膏体充填虚拟仿真实验教学项目建设探索

张延凯，谭玉叶，王洪江，宋卫东

（北京科技大学 土木与资源工程学院，金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083）

膏体充填是金属矿床高效、安全、绿色开采的核心技术，充填料浆的浓密、制备及输送技术是当前国际学术研究热点[1-2]。由于其相关实验对场地、装备、材料、时间、安全性等的特殊要求，开展实验教学难度大，亟需采用虚拟仿真技术改造传统教学模式。因此，进行膏体充填虚拟仿真实验教学项目建设探索研究，对切实提高采矿工程专业实验教学吸引力和教学效果意义重大。

在煤矿开采领域，中国矿业大学、山东科技大学等高校已进行了虚拟仿真实验教学的探索和研究，并且取得了很好的研究成果[3-5]。但是，在金属矿开采方向，相关研究才刚刚起步。

本文旨在针对采矿工程专业（金属矿开采方向）实验教学信息化需求，探索虚拟仿真实验教学可行性，提出实验教学项目建设思路、设计平台架构[6]、设计建设内容、尝试开发与开放共享模式[7]、构建虚拟仿真实验教学效果评价指标体系，探索传统行业教学方式改革的新方向、新思路、新途径，为类似项目的建设提供参考借鉴。

1 项目建设技术路线

随着虚拟现实技术的成熟，全国各大院校开始认识到虚拟仿真实验室在教育领域的应用价值，它除了可以应用在实验教学方面，还可以辅助高校的科研工作[8]。

虚拟仿真实验项目建设的核心是实验教学资源建设与共享。本研究探索采用校企深度合作方式共建虚拟仿真资源、共同推进资源的共享。项目建设分为文献分析、归纳总结、课程体系分析、资源建设、运维推广5个阶段，分步实施。项目建设技术路线如图1所示。

图1 项目建设技术路线图

2 项目建设的必要性和基础

大数据、云计算、互联网+、人工智能、虚拟现实（VR）等已成为当今社会最热门的词汇，教育产业也必然要实现高度信息化。现代新兴技术正强烈冲击和改造着传统矿业教学的理念、内容和方式。虚拟仿真实验教学项目建设顺应时代发展潮流，符合新型矿业人才培养需求。

2.1 项目建设的必要性

2016年6月，《教育部关于中央部门所属高校深化教育教学改革的指导意见》（教高〔2016〕2号）[9]要求推动校内、校际线上线下混合式教学，充分利用信息技术实现优质实验教学资源开放共享。2017年7月，《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高厅〔2017〕4号）[10]进一步要求推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，提高高等教育实验教学质量和实践育人水平。可见，虚拟仿真实验教学是当前我国高等教育的一个重要发展方向。

基于虚拟现实技术的新型教学模式突破了传统实验教学的时空和内容限制，既节约了实验时间，提高学习效率，又扩展了实验教学范畴，降低了材料、设备的耗损。教学效果方面，虚拟仿真教学项目的应用，不仅有利于提升学生的学习兴趣，同时也有利于学生对知识的正确理解、快速掌握和长期记忆。

采矿工程是典型的传统工科专业，其科学研究具有系统性、实践性、工程性、不确定性等典型特征。传统的实验教学面临着危险性大、周期长、实验消耗大等诸多难题[11-13]。因此，亟需应用先进的虚拟现实技术对采矿工程专业传统教学过程进行改造，突破原有“理论教学+实验教学”授课方式的局限性，打造适应新时代矿业人才培养特点、虚实结合、全天候、线上线下一体化的学习环境。

综上，本项目建设紧围绕立德树人的根本任务，适应经济社会快速发展对人才培养的新要求、现代大学生成长的新特点、信息化时代教育教学的新规律，以提高学生实践能力和创新精神为核心，以现代信息技术为依托，立足于采矿工程专业实验教学信息化需求，形成有特色、可扩展、专业性强、界面友好的教学平台，推动传统工科专业建立线上线下相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，促进实验教学质量全面提高。

2.2 项目建设的基础条件

我校“矿业工程”作为国家一级重点学科和“双一流建设”学科，在业内具有较高的学术声誉和影响力。经过多年持续投入和发展建设，该学科拥有一支学风严谨、科研与教学经验丰富的教师队伍，形成了完善的实验教学体系。我校多年来一直从事采矿工程专业相关的实验、教学、科研工作，在数字矿山、三维建模、采矿方法、生产工艺、矿山灾害防治等领域积累了丰富的教学经验和丰硕的科研成果，为本项目的顺利实施奠定了理论和实践基础。

采矿工程专业是我校“一流学科”建设的重点方向，拥有金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室、城市地下空间工程北京市重点实验室等一批高水平的实验教学平台；拥有多套虚拟仿真类软件，如Skyline、Flac、Ansys、Surpac、3DMine等；拥有三维激光扫描仪、3D打印机、三维投影仪、大屏幕展示系统、计算服务器、网络服务器等大型设备。可见，项目建设具有得天独厚的软硬件条件。

此外，我校已经成功建设了钢铁生产全流程虚拟仿真实践教学平台、材料虚拟仿真实验教学中心等，有相关项目建设的宝贵经验可供借鉴。2017年，我校由高等工程师学院牵头与长沙迪迈数码科技股份有限公司合作，共同建设了“金属矿山仿真实践教学系统”，用于实践实训教学。该系统为膏体充填虚拟仿真实验教学项目建设奠定了坚实的基础。

3 实验项目选择

3.1 项目建设原则

项目建设坚持“能实不虚”的原则以及问题导向，优先选择采矿工程专业实验条件不具备或实际运行困难，涉及高危、极端环境、高成本、高消耗等问题的实验项目。紧密结合经济社会发展对新型矿业人才培养的需求、采矿工程专业特色、矿业发展最新成果以及我校“一流学科”建设的总体规划，采用现代信息技术、三维建模技术、数字矿山技术、互联网技术等，选择原理准确、难度适宜、易于实现的主干专业课程核心知识点作为虚拟仿真实验教学项目的建设内容。

3.2 建设内容筛选

按照我校2017版本科生培养方案，采矿工程专业本科生需修满187学分，其中理论课程139学分，实践课程48学分，具体见表1。

表1 本科生培养方案学分分布

通过对各类课程的筛选，选择专业核心课程中的主干课“矿床开采工程（地下开采）”作为项目建设的目标课程。该课程（64学时，包含6实验学时）是所有专业课程中学时数最多的，可改造空间大，可适当调整原课堂讲授内容，设计4~8学时的虚拟仿真实验，并分步实施。

“矿床开采工程（地下开采）”旨在培养懂管理的采矿工程技术人才，使学生了解本领域的前沿和热点方向。通过这门课程学习，学生可掌握地下开采方法的核心专业知识，为解决复杂的地下开采工程问题提供理论基础。课程重点和难点是讲解矿床开采的开拓方法、主要开拓巷道位置的确定、矿块采准与切割方法、回采工作与主要生产工艺、空场采矿方法、崩落采矿方法、充填采矿方法等。

我校具有多年充填采矿的理论和技术研究基础，已经出版多本教材和专著，例如《现代充填理论与技术》[14]《金属矿膏体充填理论与技术》[15]等，相关研究内容多次获得国家级和省部级科技进步奖，引领了我国膏体充填技术的发展。

近年来，我校成立了“膏体充填采矿技术研究中心”，建设了“工业级膏体充填实验室”，获批了“基于膏体充填的绿色采矿技术北京市国际科技合作基地”，为膏体充填采矿实验创造了良好的条件。但是，由于膏体充填实践教学具有系统性、复杂性、不确定性、不可视和高风险性等突出特征，加之实验周期长、物料消耗高、废物排放大，对于关键工艺环节无法重复演示及展示等缺陷，亟需建立“膏体充填虚拟仿真实验”教学项目，对现有的教学手段进行补充与完善，帮助学生全方面深入理解掌握课堂知识。

4 项目资源建设方式

本实验教学项目依托虚拟现实、人机交互、数据库和网络通信等技术，采用校企合作开发模式，实现以下教学目标：建立充填系统感性认知、掌握充填关键参数计算方法、掌握充填工艺及指标调控方法、掌握充填管网安全监测方法。

4.1 学校在项目资源建设中的作用

学校是项目资源建设的主导，应基于学校特有的计算机硬件条件、网络条件等对资源建设选用的架构、开发工具、运行环境、建设规模、硬件支持等提出要求。同时，针对教学目标，学校组织人员进行专业问题研究并设计实验内容、流程等。

一般情况下，学校擅长专业研究，但项目开发能力和经验都相对缺乏，需要委托专门的软件开发公司完成项目资源建设。但是，委托开发绝不意味着学校可以放手不管，将教学项目建设任务完全交给软件开发公司完成。

学校项目建设负责人、课程负责人、实验内容设计人员、项目建设过程管控人员、虚拟仿真实验教学人员、系统维护人员等组成的项目建设“人才队伍”才是项目建设成败的关键。

由于本项目的建设内容是相对“冷门”的采矿专业，而且是专业性很强的膏体充填方向，与项目实施方的沟通就显得尤为重要。我校在项目资源建设过程中形成了大量的技术文档和实验设计脚本，其中对膏体充填工艺流程的描述如图2所示。

4.2 企业在项目资源建设中的作用

图2 膏体充填工艺流程示意图

软件开发公司是项目资源建设的具体实施者。软件开发公司根据学校的硬件、网络条件、建设需求等设计软件的系统架构并进行开发工具选型；按照学校提出的建设内容、实验设想进行三维场景搭建、美工编辑工作；基于实验流程、实验报告要求进行交互式情景实现、动画编程。此外，为了便于项目的推广应用，还要设计建设网站，发布网页版或开发移动端；为了便于虚拟仿真实验的使用和维护，要撰写详细的操作手册和技术文档。

企业在实验教学项目建设过程中，至少需要投入三维模型制作、美工、编程、网络、软件测试、网站建设、项目管理等不同工种的技术和管理人员。由于虚拟仿真实验教学项目建设涉及人员众多、建设环节复杂，需要校企间反复沟通确认、定期交流推进，如条件允许，采用驻场开发的方式效果较好。采用Unity动画技术开发的膏体充填工艺流程演示效果如图3所示，采用Unreal+Maya动画技术开发的深锥浓密机拆装模型如图4所示。

图3 膏体充填工艺流程演示图

图4 深锥浓密机拆装爆炸图

5 运行及评价

本项目针对校内外用户的不同需求，开发了线上、线下资源。系统具有开放性、扩展性、兼容性和前瞻性，并以使用习惯统计和使用效果评价为核心，对项目资源进行更新和扩展。

5.1 开放运行模式

校内以线下资源运用为主，将虚拟仿真实验教学项目内容纳入相关专业培养方案和教学体系，线上资源作为教学辅助、补充。校外以线上资源学习为主，可根据教学内容需要申请使用虚拟实验线下资源。教学资源的管理和维护由我校专人负责。该软件系统可根据使用者身份设置对应权限，并进行分类管理。

5.2 评价体系构建

虚拟仿真实验教学项目建设的效果关键在于有“用”，对项目评价的目的是更好地促进实验教学资源的应用。对项目各教学模块的使用对象、使用时间、使用频次、实验分数等进行在线统计，同时收集学生、教师及其他使用者的意见反馈，系统分析量化评价项目的教学效果，强化优秀内容、淘汰无效内容，不断优化项目资源构成，可持续改进、更新相关教学资源，完善项目成果的易用性。

6 结语

膏体充填虚拟仿真实验教学项目以真实矿山为工程背景，涵盖膏体充填工艺流程及系统设备、膏体充填料浆制备、膏体充填料浆输送、井下膏体充填体力学性能4个关键知识点，设计了5大功能模块、70个交互步骤。本项目突破了传统实验的时间、空间、人力、材料、安全、环保等条件限制，探索了适应新时代矿业人才培养特点的新方式，创建了虚实结合、全天候、线上线下一体化学习环境，充分调动了学习者参与实验的积极性和主动性。

膏体充填虚拟仿真实验教学项目在我校采矿工程及相关专业教学水平提高、教学资源优化方面发挥了重要作用，促进了教学方式改革、激发了学生学习兴趣，取得了良好的教学效果。目前，该项目已成功推广到昆明理工大学、武汉科技大学、华北理工大学等多所高校，使用效果获得广泛认可。