虚拟仿真平台下矿井联系测量实践教学模式探索

    杨敏 汪云甲 顾和和 马昌忠

    

    摘? 要:矿井联系测量技术要求高、作业环节多、内容抽象,具有“实践性强、实施方案影响因素多、施测环节精度要求高”等特性,必须通过实验、实习等实践教学过程加以分解验证。因真实实验占用井筒,影响生产、存在高危等客观限制,导致部分实验无法开展或者开展困难,影响实践教学质量及学生综合能力的提高,成为制约人才培养质量的瓶颈。虚拟仿真技术为矿井联系测量实践提供了解决途径,为学生提供直观的学习体验环境,可以更好地理解课程内容,提高学生实践动手及创新能力,实现实验教学的虚实分段、虚实交替和虚实融合,有效地弥补了传统实验教学手段的不足,达到了良好的效果。

    关键词:虚拟仿真? 矿井联系测量? 实践教学? 虚实结合

    中图分类号:G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码:A文章编号:1672-3791(2021)02(b)-0165-04

    Research on Mine Connection Surveys Practice Teaching Pattern Based on Virtual Simulation Platform

    YANG Min? WANG Yunjia? GUO Hehe? MA Changzhong

    (School of Environment Science and Spatial Informatics, China University of Mining & Technology, Xuzhou, Jiangsu Province, 221116 China)

    Abstract: The main function of the mine connection survey is to unify the ground and underground coordinate system. Because of its high requirements, complicated operation steps and abstract theory, there are many problems in field experiment teaching such as large security risk and disturbing production. Therefore, proposing and building the virtual experimental teaching project based on combining and optimizing virtual and reality experiment can contributes to solve the problems of experimental teaching in mine connection survey. During the process of virtual simulation experiment, students can master professional knowledge and enhance the ability to solve complex engineering problems. With the actual operation in the training field, watch the real mine contact survey operation or video recording, realize the virtual-real segmentation, virtual-real alternation and virtual-real integration of experimental teaching, effectively make up for the shortcomings of traditional experimental teaching methods and achieve better results.

    Key Words: Virtual simulation; Mine connection measurement; Practice teaching; Combination of virtual and actual

    礦井联系测量是矿山测量的核心内容之一,其主要作用是将地面坐标和高程系统通过立井传递到井下。矿井联系测量技术要求高、作业环节多、内容抽象,具有“实践性强、实施方案影响因素多、施测环节精度要求高”等特性,必须通过实验、实习等实践教学过程加以分解验证。测绘类专业课程属于技术应用型,对学生实践能力的培养有很高的标准和要求。教学实践环节对专业课程实践学习而言非常重要[1],但在现实教学环境中,矿井联系测量实践普遍遭遇困难。在生产矿井中真实实验占用井筒,影响生产,占用时间越长,损失越大,且随着现代矿井朝大型化、生产高度集中化、高产高效方向发展,井筒繁重的提升和通风任务使得停产进行实验已不可能。而废弃井筒难找、通风条件差、维护费用高,空间狭小、危险性大,可实施性弱,安全不能保障。加之精密陀螺全站仪等贵重仪器实验成本高、寿命短,近几年招生规模扩大,使得该课程或难以在矿井开展真实实验,或真实实验时间难以保证,成为制约人才培养质量的瓶颈[2]。因此,对其进行虚拟场景再现和过程仿真实验具有非常重要的意义。

    该文针对矿井联系测量实践教学中存在的问题,通过VR技术,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,进行虚拟仿真实验教学,可模拟真实的井筒、台车、巷道等环境,让学生在“不停产”的环境下,完成相关实验,提出了采用虚拟仿真技术进行矿井联系测量实践教学模式的创新。再配合在实训场中实际操作,观看真实矿井联系测量操作或录像,实现实验教学的虚实分段、虚实交替和虚实融合,有效弥补传统实验教学手段的不足,达到了较好的效果。

    1? 矿井联系测量虚拟仿真实践的主要内容及意义

    虚拟仿真可以重复再现原理与算法的实现过程,可人机交互,实验环节可视,实验过程输入输出可控,能体现关键步骤的流程,这与传统矿井联系测量及软件模拟有着本质的不同。矿井联系测量虚拟仿真实验教学项目主要包括一井定向、陀螺定向、导入高程、井下导线、井下水准测量5类实验项目。其实验流程和工序复杂,井巷环境特殊、高危,非常具有代表性。虚拟仿真是新兴的技术平台,通过虚拟环境开展实验的选点、观测、数据处理等内容,实现学生“矿井联系测量”的基础训练;通过连接三角形优化、导线网优选、精度估算等内容,实现学生的综合设计能力。在该平台下进行矿井联系测量实践教学模式创新研究,其研究意义体现在全面提升实践教学质量,摆脱空有理论教学而实践环节不足的窘境,巩固理论知识教学效果,培养提高学生实践动手能力和学习兴趣,提高学生的综合设计、研究创新和工程实践能力。

    2? 虚拟仿真平台建设及技术手段

    2.1 虚拟仿真平台及软件资源

    矿井联系测量实验项目主要依托国家级矿山测量虚拟仿真实验教学中心虚拟现实平台进行建设[3]。该平台由实验教学项目团队应用unity3d技术自主开发,团队拥有全部自主知识产权。

    针对矿井联系测量实验教学存在的问题及应用需求,采用“系统构建、凸显重点、广泛共享、可持续发展”思路,充分发挥我校矿山测量及在虚拟仿真与三维可视化等方面的学术、科研、装备及师资优势,以虚拟现实与三维可视化仿真技术、信息化测绘技术为支撑,构建了由虚拟仿真实验教学平台体系(见图1),可实现分项虚拟、分阶段培养、多层次提升、全覆盖培训、虚实互补优化的矿井联系测量实验教学体系。

    2.1.1 典型矿山三维井巷模型

    系统开发了3类典型矿山的简化三维模型,主要包括地面工业广场、模拟井架、竖井、井下大巷、井下铁轨、提升、安全、通风、供电等三维模型。

    2.1.2 实验测量仪器及人员模型库

    系统共计构建了20多个人员精细3D模型,构建了防爆全站仪、矿灯、安全帽、出车平台、钢丝、垂球、手摇绞车、导向滑轮、定点板、垂球、水桶、水准仪、水准尺、钢尺、垂球、塔尺等60种矿山测量仪器及附属设备的3D模型,构建了模型库。

    2.2 先进的实验教学技术手段

    2.2.1 系统预设与随机的方式杜绝实验作弊

    结合《矿山测量学》课程的学习,在开展矿井联系测量虚拟实验前,应该提前做好准备工作,辅以矿山三维环境认知,联系测量原理讲解,典型实验过程的分段式演示教学[4],了解井筒内钢丝下放、地面与井下测角、量边、陀螺全站仪等基础仪器操作,掌握一井定向、陀螺定向、导入高程等联系测量的施测过程等。因此,需要在实验过程中,结合工程安排,学生自主开展进行仪器选择、选点等工作。仿真系统依据《煤矿测量规程》预设仪器精度等级、测回数、限差值等参数。系统自动随机合理分配观测初始量及随机误差,实现不同学生、不同时间获得不同的观测量,使得每个学生模拟实验过程保持唯一性,防止作弊。同时,根据学生在模拟实验过程的操作情况,出现观测误差超限等常见观测问题,进而让学生在模拟实验中,能分析矿井联系测量误差来源及精度控制方法,进行方案设计及优化,发现问题,解决问题,从而达到提升操作技能目的。

    2.2.2 任务驱动型实验教学,实现实验过程的流程化管理

    以实验任务为驱动,采取过程节点化管理,让抽象的实验过程,转变成形象逼真的“游戏”过程,增强教学效果。围绕任务展开学习,以任务的完成结果检验和总结学习过程等,改变学生的学习状态,使学生主动建构探究、实践、思考、运用、解决高智慧的学习体系。

    矿井联系测量虚拟仿真实验教学项目的5个模块,均以实验任务为驱动,例如一井定向,通过准备工作、时间安排、人员配备及分工、仪器、设备和工具的配备、投点、连接测量、内业计算等实验环节,采取步骤导向,实现复杂实验环节的分解和标识,到达实验思路和过程的层次化、條理化,引导和交互[5],完成实验,提升实验效果。

    学生可以明确知道当前实验在哪个步骤,并且可以随时暂停、重复或者跳到某一个实验环节,以便复习[6]、加强薄弱实验环节的训练或者快速了解实验总体流程。

    针对实习任务,按节点进行区块化管理,让学生通过不同的方式,了解掌握需要开展的实验流程,需要进行实验操作,记录实验结果,分析实验现象的成因、需要解决的问题、需要实现的功能。最终根据实验成果的精度要求,拓展要求和改善方向。

    2.3 虚实无缝全覆盖实验教学过程

    应用《矿井联系测量虚拟仿真》教学系统,构建覆盖实验“预习、实施、复习、考核”全过程的“虚实结合、课堂翻转”实施流程[7],既可解决矿井特殊环境导致高危、影响生产、精密仪器等由于实验“瓶颈”限制而致“矿井联系测量方案设计单一、操作复习难、实施细节不能反复、实验环节容易混淆或者遗漏、实验不利因素再现难,示教效果差”等问题,还可增强学生在进入实体实验室前对矿井联系测量实施流程、实施方案模拟和优化,实现课堂教学翻转。达到矿井联系测量实验项目“完整、高效、安全、互补”开出和考核对实验过程的全覆盖。

    3? 改革特色及成效

    3.1 探索出行之有效的实验教学方法

    借助矿井联系测量虚拟仿真实验教学系统,探索出了“虚实结合实验教学”“任务驱动型实验教学”等行之有效的实验教学方法。

    学生能在不同学习阶段,利用三维软件和键盘鼠标等输入设备,以实验任务为驱动,采取过程节点化管理,让抽象的实验过程,转变成形象逼真的“游戏”过程。围绕任务开展一井定向、陀螺定向、导入高程以及井下坐标与高程传递等矿井联系测量虚拟仿真实验。改变学生的学习状态,使学生主动建构探究、实践、思考、运用、解决高智慧的学习体系。达到实验教学的虚实分段、虚实交替和虚实融合,多层次提升复杂工程问题的分析能力和解决能力。

    3.2 破解了矿井联系测量实验教学难题

    “井下测量工岗位工作技术标准”中规定所有井下测量仪器必须取得煤安标志,且防爆。比如井下陀螺经纬仪,精密贵重,数量有限。该仪器采用高速马达或激光进行寻北和定向,仪器长时间操作容易导致发热、损坏,如果操作不当,临时停机易导致导流丝等配件损毁。通过虚拟仿真实验教学,学生能提前通过演示,认知、操作、熟悉仪器的操作流程,了解注意事项,为后继的真实仪器实验进行充分准备,可有效地减少真实实验时熟悉仪器的时间,提高规范性操作,减少或杜绝由此导致的仪器损坏,提高真实实验的成功率;在某种程度上解决了仪器相对不足问题,提高了仪器的使用率,其虚拟仿真实验教学系统破解了仪器贵重、高危、实验安全风险大等难题。

    3.3 助推传统教学创新

    如在矿山测量课程学习中,教师利用矿井联系测量虚拟仿真实验教学系统,构建起极具现实感的虚拟场景,课堂讲解更形象,效果更好。学生通过该系统,熟悉矿井联系测量工作的原理及基本方法,助推自主学习,学生预习后带着问题进课堂,教师在课堂上解决学生的问题,最终真正实现教学中的学生主体地位、教师的引导作用,实现课堂的翻转。

    3.4 形成了拥有自主知識产权的仿真教学资源

    开发团队成员技术力量雄厚,开发了具有自主知识产权的虚拟仿真实验教学系统,在国内外独树一帜,运用效果显著,相关成果版权明晰。已获一井定向虚拟仿真实训教学系统等7项软件著作权和使用发明专利1项。依托该实践教学模式打造的矿井联系测量虚拟仿真实验,获批2018年国家虚拟仿真实验教学项目。

    4? 结语

    矿井联系测量虚拟仿真实践教学模式研究,是一项长期的综合系统工程,没有现成的经验可供参考,需经过漫长的摸索和不懈的努力,任务还十分艰巨。在虚拟仿真实践平台的建设过程中,需结合测绘工程类专业的特点,踏实地制定虚拟仿真实践教学资源持续改进和建设规划,逐步推进实践教学虚拟仿真软件的研发,不断使用、改进、完善仿真软件,逐渐在理论与实践教学中推广应用。针对已有的应用经验和成果,还需要加强交互式参数的开放性功能设计、多情景环境架构和实验参数设计、实验参与及评价系统设计,提升用户体验,完善实验教学手册及评价标准。大力推进翻转课堂模式与虚拟实验教学平台相结合的实践教学探索。在“互联网+教育”的时代背景下,利用虚拟仿真等技术开展矿山联系测量等实验教学模式改革与探索,将传统的、单一的以“教师为主导”的模式应该变为灵活的、开放的以“学生为主体”的模式,实现从基础训练型、综合设计型、研究创新型3个层次,分基础、技术、创新3个阶段全新实践教学模式,为测绘行业培养实践与创新人才贡献力量。

    参考文献

    [1] 龚循强,张方泽,鲁铁定,等.新工科背景下“人工智能+无人机测绘”实验教学改革探讨[J].东华理工大学学报:社会科学版,2020,39(2):193-196.

    [2] 李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013,32(11):5-8.

    [3] 杨敏,汪云甲,余接情,等.矿山测量虚拟仿真实验教学中心建设的创新与探索[J].矿山测量,2016,44(4):98-102,115.

    [4] 郭迟,张沪寅,左文炜,等.“以赛促学”构建测绘类实践教学向智能时代转变[J].创新教育研究,2019,7(3):312-317.

    [5] 文壮.汽车车身焊接机器人路径规划与虚拟仿真研究[D].上海应用技术大学,2020.

    [6] 盛洁,刘静.VR+虚拟现实教育下艺术设计专业教学新模式探讨[J].教育教学论坛,2020(28):192-193.

    [7] 朱彬.发动机虚拟试车三维仿真教学与训练平台的设计与开发[D].江南大学,2020.