教学体系

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(见图5-1)为基础（1横），以虚拟仿真实验教学系统和虚拟仿真实验教学管理系统为主线（2纵）,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。

图5-1  虚拟仿真实验教学平台

与此同时，利用中国矿业大学环境与测绘学院大楼及地下停车场，建设了包括一对模拟井筒（5层楼高）在内的矿井联系测量实训场，结合“中国矿业大学数字化测图实验场”、“巷道测绘模拟实训场”、“井下钢尺比长台”、“井下钢丝模拟观测平台”、“室内定位试验场（井巷、峒室模拟定位试验场）”等实训场，构建了虚拟仿真和实践教学相结合，仿真实验与实践教学一体化平台，形成了在虚拟实验环境中统一管理、灵活部署、开放共享，真实实验、现场实践检验与提高的实验教学模式。

矿井联系测量虚拟仿真实验教学体系体现了以下原则：

1、系统化、情景化和过程化原则

根据行业特点、专业人才培养目标和“平台+模块”课程结构体系，一是考虑建设项目全过程以及各相关环节的系统模拟，二是结合人才培养的知识能力要求以及课程结构体系的相对完整性，形成系统构架。

矿井联系测量虚拟仿真实验教学系统做到了力求高危实验环境的真实化、实验方法的过程化、实验步骤的具体化，使学生具有强烈的工程意识；力求计算机虚拟仿真实验的情景化，使虚拟仿真实验教学的虚拟仪器、设备、场景、构件等高度逼近真实部件的操作与使用；力求仿真过程高度实时，减少延迟，与真实实验设备进行实验完全一样，体现实验过程的工程化。此外，所有矿井联系测量虚拟仿真实验教学项目紧紧围绕人才培养的工程实践、工程意识和创新能力培养而展开。

2、以实为本、虚实结合、能实不虚原则

注意科学处理矿井联系测量虚实实验教学的关系，将矿井联系测量虚拟仿真实验教学视作辅助手段，其教学资源、实验教学项目围绕弥补或实现现实环境高危、实验成本高、风险大、实施难、时间难以控制而展开；力求将传统矿井联系测量等真实实验教学的优势与虚拟仿真实验的灵活性、系统性、真实直观性和可逆性等实体实验教学所缺乏的优势互补，实现两者有机结合、相辅相成、优化组合，以取得最佳教学效果。

3、交互性原则

矿井联系测量虚拟仿真实验教学系统能交互模拟实验的实训操作过程，学生可以通过鼠标等交互输入设备，交互完成虚拟实验来提高实际操作技能，并且通过虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建接近真实的实验实训环境，使参与实验实训的学生获得身临其境的感受。对学生操作实时反馈，学生可根据反馈信息做出调整，从而获得完整的训练。通过虚拟仿真平台，学生可设计建立功能性、通用性、灵活性、开放性、创新性的实验教学项目，培养学生的研究创新能力。

教学方法

借助矿井联系测量虚拟仿真实验教学系统，探索出了如下行之有效的实验教学方法。

1、虚实结合实验教学

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，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，再结合实训场真实实验、矿山现场观摩和观看录相等过程，虚实互补优化，实现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。

2、任务驱动型实验教学

矿井联系测量虚拟仿真实验教学项目的五个模块,均以实验任务为驱动，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。

图5-2  学生集中开展仿真实验

3、开放式实验教学

矿井联系测量虚拟仿真实验项目坚持了实验教学的目标、主体、方式、内容、资源的多元化、开放性，构建开放式实验教学管理平台，实现翻转式实验教学，建立"多元化"的实验评价体系,以培养学生的自主学习、自主实验、自主创新能力。

图5.3  全方位资源访问

破解了矿井联系测量实验教学难题

矿井联系测量要求高、作业环节多、内容抽象，其虚拟仿真实验教学系统破解了以下难题

1、矿山测绘仪器要求防爆、精密贵重，易误操作、损坏，不易长时间使用

“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；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。加之近几年招生规模扩大，使得相关课程或难以开展真实实验，或真实实验时间难以保证，成为制约提高人才培养质量的瓶颈。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，实现了虚实结合；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。

2、井下环境差、情况复杂，学生现场实验安全风险大

矿井联系测量实验项目需要在井下的特殊环境下完成。井下环境差、作业空间狭小、情况复杂。通常井下作业人员必须经过为期3个月左右的培训才能上岗，而学生的实验时间有限，下井实验，安全风险大。通过虚拟仿真实验教学，可让学生提前在实验室熟悉矿山特殊环境，在真三维的矿山环境下虚拟完成实验，可一定程度上减轻学生下井心理压力，提高学生在井下真实实验的成功率。

3、矿井条件所限，真实实验开展难度大

矿井联系测量实验项目，比如导入高程、一井定向、两井定向等，都需要在井筒中完成。井筒是矿山企业联系地面井下的唯一通道，在生产矿井真实实验必然占用井筒，影响生产，占用时间越长，损失越大，而废弃井筒难找、通风条件差、维护费用高，且安全不能保障。通过虚拟仿真实验教学，可以模拟真实的井筒、台车等环境，让学生在“不停产”的环境下，完成相关实验，再配合实训场真实实验、矿山现场观摩和观看录相等环节，使实验达到较好效果。

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.

形成了全覆盖评价体系

利用虚拟仿真实验教学系统采集到的全覆盖的实验实习数据，包括实验软件记录的实习电子日志，师生实验反馈、交流信息及用户评价记录，挖掘瓶颈环节、系统缺陷，发现存在问题，构建反馈、交流和改进等多元化评价体系，进行质量反馈和评价，有针对性的提出改进途径，完善考核方式，完善虚拟仿真实验系统。

以《矿井联系测量》实验教学过程中所涉方案设计与优化、外业测量施测过程、测绘仪器规范操作、观测数据规范记录、数据处理符合要求、计算成果符合精度要实验报告完备等为考点，按照各自在《矿井联系测量》实验中的权重，形成“虚实结合”的考核评价指标体系，实现对实验学习过程的全覆盖。

在国内外产生广泛影响

一方面，开发团队成员技术力量雄厚，开发了具有自主知识产权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如下7项软件著作权，使用发明专利1项(见图5-4,5-5)。

另一方面，通过共享平台，将虚拟仿真实验教学资源向东北大学、太原理工大学、淮海工学院、安徽理工大学、中国矿业大学（北京）、江苏煤炭地质物测队等高校和企业，进行校内外、国内外开放，不断交流、提升、丰富虚拟仿真实验内容与内涵，提高实验教学效果，起到了引领、示范作用(图5-6)。

近年来，20余所国内外院校同行到校参观、交流虚拟仿真实验教学成果，组织召开研讨会和培训班3次；多次应邀在包括中国测绘地理信息学会年会、教育部高校青年骨干教师高级研修班、全国测绘地理信息教育工作会议，国际测量与地理空间信息教育论坛、国际矿山测量大会等重要会议、研修班上做虚拟仿真实验教学成果介绍，国际矿山测量协会主席、国际矿山测量协会教育委员会主席等多次予以重点推介，《定位》杂志发表专访，产生了广泛影响（见图5-7至5-10）。

软件著作权与专利清单如下：

[1] 2017，一井定向虚拟仿真实验教学系统，软件著作权，国家版权局，软著登字第2059226号；

[2] 2017，井下导线控制测量虚拟仿真实验教学系统，软件著作权，国家版权局，软著登字第2115895号；

[3] 2017，导入高程虚拟仿真实验教学系统，软件著作权，国家版权局，软著登字第2114833号；

[4] 2017，井下水准测量虚拟仿真实验教学系统，软件著作权，国家版权局，软著登字第2145659号；

[5] 2017，工程测量技术专业虚拟博物馆，软件著作权，国家版权局，软著登字第2145553号；

[6] 2018，陀螺全站仪定向虚拟实训教学系统，软件著作权，国家版权局，软著登字第2545001号；

[7] 2018，贯通测量虚拟实训教学系统，软件著作权，国家版权局，软著登字第2545005号；

[8] 2016,陀螺经纬仪的教学系统，实用新型专利，专利号201607279640。

 

    
图5.4  软著著作权证书

  

图5-5  实用新型专利证书

图5-6  部分校企单位应用示范证明