数字化虚拟矿山实习课程建设及实践

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2025）14-0038-04

Abstract：Fromthetop-leveldesignofdigitalteachingreformforthecultivationofinovatietalentsinintellgentmining，the courseobjectivesandinovativepracticecontentsofthefistdigitalvirtualminingintershipcoursewereestablished.Usingdigital simulationtechnologyandinformationtechnologythreevirtualsimulationteachingsystemsforundergroundcoalmines，undergound metal minesandopen-pitcoalminesweredevelopedandconstructed，andanonlineminingvirtual simulationpracticeteaching programandmanagementplatformweredevelopedandconstructed.Animmersiveandinteractiveminingvirtualsimulation laboratoryhasbeenbuilt，andspecialinstructionalmaterialsforvirtualminepracticehavebeenpublished.Thecoursereates practiceconditionsthatcannotbeprovidedbymodernandrealisticmines，andguidesstudentstoleamandpracticeinahighly simulatedvirtualmineenvironment，breakingthroughtraditionalteachinglimitations，expandingthedepthandbreadthofpractical teaching，transfomingcognitiveexperimentationintoinovativepractic，andcultivatingstudents’innovativeandpracticalsils throughimmersiveandinteractiveoperationaltraining，aswellasonlineandoflinehybrid，guided，independentinquiryand collaborativeapproaches.Thisprogamisdesignedtotransfomcogntiveexperimentationintoinnovativepractice.Thenewodelof digitalvirtualminepracticeanddigitalteachingmethodsforhetrainingofinovativetalentsininteligentmining，consitigof specialteachingmaterials，onlineandoflineminingvirtualsimulationteachingresources，virtualsimulationlaboratoriesand courses，providesanewwaytosolvetheworldwideteaching problemof dificultminepracticeand innovative practice.

Keywords：digitalteaching；vitalsimulation；mingingenginering;digitalvitual mininginternshipcourse；experimental teaching

习近平总书记在党的二十大报告中特别强调要“推进教育数字化”。教育数字化是我国开辟教育发展新赛道和塑造教育发展新优势的重要突破口。2021年7月《教育部等六部门关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》，提出推动教育数字转型；2022年2月印发的《教育部2022年工作要点》，提出实施教育数字化战略行动。推动高等教育与数字技术的融合已成为实现高等教育高质量发展的迫切需求[1-3]。

一课程改革思路和要解决的重点问题

矿山实习是采矿工程专业实践教学的重要环节，其主要目的是将课堂理论教学和现场实践教学结合起来，通过矿山现场实习，使学生对采矿生产环境、生产系统、工艺技术、设备设施、安全环保、企业管理和运作等有真切感知和深入了解，掌握主要采矿设备及工艺技术的实际操作技能，提高矿山系统设计和优化能力，提高创新实践能力。矿山实习从认识层面、基本技能训练层面到解决复杂工程问题层面进行多层次实践教学，培养大学生的工程视野，综合性、实践性和创新性的专业素质，乐于奉献艰苦矿业的高尚情怀。由于矿井（山）生产系统及环境极其复杂，实验室无法还原大型昂贵设备配套作业的矿井（山）生产工艺系统和生产环境，现代化矿井因为受危险环境、繁忙生产以及生产系统大多布置在井下复杂环境等因素影响无法提供充分的实习、实践条件，也由于传统矿山实习及实践教学模式的局限性，长期以来一直存在矿山实习实践难、创新实践教学效果不佳的世界性教学难题。蓬勃发展的智能采矿融合了信息、控制、人工智能等多学科高新技术，其实践教学更是抽象复杂。采矿工程专业智能化发展对传统实践教学方法提出了迫切的改革要求[4-10]。

虚拟矿山实习课程是首创的数字化虚拟仿真矿山实习实践课程，其改革宗旨是根据采矿智能化专业教学特点和存在的问题通过数字技术改革传统教学方法，以思政为引领，以培养智能采矿人才创新实践能力为目标，通过系统的数字化虚拟仿真实践教学，解决长期存在的矿山实习难和智能采矿创新人才培养实践教学难的世界性教学难题，支撑专业建设发展，提高人才培养质量，促进采矿工程实践教学数字化的创新发展。

二 课程建设及发展历程

虚拟矿山实习课程的创建始于2017年，在重大教改项目、国家重点研发专项、教育部产学育人重大项目支持下，持续进行了课程的仿真教学资源、仿真虚拟实验室、虚拟矿山实习课程、专用教材等的建设和改进提高工作。

（一）地下煤矿、地下金属矿、露天煤矿采矿虚拟仿真教学资源建设

煤矿井工开采、地下金属矿开采和露天矿开采是固体矿物开采的三种形式，为满足教学培养需要，从智能采矿创新人才培养教学改革顶层设计，根据数字化实践教学改革目标，采用主动立体显示技术、VR头显技术、倾斜摄影测量技术、透明化矿区构建技术、虚拟仿真实操系统数据同步技术、虚拟现实外设交互技术等先进虚拟仿真技术，以大型现代化地下煤矿、地下金属矿、露天煤矿为原型背景，首次体系化全方位建成地下煤矿、地下金属矿、露天煤矿三大虚拟仿真教学系统。采矿虚拟仿真系统逻辑构架如图1所示，具有灵活的可修改性和扩展性，能够在教学应用实践中持续完善和改进提高[11-14]

为实现地下煤矿、地下金属矿、露天煤矿系统化全方位的数字化虚拟仿真实习实践的教改目标，从矿山地质、地面工业系统、开拓系统、准备系统、辅助生产系统、采掘生产系统、智能采矿系统、灾害事故和安全环保等方面构建120余项大型复杂沉浸显示和交互操作训练的采矿虚拟仿真教学单元。

通过仿真教学单元，仿真教学系统构建了从井上到井下、从宏观到微观的矿井高危、极端的虚拟场景，全方位、立体化地仿真整个矿井生产环境和各工艺流程，进行不可及或不可逆的操作训练，创建了一系列高成本、高消耗、大型或综合创新实践教学项目。矿井的种类也涵盖了井工矿、露天矿和金属矿三种，真正实现了统一平台下的全矿井虚拟仿真教学。

虚拟仿真软件系统采用精细化建模、实时光影、云渲染等技术[15-17提高仿真模型的逼真度，为教学创造高度逼真的矿山现场沉浸式感知学习和交互操作训练虚拟仿真实践平台。

（二）线上虚拟仿真教学资源建设

为拓展教学领域和空间，研发了线上采矿虚拟仿真教学项目和教学管理平台，线上采矿虚拟仿真教学项目已获评国家级一流虚拟仿真本科课程[18]。

线上教学项目为学生提供了自主探究式的创新训练平台。通过沉浸式显示和交互式操作实验平台引导学生建立矿井生产系统真实感认知；掌握综放工作面主要设备的结构、工作原理及操作方法；掌握综采放顶煤工艺各作业工序的技术要点和实际操作能力；掌握综放工艺技术、流程、方法和循环作业过程，培养综采放顶煤现场生产组织、管理能力。

（三）沉浸交互式虚拟仿真实验室建设

采用先进虚拟仿真技术建成沉浸显示和交互式采矿虚拟仿真实验室硬件环境系统。虚拟实验室的建设遵循技术先进性、稳定性、开放性、可扩展性和高性能价格比原则，突出沉浸式显示和实时交互操作功能。系统总体组成包括：三维可视化工作站系统、虚拟仿真软件系统、图像生成与渲染系统、沉浸式投影显示系统、6自由度三维交互系统、数字图像边缘融合与几何校正系统以及头盔显示器、井下模拟设备、3D立体眼镜和3D音响系统等辅助系统，阶梯式布置虚拟仿真终端设备[]。

（四） 教材建设

2021年由冶金工业出版社出版了第一部57万字的采矿虚拟仿真教材《采矿虚拟仿真教程》[。该教材依托采矿虚拟仿真教学系统，以现代化实际矿井为原型背景，还原了矿井作业环境、工业场景、生产系统、技术工艺、设备设施、智能采矿和灾害事故管理等的真实场景和生产过程，以虚拟仿真三维可视化方式系统介绍了煤炭开采地面工业系统、开拓方式、准备方式、辅助生产系统、采掘生产系统、智能采矿系统、灾害事故、安全环保和露天开采等方面的虚拟仿真教学内容和相关基础理论知识。

（五） 师资队伍建设

组建了结构合理、力量雄厚的师资队伍。课程团队为高校优秀本科育人团队、第二批全国高校黄大年式教师团队核心成员。团队承担多项教改项目，推动课程建设纵深发展。

（六） 不断改革提高

以社会需求为导向，深化课程建设。先后邀请国家应急管理部、教育部教指委、专业认证专家以及煤炭和冶金矿山企业专家、相关高校同行专家进行指导，在教学实践中不断改进提高。

三 课程目标和课程内容

（1） 课程目标

目标1：在三维虚拟仿真环境里，系统学习和掌握地面工业系统、开拓系统和准备方式、各种辅助生产系统、掘支工艺系统、各主要采煤工艺和方法、智能采矿系统、灾害事故和安全环保、金属采矿和露天采矿等矿山系统和生产工艺知识，建立矿山开采整体系统概念。

目标2：通过交互操作训练，学习采煤机、液压支架、刮板输送机和综掘机等采煤设备的设备结构和操作方法，学习综掘工艺、锚杆锚索支护工艺、综采工艺、综放工艺、智采工艺实践操作流程和方法，培养创新实践能力。

目标3：通过课程思政学习，提高工程视野和矿山开采系统分析能力，了解相关安全生产法规，培养矿业奉献精神和环境保护责任意识，建立职业道德和社会责任意识以及团队协作精神。

（二） 课程内容

依托地下煤矿、地下金属矿、露天煤矿三维虚拟仿真实验教学系统和线上教学资源，引导学生全方位学习地下煤矿开采、地下金属矿开采和露天矿开采知识和创新实践。以真实场景沉浸感知和交互操作训练方式，使学生系统感知和学习矿井真实环境、工业场景、设备设施、工艺技术流程等矿山知识和生产工艺技术及设备操作技能，达到虚拟矿山实习、创新实践的教学目的。主要虚拟实习实践内容如下。

① 矿山地质：煤的知识、地质勘探、煤岩层、地质构造、采矿地测图件。 ② 地面工业系统：虚拟矿井简介、工业广场、工业建筑、设备及设施、行政办公楼、主井提升系统及设备、副井提升系统及设备、地面煤流系统、主通风机房、压风机房、注浆注氮机房、矿井地面主变电所、坑口发电厂、瓦斯抽放泵站、选煤厂、机修车间、救护队综合楼、调度室。 ③ 开拓方式：立井开拓、斜井开拓、综合开拓、平确开拓、多井筒分区域开拓。 ④ 准备方式：上下山采区准备工艺系统、盘区准备工艺系统、带区准备工艺系统。 ⑤ 辅助生产系统：主井提升系统、副井提升系统、主运输系统、辅助运输系统、通风系统、供电系统、排水系统、压风系统、防灭火（消防、注浆、注氮）系统、瓦斯抽采系统、洒水防尘系统。 ⑥ 采掘生产系统：综掘工艺系统、锚网索支护工艺、综采系统、综放系统、充填采煤工艺、柱式采煤法、三下一上采煤法。 ⑦ 智能采矿系统：智能采矿系统、三维矿山建模技术，智能采矿数字孪生、基于TGIS的可视化管控技术、透明化智能综采系统。 ⑧ 灾害事故：矿井水灾、顶板事故、冲击地压、矿井火灾、瓦斯爆炸事故、煤尘爆炸事故、煤与瓦斯突出、机电运输事故。 ⑨ 安全环保：安全监测监控系统、人员井下定位及动态监管系统、压风自救系统、隐患排查、安全行为管理、采煤塌陷区治理。 ⑩ 地下金属矿开采：工业广场布置、开拓系统、采场准备、采矿方法、提升运输、掘进工艺、爆破工艺、支护工艺、采矿工艺、远程控制无人采矿工艺。①露天采矿：采场构成、地面布置方式、生产作业过程、生产设备、间断开采工艺、连续开采工艺、典型半连续开采工艺。