虛擬仿真技術在礦山機械課程實踐教學中的應用研究
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作者:劉寶 羅靜 李延鋒
摘要：論文首先對《礦山機械》課程傳統實踐教學中存在的問題進行了闡述，繼而對虛擬仿真技術在實踐教學中的優勢及不足進行了分析，最后結合教學實踐，指出“虛實結合”是《礦山機械》課程實踐教學提質提效的有效手段及根本原則。
關鍵詞：虛擬仿真技術;礦山機械;實踐教學
中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）39-0221-02
數十年來，高校工科教學為我國各行業培養了眾多的應用型人才，但是，其傳統實踐教學仍存在明顯的局限性，而虛擬仿真技術在工科專業實踐教學中的應用及深化，可以彌補其短板，并正在成為提升工科實踐教學的重要手段。
一、《礦山機械》課程傳統實踐教學的現狀及分析
《礦山機械》是河南理工大學機械類專業的特色專業課程，內容涵蓋煤礦地面及井下重要生產環節的機械裝備相關知識。該課程多年來一直沿襲課堂理論教學和演示性實驗教學相結合的校內教學模式，同時，開課前還有赴相關企業現場的認識實習，以使學生提前了解礦山機械的結構、功能、應用及制造過程。
《礦山機械》課程傳統實踐教學目前所面臨的困擾主要有以下幾方面：
1.校內實驗室裝備配備方面：經過2002—2012年煤炭行業十年黃金期的發展，涉煤礦山機械已普遍向重型化、大功率、高效率、自動化等方向發展，實驗室原有實物樣機在結構、功能、性能上已遠遠落后于現場應用，無法承載教學服務現場的專業培養目標要求。但若更換老舊實物樣機，在經費及實驗室空間等方面都存在困難。
2.企業現場實習方面：復雜多裝備協同作業、機物聯動、真切的空間尺度感及現場視聽感，是企業生產現場有別于校內實驗教學的突出特點。然而，煤礦井下生產及裝備系統因安全原因無法接收多人次的現場實踐教學，僅有地面運輸及提升等有限裝備可供學生觀摩。
3.實踐教學方法方面：校內實驗教學形式基本為教師對老舊樣機的演示性教學，這使得學生的學思過程只能體現為被動理解及跟隨。
4.實踐指導教師方面：雙師型教師缺乏，實踐教學水平、實驗內容及方法相較現場技術明顯滯后;而生產現場實習信息量大，時效性突出，但實習時間集中，企業工程師時常因故無法做全程講解，而年輕帶隊教師又無法勝任現場裝備及工藝技術的適時講解，致使現場實習走馬觀花、蜻蜓點水情況普遍。
二、虛擬仿真技術在《礦山機械》課程實踐教學中應用的優勢
虛擬仿真實驗是虛擬仿真技術（又稱虛擬現實技術）在教學及科研中的重要應用形式。虛擬仿真實驗教學綜合應用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫以及網絡通信等技術，構建逼真的實驗環境和實驗對象，使學生在虛擬環境中開展安全、經濟及高效的實驗，進而達到真實實驗不具備或難以實現的教學效果。[1-2]教育部教高函2018年5號文指出，國家虛擬仿真實驗教學項目是推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措[3]。對《礦山機械》課程而言，虛擬仿真技術在實踐教學中的應用具有如下優勢：
1.減少實物樣機購置費用，優化實驗室裝備及空間等資源的利用。
2.可使學生安全、便捷、多角度、全過程審視課程所涉綜采綜掘等機械裝備的結構、工作過程及工作環境，且不受現場光線、噪音、煙塵等的影響。
3.集中實驗和利用網絡技術分散實驗均可實施，實驗時間靈活，并可依需多次重復進行。
4.能方便調整所模擬作業過程不同環節的時長比例，便于突出重要過程，壓縮非關鍵環節，提高時間利用率及實踐教學效果。
5.可實現虛擬裝備動作的自主操控，通過人機互動，激發學生的學習主動性。
6.可實現誤操作和運行故障提醒，以及場景展現，拓展現場實踐教學環節。
7.可對諸如綜采工作面生產中的多機協同作業，進行多人協同配合操作，提高學生的協作意識及對復雜多機聯動生產系統運作方式的認識。
8.專職教師指導，學生分組次在微機室內進行，可避免多組學生短時集中現場實習時部分指導教師專業性不夠導致的實踐效果不佳現象。
三、虛擬仿真技術在《礦山機械》課程實踐教學中應用的不足
在工科專業課程實踐教學應用中，單純地強調虛擬化存在明顯不足，對于《礦山機械》課程實踐教學而言，虛擬仿真技術的不足之處主要體現在以下幾方面：
1.桌面顯示虛擬仿真實踐教學通過電腦屏幕平面展示視覺信息的形式缺少現場感。
2.虛擬仿真實踐教學中裝備動作的操控多利用彈出窗口等形式實現，缺少實際操控過程中的觸覺和力覺感受。
3.運用VR技術的虛擬仿真實踐教學中，視覺感受與身體所處實際環境的不同，會導致一些出于本能的姿態的不恰調整，甚至會傷及自身。
4.VR虛擬環境中的操作者位置、方向或運動速度改變時，由于失去了現實體位變化感受的參照，使實驗操作者對虛擬視景中的尺度感明顯弱化，會帶來對實際生產過程認識理解上的偏差。
四、《礦山機械》課程實踐教學的“虛實結合”
“虛實結合，能實不虛”是虛擬仿真實踐教學的根本原則。對于《礦山機械》課程實踐教學而言，“虛”指計算機等技術建立的虛擬礦機實體、工況場景、運行過程等，而“實”指礦機實體、實體操作和動作過程，以及現場生產工況環境等，物理仿真樣機的教學實踐也可以看作“實”。“虛”輔助及服務于應用的“實”，是優化教學過程的重要手段;“實”體現了工科教育“服務現場，滿足應用”人才培養目標的本質，是工科專業課程教學的歸宿。
河南理工大學煤礦開采虛擬仿真實驗教學中心，2013年被評為河南省虛擬仿真實驗教學中心。中心實驗教學資源中的煤礦機電仿真實驗模塊為《礦山機械》課程的實踐教學提供了強大支撐。該模塊的采礦裝備虛擬仿真實驗臺，可使學生通過操縱操作臺上的按鈕和手柄，實現對環形屏幕上三維虛擬場景中采煤機、掘進機，以及提升機等煤礦裝備工作狀態的操控;而模塊中以采煤機、刮板輸送機和液壓支架為核心裝備的綜采工作面配套設備物理仿真樣機實驗平臺，可滿足學生對裝備的動手操作及演示觀摩。該實驗模塊以“虛實結合”的形式，讓學生展開對主要礦山機械結構、工作原理以及操作規范的學習，使課程實踐教學效果得到顯著提升。 《礦山機械》課程實踐教學的探索與實踐顯示，“虛實結合”可以實現教學效果的提質提效，但以下幾方面需要給予關注：
1.虛擬實踐教學環節的設計應以課堂教學內容為主線，結合礦山機械現場應用，盡可能使諸如裝備的結構拆裝形式、操作方式，以及運行過程等與現場應用相一致。
2.建立虛擬仿真實驗臺及物理仿真樣機實驗平臺，既應能實現對裝備結構及運行過程的展示，并應可滿足進行必要的動作操作。
3.合理選擇礦山機械實體樣機關鍵部件構建實驗臺，與虛擬仿真試驗相結合，既有利于學生抓住重點，又有利于對相關機械結構及工作過程的系統化學習。
4.結合專業課程課堂教學，合理規劃赴礦山機械生產廠家及煤礦的實習時間，規劃好實習重點內容，讓學生適時了解以機物聯動為核心技術的多裝備協同作業體系的運作形式及特點，并把握核心裝備的關鍵技術。
論文通過分析指出《礦山機械》課程傳統實踐教學存在的弊端，繼而對虛擬仿真技術在《礦山機械》課程實踐教學中應用優勢及不足進行分析，并指出虛擬仿真技術能夠對煤礦井下裝備系統的實踐教學進行優化，提升教學效果。但過分強調虛擬化，則會使實踐教學偏離“服務現場，滿足應用”的根本。最后結合課程虛擬實踐教學工作的探索，認為“虛實結合”是《礦山機械》課程實踐教學提質提效的有效手段。
參考文獻：
[1]陳國輝.虛擬仿真實驗教學中心實驗教學體系建設[J].實驗室研究與探索，2015，34（8）：169-172.
[2]曲淑英，周志新，吳江龍，侯興民.工程力學虛擬仿真實驗教學中心資源建設[J].實驗室研究與探索，2017，36（12）：172-175.
[3]教育部.關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知[Z].2018.
Research on the Application of Virtual Simulation Technology in Practice Teaching of Mineral Machinery Course
LIU Bao，LUO Jing，LI Yan-feng
?。⊿chool of Mechanical and Power Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454000，China）
Abstract：The problems existing in traditional practice teaching of Mineral Machinery course are put forward.Both the advantages and the disadvantages of virtual simulation technology applying in the practice teaching are analyzed.Combining with teaching practice，the Virtual-Actual Combination is pointed out as an effective measure for the practice teaching of Mineral Machinery course to improve effect.
Key words：virtual simulation technology;Mineral Machinery;practice teaching
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