学》获国家级教学成果奖。2015年，东北大学采矿与岩土工程虚拟仿真实验教学中心获批省级虚拟仿真教学中心，为中心今后的发展提供了更好的契机。2016年，金属矿山岩石力学与安全开采虚拟仿真实验教学中心获批国家级虚拟仿真教学实验中心，我们以此为契机对中心软硬件设施进行了大规模改造，并取得了预期成果。

二、系统构建

中心的虚拟现实系统设施建设要求具备前瞻性、实用性、稳定性、可靠性、先进性、经济性、兼容性、灵活性和扩展性。

1.系统应用模式。中心的虚拟现实系统兼备教学演示和科研功能，支持多种显示模式，包括：（1）大屏幕显示模式：两通道/单通道大型弧幕沉浸式主动立体虚拟现实系统提供了大屏幕立体显示模式，而且对观察位置没有要求，适用于多人多角度观看的工作模式要求。当需要播放演示文稿等非立体素材时，立体显示模式会自动切换为平面显示模式。（2）多窗口显示模式：根据不同的应用需求，可将多台计算机的输出结果以开窗口形式在大屏幕上显示。每次最多可開4个窗口，并且窗口大小、位置可任意调整；支持单屏、跨屏、多窗口叠加和跨通道显示；可实现多路动/静态信号窗口的缩放、移动、漫游等功能，并且窗口的显示内容在不同分辨率下不发生变形。（3）交互操作模式：在立体显示模式下通过人机交互设备，对虚拟场景进行虚拟交互操作，以主视点的角度来完成交互操作。通过中控系统可以实现几种应用模式的一键切换，操作方便快捷。

2.系统整体设计。虚拟现实系统支持多通道立体和平面显示，支持交互操作，能够为教学和科研提供完整软硬件支撑环境，其层次结构图如图2所示。

各部分组成描述如下：（1）主动立体投影显示系统，包含：①高分辨率、高亮度、高清晰度、色彩还原逼真、能在室内正常照明环境下显示清晰明亮图像、刷新率达120Hz的主动立体激光投影机；②信号矩阵；

③支持主动立体融合，并且融合带宽度可调，提供像素级别几何校正，运行流畅，无卡顿的纯硬件图像融合处理器；④主动立体眼镜；⑤用于在3D眼镜与大屏幕之間实现精确同步，以便让左右眼睛分别看到不同画面的红外发射器等。（2）图形生成系统，其中网络信号传输系统支持4路有线和无线网络信号同时上屏显示，可连接用户数不低于40人。利用开窗口功能可抓取多路矩阵输入信号显示在大屏幕上。（3）人机交互系统，由控制主机、红外捕捉摄像头、三维交互手柄和眼点跟踪标记点组成，可实现三维虚拟空间环境内与虚拟场景和物体的交互操作，并配有虚拟头盔显示系统。（4）音响系统，包括话筒、功放、音箱等，以满足课堂演示和会议对声音处理的要求。（5）中控系统，包括主机、强电继电器、无线触摸控制屏及无线路由器，可对投影机、矩阵、图像融合处理器、灯光等进行集中控制。

3.实验室布局设计。主实验室占地约90平方米，其中东西向长15000mm，南北宽5900mm。一块大型弧形硬幕将设备机房与其他区域隔离开来，余下空间根据虚拟现实系统功能和设备特点，经过精心规划和科学安排，从前到后依次划分为演示区、研发区、测试区和学生电脑区，如图3、图4所示。

其中演示区内的大型弧幕沉浸式虚拟现实系统可供实验室内的师生远距离观看三维立体效果；演示区前方的空地可供穿戴无线头戴式显示器的师生使用。穿戴式虚拟现实设备可以提供更好的沉浸感和交互性体验，缺点是一套设备同时只能供一人使用，受众面小，且必须提供足够的活动空间。将穿戴式虚拟现实设备与大型弧幕主动立体激光高清投影系统完美地结合，取长补短，使之互不干扰，可以大幅提升教学质量，取得事半功倍的效果；研究区用于学生开发虚拟现实应用程序，以便教学内容可以根据自身需要不断更新，实践训练可以及时跟上技术的发展。研究区的每台计算机均配备了有线头戴式显示器。由于有线头戴式显示器受线缆长度的约束，活动范围有限，因此在其后方开辟测试区，供程序测试使用；学生电脑区支持以班级为单位同时进行虚拟仿真实验，能够满足日常的课堂教学和虚拟仿真实验要求。另外，教室后面还配备一台会议投影机用于学术讨论，可接驳矩阵和笔记本电脑输出信号。

4.搭建虚拟仿真实验教学网络开放平台（网站）。为了满足虚拟仿真实验教学和学生自主学习的需要，中心建立了金属矿山岩石力学与安全开采虚拟仿真实验教学网络开放平台，以解决虚拟仿真实验教学资源的建设、整合、开放、共享问题，再辅之以虚拟化实验应用管理、实验学术资源共享管理、虚拟仿真实验教学管理、实验数据分析查询系统，将“有限的实体实验教学空间”拓展成为“无限的虚拟实验教学空间”，实现虚拟仿真教学资源开放共享的目的。平台提供了丰富的多媒体素材库和三维模型库，开设了采矿学等网络精品课，实现网络化的开放式教学和优质教学资源的深度共享。学生通过虚拟仿真实验教学平台进行注册，获取虚拟仿真教学资源，进行虚拟仿真训练。平台主界面如图5所示。

三、教学课程设置

中心主要承担采矿工程、资源勘查工程、测绘工程、安全工程和工程力学等本科专业的课程实验教学、设计实践教学、工程训练实践教学。根据不同专业的教学需要，在虚拟仿真实验教学中实施了分类教学，如为采矿、岩土、安全、资源勘查、测绘、力学专业学生开设基础型实验、设计型实验、综合型实验，部分学生选作创新型实验。中心作为大学生课外科技创新设计与制作的主要支撑单位，为全校各类本科生创新竞赛和研究生课题研究提供服务，负责为其提供设备仪器、场所和指导。此外，中心还承担数值仿真计算、数字矿山模拟、虚拟优化设计等科研课题研究，解决在采矿工艺优化设计、岩土力学实验、采矿围岩失稳数值仿真模拟等大型复杂实验中遇到的物理实验设备昂贵、维护费用高以及采矿现场安全性差等问题。

中心的组织结构图如图6所示。中心下设矿山测量与数字矿山虚拟仿真实验室、采矿优化设计虚拟仿真实验室、岩石破裂过程与大规模并行计算数值实验室和安全环境及装备虚拟仿真实验室共4个虚拟仿真实验室，开设了各类虚拟仿真实验，涉及各类课程50余门。下面仅以采矿优化设计虚拟仿真实验室为例，将其开设的采矿优化设计虚拟仿真实验项目及对应的课程列于表1。学生通过相关课程的学习可以深入地认识露天矿和地下矿的建设过程、生产过程的各个环节，每种采矿方法的采准、切割、回采过程，是采矿学、井巷工程、凿岩爆破、数字矿山、矿山机械等课程重要的教学辅助手段。学生还可利用该实验室进行矿山开拓、井巷掘进、矿房回采的仿真设计，展示大学生创新实验相关成果，显著提高了学生对采矿相关课程和工程设计的学习效果，有利于培养学生的原理运用与实践创新设计能力，深受学生的欢迎。

四、特色与创新

1.建立理论教学与实践教学相衔接、物理实验与虚拟仿真实验相对应、课堂讲授与计算机辅助教学相结合的多种实验教学形式和内容体系。众所周知，采矿工程、测绘工程、资源勘查工程、安全工程等专业课的实践性强，与生产实际结合紧密，除了要求学生理解相关理论和方法，还要求他们能够联系实际解释工程施工过程中的岩土体失稳、破坏问题及防护机理。但受现场条件、人力、物力和财力以及难度等因素的制约，教学中很难采用现场物理试验或实验室再现的方法进行验证，即缺乏理论联系实际的有效方法。另一方面，利用数值计算、虚拟仿真和可视化技术，对岩石的变形与破裂过程进行数值仿真和试验，不仅可以帮助学生掌握理论知识，深刻理解工程设计原理，加深对未知现象的探索，提高学习兴趣和创新能力，而且可以克服传统现场工程实践周期长、危险性大以及岩石实验观测难、分析难、重复难等多种弊端，为采矿、岩土工程实验教学改革提供新的辅助教学手段。在东北大学“211”二期“矿山安全高效及绿色开采技术”项目验收过程中，专家认为岩石破裂失稳实验室（数值仿真试验和物理实验相结合的教学体系）建设是应用现代高新技术改造传统学科的成功范例。

2.构建以开发学生创新思维、锻炼创新能力的实验研究与学术交流有机结合的实践创新教学模式。由传统以教促学的学习方式代之以学生通过自身与虚拟环境的相互作用来获得知识和技能的新型学习方式，有助于学生全身心地投入学习环境中去，也有利于学生的创新技能培养。目前，社会对大学毕业生全面素质的要求越来越高，尤其体现在创新精神和实践能力上，培养出具有高素质创新精神和实践能力的人才已成为高等教育成功的重要标志。学生主动参与虚拟实验的设计和开展创新型实验，有利于实现“教与学的互动、理论与实践的结合、能力与兴趣的共增”的教學目标。

3.将科研成果应用到采矿工程及岩石力学的实验教学中，推进产学研深度融合，鼓励更多的本科生参与科研实践，在促进科研工作的同时提供本科生的创新能力，形成具有金属矿山特色的以科研促实验的教学模式和技能训练体系。比如，将大量有关硬岩岩石力学特性、地压灾害控制以及复杂采矿工艺优化等方面的科研成果（已获多项国家科技进步奖）引入实验教学当中，利用现代计算技术和虚拟现实可视化技术实现采矿工程和岩石破坏复杂现象的计算机再现。再如，目前尚没有实验方法能够让学生了解采矿工程施工过程复杂的岩石介质中的应力场，我们通过建立现场岩体结构面测试、应力场微震测试与动态开采应力场力学并行计算信息综合集成可视化系统，实现了采场围岩应力场的动态演示与分析，便于学生理解采场地压的变化特征。

4.实行开放式管理，以提高学生科学研究和工程实践创新能力、培养知识能力和实践动手素质协调发展的研究发展型人才为主线，构筑具有先进设备和先进管理体制的实践平台以及与理论教学改革相协调的实验教学体系。开放实验室不但可以提高实验室资源利用率，发挥资源的最大效益，而且对调动学生学习的积极性和主动性，提高动手能力，培养高质量的创新人才具有十分重要的意义。本中心在满足学院本科生虚拟仿真实验教学的前提下，向全校本科生和研究生开放，并为各类创新竞赛活动提供服务。

5.以东北大学新建的东北区域超算中心和云计算中心为契机，结合我校在金属矿山安全高效开采领域的技术优势，应用先进的云服务技术构建扩展性与兼容性好、内容丰富、独具特色的金属矿山岩石力学与安全开采虚拟仿真实验教学平台，以解决虚拟仿真实验教学资源的建设、整合、开放、共享问题，再辅之以虚拟化实验应用管理、实验学术资源共享管理、虚拟仿真实验教学管理、实验数据分析查询系统，将“有限的实体实验教学空间”拓展成为“无限的虚拟实验教学空间”，实现虚拟仿真教学资源开放共享的目的，起到国家级虚拟仿真实验教学中心的引领和示范作用，更好地为培养具有实践创新能力的人才提供服务。通过虚拟仿真平台的建设还可以扩大虚拟仿真实验资源的共享范围，满足跨地区和学科专业的虚拟仿真实验教学需要。

6.加强与国内外高校的合作，积极推广我们的教学研究成果，同时吸收兄弟院校先进的虚拟仿真实验教学管理经验。我们开发的一系列矿山和岩土工程虚拟设计、仿真计算、岩石力学分析辅助教学软件系统曾被列入国家教育部的中国网格计划“ChinaGrid”，当时成为我国高校唯一入选、并将通过中国网格计划推广的岩土工程类教学软件系统。由东北大学开发的具有自主知识版权的岩石破裂过程分析系列软件以及出版的《岩石破裂过程数值试验》、《采动岩体破坏与岩层移动数值试验》等系列教材在国内外多家高校和科研院所相关专业使用，10余所高校还建立了由东北大学提供教学技术支持的岩土力学数值试验室，每年涉及教学课程40余门，涉及本科学生3500多人。另一方面，我们通过学习和借鉴兄弟院校先进的虚拟仿真实验教学经验，从多途径获取优质实验教学资源，不断开发内容先进、共享范围广、效果好的虚拟仿真实验项目，

7.加强与企业的合作，共建和共享资源，并在实践教学中充分利用企业的优质设备资源、人力资源与技术资源，做到“物理实验与虚拟实验并重”、“校内学习与校外实践并重”、“理论学习与工程应用并重”，切实提高人才培养质量。近年来为鞍钢矿业集团、山东招金集团等矿山企业培训科技人员400余名，利用先进的虚拟仿真手段为企业提供技术培训与新产品开发服务，已协助企业开发新产品100余个。

五、教学成果

中心自成立以来取得了丰硕的教学成果。近5年来，共斩获国家教学成果二等奖1项、入选国家级精品课2门、国家精品教材1部、“十二五”规划教材5部；获辽宁省二等以上教学成果奖8项、辽宁省优秀网络课程奖6项、冶金部教改成果一等奖1项、冶金部优秀教材一等奖1项、入选辽宁省精品课5门、辽宁省优秀教学团队1个、辽宁省教学名师3名；获东北大学教学成果特等奖1项；出版教材、专著30多种；发表教改论文50余篇；开发各类专用虚拟仿真软件80余套。

在本中心做虚拟仿真实验的各专业学生踊跃参加全国性大奖和创新实验，并履获殊荣。以采矿专业学生为例，通过参加采矿学等一系列虚拟仿真课程训练和教学实践，最终获得全国采矿工程专业本科实践作品大赛一等奖3项，二等奖4项，获全国大学生创新大赛奖1项，获辽宁省网络课程大赛二等奖1项，获批东北大学本科生创新实验项目3项。

中心还获得了多项重大科研奖励，包括国家科技进步二等奖4项，省部级科技进步二等奖3项，中国黄金协会科技进步特等奖1项等诸多奖项，这些科研成果有力促进了实践教学发展。中心基于自身的学科与科研优势，始终坚持采矿优化设计虚拟仿真紧密与现场实践相结合，利用先进的物理实验平台验证学生的虚拟仿真实验结果，增强学生的理性认识，培养学生的工程分析能力与创新思维。通过虚拟仿真实验解决大型矿山生产流程复杂、物理实验平台成本高、操作危险、难于共享的难题，成为产学研合作成功典范。

在实验教学中应用虚拟现实技术不但可以获得与真实实验相同的体会，而且可以规避真实实验或操作可能带来的各种危险，还可以打破时空限制。总之，通过金属矿山岩石力学与安全开采虚拟仿真实验教学中心的建设，进一步深化了我们始终坚持的“物理实验与虚拟实验并重”、“校内学习与校外实践并重”、“科学研究指导教学实践”、“理论学习与工程应用并重”的教学理念。另一方面，让学生主动参与虚拟实验的设计和开展创新型实验，有利于创新人才的能力培养，也有利于实现“教与学的互动、理论与实践的结合、能力与兴趣的共增”的教学目标。