东北大学采矿工程国家级虚拟仿真实验教学中心建设与实践

摘要：虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。东北大学采矿工程专业为解决采矿工艺优化设计、岩土力学实验、采矿围岩岩体失稳数值仿真模拟等大型复杂实验中物理实验设备昂贵、维护费用高以及采矿现场安全性差等缺点成立综合性虚拟仿真实验教学中心。

关键词：虚拟仿真；实验室建设；采矿工程

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）10-0141-03

东北大学采矿工程专业，根据学科发展需要及培养卓越性人才的需求，适应教育部开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设要求，从2010年开始建设国家级虚拟仿真实验教学中心。

采矿工程专业的课程应用实践性强、紧密结合生产实际，教学大纲要求学生深刻理解采矿工艺、岩石力学等理论并能够联系实际解释实际工程施工过程中的岩土体失稳、破坏问题及其防护原理。野外考察和现场实例无疑是弥补这一缺陷的重要内容，但遗憾的是，由于受到现场条件、人力、物力和财力的限制，很难在教学中实际操作。现场和物理试验虽直观，但由于各学校实验室观测手段、经费等条件的限制，传统的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。因此，需要对传统的教学内容进行改革，实现“教与学的互动、理论与实践的结合、能力与兴趣的共增”这一教学目标。

一、东北大学采矿工程国家级虚拟仿真实验教学中心建设

随着数值计算方法、虚拟仿真技术与计算机技术的发展，这些方法和技术为采矿、岩土及其岩石力学实验提供新的辅助教学手段。利用现代计算力学新理论、新方法和计算机可视化技术，对岩石的变形与破裂过程进行数值仿真和试验，不仅可以达到采矿、岩土工程设计及岩石力学实验辅助教学的目的，而且可以突破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，是采矿、岩土工程实验教学改革的一条新路。

数值试验和虚拟仿真技术注重于对一些由于经费、时间、难度等因素的制约而难以在实验室再现的现象进行虚拟显现，更强调运用数值实验的结果加深对未知现象的探索，具有通用性强、方便灵活、可重复性等特点。所以，针对采矿、岩土工程实践周期长、危险性大以及岩石实验观测难、分析难、重复难等多种弊端，通过建立虚拟仿真教学实验室开展实践教学，帮助学生深刻理解工程设计原理，掌握理论知识，提高学习兴趣和创新能力，理论联系实际，提高实验教学效果，对于产学研有机结合具有重要意义。东北大学采矿工程专业为解决采矿工艺优化设计、岩土力学实验、采矿围岩岩体失稳数值仿真模拟等大型复杂实验中物理实验设备昂贵、维护费用高以及采矿现场安全性差等缺点成立综合性虚拟仿真实验教学中心。

本虚拟仿真教学实验中心在发展的过程中遵循“物理实验与虚拟实验并重”、“科学研究指导教学实践”的实验教学理念。中心的建设主要依托于国家采矿工程重点学科、教育部金属矿山深部开采重点实验室、辽宁省岩土力学实验教学示范中心、东北大学―东北建筑设计院合办的辽宁省岩土工程研究中心、长江学者创新团队、招金集团东北大黄金学院。经过快速发展的4年，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。

二、东北大学采矿工程国家级虚拟仿真实验教学中心实践

东北大学虚拟仿真教学实验中心主要承担采矿工程、资源勘查工程、测绘工程、安全工程、工程力学5个本科专业及其他相关专业的虚拟优化设计、数值仿真计算、数字矿山、地质测量、虚拟安全工程训练等实验、实训课程。此外，还服务于全校本科生各类创新竞赛和研究生的课题研究。中心目前设有4个实验室：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，安全环境及装备虚拟仿真实验室。

以上4个虚拟仿真实验室，开设各类虚拟仿真实验。中心面向全校相关专业承担课程实验教学、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，对采矿、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，部分同学选作创新型实验。另外，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，为其提供设备仪器、场所和指导。

以下以采矿优化设计虚拟仿真实验室的露天矿境界与开采计划优化设计虚拟仿真实验，全面介绍本实验教学中心的教学实践过程。

露天矿境界与开采计划优化设计虚拟仿真实验简介。露天开采工艺实践性很强，课堂上讲采矿方法、工艺时，为了具有普遍性，用的大都是典型方案。而采矿的一大特点是地质条件千差万别，实践中的方案与典型方案有较大的差别。把学到的一般知识应用到实践的能力必须通过亲自动手来培养，而这是难以在课堂上实现的。针对该教学难点，研发了“露天矿优化设计软件系统”――SmartMiner。软件的功能涉及露天矿开采的生产、计划、地质测量等多个专业；系统从矿山钻孔取样或分层平面图基本数据开始，按我国矿山生产的工艺流程顺序，对露天矿生产的地测科、计划科、生产科的各项测量、验收、计划、设计工作统一到同一个平台，实现这些工作的完全计算机化。

功能界面。软件系统具有用户友好的交互界面、简单便捷的操作方式。点击鼠标、简单几个字的人机对话，即可看到结果，几分钟即可完成手工几小时甚至几天才能完成的一个工作单项。可将任意多个控制目标组合在同一个屏幕上，无级推拉放大或缩小，可二维、三维显示、任意角度旋转透视。具有开采计划、推进计划、爆破验收、台阶验收、长期规划、最终境界和长期开采计划优化等多种功能，具有专门针对矿山应用特点的方便的图形编辑、全部图层和单个图层的显示控制、露天矿专用图标标注、数字化仪和全站仪接口、图纸布局调整等功能。