時間：2023-09-20 18:19:36
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虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR，又譯作靈境、幻真）是近年來出現的高新技術，也稱靈境技術或人工環境。虛擬現實是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。
虛擬現實是一項綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者進行位置移動時，計算機可以立即進行復雜的運算，將精確的3D世界影像傳回產生臨場感。該技術集成了計算機圖形（CG）技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。
概括地說，虛擬現實是人們通過計算機對復雜數據進行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現實在技術思想上有了質的飛躍。虛擬現實中的“現實”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環境，它可以是實際上可實現的，也可以是實際上難以實現的或根本無法實現的；而“虛擬”是指用計算機生成的意思。因此，虛擬現實是指用計算機生成的一種特殊環境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個環境中，并操作、控制環境，實現特殊的目的，即人是這種環境的主宰。
2.虛擬現實技術主要的應用領域
現在虛擬現實技術主要應用在軍事與航天工業、室內設計、房產開發、工業仿真、應急推演、文物古跡、游戲、Web3D/產品/靜物展示、道路橋梁、地理、教育、虛擬演播室、水文地質研究、維修等方面。
3.虛擬現實技術應用于煤礦工作中的國內外研究現狀
3. 1 國外虛擬現實技術應用到煤礦工作中的研究現狀
在國外，虛擬現實技術應用到煤礦及其生產系統的設計和規劃、采掘工作面、礦井災害的模擬、煤礦安全生產培訓等方面。
美國賓夕法尼亞大學開發了虛擬現實礦工培訓系統。該系統允許用戶在虛擬工作面上檢查工作面的故障隱患，如頂板支護是否合理，查看工作面設備是否正確放置，以及應該采取哪些措施。應用該系統可以培訓礦工的安全意識。
德國DMT大學開發的礦井決策模擬系統STMBERG，是采礦專業學生的訓練軟件。該軟件包括地質、開采設計、工作面狀況等方面的簡化條件，學生可以進行決策和管理。
3. 2 國內虛擬現實技術應用到煤礦工作中的研究現狀
國內在虛擬現實研究方面則是剛剛起步，在煤礦中虛擬現實技術主要應用在重大事故調查事故分析中。如陜西某礦發生的特別重大瓦斯爆炸事故，開發了煤礦瓦斯爆炸及火災事故虛擬現實系統，并成功應用于對該礦事故的調查分析，利用粒子系統和動態文理技術表現瓦斯爆炸、火災，形象地顯示了復雜的事故過程和發生原因。目前，中國礦業大學和DMT-TFH合作，已將STMBERC應用于真實礦井中。
4.虛擬現實技術在煤礦安全生產中的應用
虛擬現實技術在煤礦的應用，既屬于危險環境下的操作，也屬于CAD、教育和培訓的范疇。虛擬現實技術為煤礦安全生產、優化設計和礦工技術培訓等提供了一種更為有效的手段。
4. 1 礦井開采模擬
采掘工作面是煤礦安全生產的最前線，安全生產矛盾最為集中、安全條件最差、作業人員最多、設備集中、空間狹窄、工作行走受限，是頂板、瓦斯、煤塵、火災等災害的多發地點，也是系統最復雜的地方。采掘工作面的虛擬實現不僅包括靜態的虛擬環境（如頂板、巷道、地板等），還要包括動態的可交互的虛擬實體（如采煤機、掘進機、液壓支架等）。系統創造的這一三維環境與現實中的房柱式開采情況極為接近，無論是采礦作業過程，還是工藝設備的運行都如同是現場拍攝。更有意義的是操作人員可與這一系統進行交互作用，可以在任意時刻穿越任何空間進入系統模擬出的任何區域，通過計算機屏幕顯示出所視空間的采礦作業情況，如設備當前位置和運行狀況，設備運行的時間、產量、設備間的距離等動態信息。這種模擬超過之前以任何方法建立的模型所達到的效果。應用虛擬現實系統可以通過對不同型號設備、不同開采參數下的生產系統進行動態模擬，從而達到優化生產系統的目的。顯然，這類系統還可用于礦井開采計算機輔助設計、生產監控、管理和技術培訓等方面。
4. 2 煤礦人員技術培訓
在礦業領域可以借助虛擬現實系統虛擬井下各種復雜的作業環境，供采礦工程專業的學生實習訓練，這樣既可以降低實習費用，又可縮短教學時間，讓更多的人接受高等教育，同時還可對井下工人進行上崗前的操作及安全教育培訓。如虛擬井下的各種工況及險情，使被訓練者身臨其境地去體驗，并學會采取有效的應急措施去處理各種險情，以提高人員素質，消除事故隱患。
諾丁漢大學AIMS研究室應用虛擬現實技術開發的房柱式開采模擬系統VR-MINE、蓄電池機車模型、露天礦單斗卡車工藝生產系統等可分別用于相應環境下工作人員的培訓。如用于露天礦卡車司機及相關人員的培訓的露天礦卡車模擬器，該模擬器除采用一般的VR模擬系統硬件及軟件進行人機交互外，還可通過方向盤、加速器和剎車板控制屏幕上卡車的運行，猶如駕駛真正的卡車一般。當受訓者操作這些硬件時，面對的計算機屏幕或投影大屏幕上呈現出一個三維的真實直觀的露天礦作業環境，包括聲音、甚至煙霧，如同駕駛著一輛真實的卡車運行在露天礦的礦坑內，無論是駕駛的卡車本身，還是環境中運行的其它設備，均按照受訓者的操作或依據系統間的動態關系運行。比如，受訓者操作出錯時，同樣會造成撞車或從臺階滾落下去的事故。顯然，這種培訓手段使人與環境結合起來，通過人機交互使受訓者產生身臨其境的感覺并達到或超過以往其它任何培訓形式所能產生的效果。
4. 3 煤礦設備的虛擬設計和制造
虛擬現實技術用于大型設施、設備的設計和制造已有許多成功的實例。把虛擬現實技術用于對煤礦新設備的設計方案進行可視化的性能評估，則更顯示出虛擬現實技術的優勢。由于井下場地狹窄，環境惡劣，因此對井下設備的設計、運行、維修都提出了很高的要求。煤礦設備的虛擬設計和制造，其意義不僅僅是節約資源和時間，而是完成在地面或在常規條件下無法進行的工作。例如采煤機虛擬設計中，設計人員不必等到樣機制造出來，再去修改其中不理想、不合理的部分，因為虛擬現實系統可以容納他們“進入”計算機中的三維空間圖像，借助多種交互手段直接對采煤機的設計進行觀察、討論和修改，從而大大縮短設備的研制周期，節省研制費用。
4. 4 應用虛擬現實技術進行礦井事故調查和研究
應用計算機繪圖和虛擬現實技術可以快速、有效地以一系列三維圖像在計算機屏幕上再現各種事故發生的過程，事故調查者可以從各種角度去觀測、分析事故發生的過程，找出事故原因，包括系統設計和現場人員的動作行為。同時通過交互式地改變這虛擬模型中環境的參數或狀態，從而防止其它與此相關的潛在事故的出現。
礦井火災和瓦斯爆炸是井下工作人員所面臨的主要災害。計算機技術的高速發展使得在災變條件下復雜的通風網絡快速解算成為可能，從而指導井下火災發生時正確地控制風流，確保井下工作人員安全撤出，防止火災和有害氣體、煙塵等的蔓延。
AIMS的研究人員目前正致力于礦井火災VR系統的開發。該系統通過模擬某個真實的礦井作業環境，并結合網絡分析和CFD模擬的結果，可以逼真地展示出火災或爆炸發生的動態過程。除了模擬火煙彌漫狀況外，該系統還可通過人機交互作用顯示出人為因素，如反風、滅火措施等對整個通風網絡的影響。此類系統的開發，無疑可以廣泛地用于礦井火災的防治、救災和人員培訓等方面。
4. 5 虛擬現實技術應用在煤礦防治水工作中
利用虛擬現實技術的三維可視化功能可以真實的再現地下含水層和隔水層的分布、含水層的厚度空間的變化情況。以往工作中，通過剖面圖展示含水層、隔水層的分布特點，在平面圖中通過含水層厚度等表現含水層的空間分布狀況，總的來說不直觀也不全面。在虛擬現實系統中隨著資料的進一步完善，能夠直接的將含水系統真實的展現出來。水文地質研究中的重要部分是地下水流的運動規律，利用虛擬現實系統可以研究的不僅是含水層的展布，同時利用虛擬現實系統的實時變化功能也可以對地下水流的運動變化特征進行虛擬表達，充分展現地下水流的特點：其流向、流速和流量乃至儲存量的變化等，為礦井防治水提供可靠的依據。
5.煤礦虛擬礦井系統的設計構成結構
基于虛擬現實技術在煤礦中的應用現狀、虛擬環境中多智能體技術建模方法研究，系統的主要結構是：
（1）控制與反饋系統。系統可通過傳感器進行控制并作用于虛擬環境和反饋來自虛擬世界的信息。
（2）主計算機系統。是進行計算、模擬的主要計算機設備。
（3）三維模型。通過建模軟件形成的礦井中物體的三維模型。
（4）三維模型運動控制接口。三維模型運動控制接口程序控制礦井生產系統以及礦井中一切需要移動的物體。
6.結束語
關鍵詞 新建本科院校；人才培養模式；理論教學；實踐教學；一體化改革
中圖分類號 G647 文獻標識碼 A 文章編號 1008-3219（2013）17-0009-04
新建本科院校依據其歷史發展優勢、現實競爭需要和自身基本特征，大多數定位于培養技術應用型人才。在人才培養模式上，新建本科院校雖然經過多年的探索和實踐，但仍未脫離學術本科固有的模式，基本以理論教學為主導來設計教學過程，與人才培養類型定位吻合度較低，尚未形成自身特色。因此，新建本科院校應構建以實踐教學為主導的一體化人才培養模式。
一、地方新建本科院校辦學定位及其基本特征
（一）辦學定位
為主動適應現代經濟與社會發展對人才的多元化需求，滿足廣大人民群眾接受高等教育的需要，我國高等教育進行了規模巨大的結構性調整。從1999年開始，新建本科院校近300所[1]，占本科高校總數的1/3以上。這些新建本科高校基本上是由專科層次高職院校單獨或合并升格而成，有較好的舉辦技術教育的基礎。大多數新建本科院校，定位于舉辦應用型教育，培養應用型人才。只有極少數學科基礎較好、科研成果豐厚、師資力量強大的新建本科院校按照學術型人才的培養模式來辦學。
（二）基本特征
相對于培養學術型人才的老本科院校而言，新建本科院校具有如下基本特征：
在人才類型上，新建本科院校舉辦應用型教育，培養各類專業技術人才，具體工作為：現場工程師、生產技術工程師、管理技術工程師，負責生產一線的工藝、設備維護、監控、營銷、售后服務等相關技術指導、管理服務等工作。
在人才培養規格上，突出“能設計、會施工、懂管理”的特點。對于工科類專業要以科學為基礎，以工程為背景，以技術為核心，培養將科學理論知識轉化為工程建造物的技術人才，即技術應用型人才，在品德、知識、能力、素質等方面都要體現技術應用型特色。
在專業設置上，主要面向職業、職業群或技術領域，根據相關行業的發展趨勢、技術要求、人才需求來設置專業，體現職業取向。
在課程設置上，強調專業技術、經營技術、管理技術及智能操作技術水平的提升，既要求比技能型人才有更寬泛的理論基礎，又要有比學術型人才更強的技術應用能力和解決現場實際問題的能力。在課程體系的構建上，根據畢業生所要從事職業的實際，開設足夠的技術類課程，把學科理論知識的深度和廣度把握在適當范圍，加強實踐課程建設，實現“足夠、扎實”的理論基礎與較強實踐技能培養的有機結合。
在人才培養模式上，要以工程技術應用能力培養為主線，以實踐教學為主導，重點培養學生技術開發與應用能力，培養動手能力和發現問題、解決問題的能力。
二、實踐教學在應用型教育中的地位與作用
（一）實踐教學在本科人才培養中具有十分重要的地位
近年來，教育部連續關于加強本科教學工作的若干文件，對實踐教學的要求逐年“升級”。《關于加強高等學校本科教學工作提高教學質量的若干意見》（教高[2001]4號）、《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》（教高[2005]1號）、《關于深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見》（教高[2007]2號）、《關于全面提高高等教育質量的若干意見》（教高[2012]4號）等文件從“要重視”、“大力加強”到“高度重視”再到“新增教學經費優先用于實踐教學”，明確了我國高等教育大眾化之后工作重點的轉移以及提高教育教學質量的著力點，體現出教育部對培養應用型人才、培養學生實踐能力的高度關注。同時，四個文件中對高校實踐教學的要求也越來越具體，從一般號召、重視加強，到提出要保障實踐教學的時間和效果、不得降低要求，對實踐教學具體的學分、學時作出規定，再到新增經費優先用于實踐教學，要求越來越明確，內容越來越具體，措施越來越具有可操作性。實踐教學與理論教學是本科教學的兩個不可分割的組成部分，實踐教學具有更加重要的地位。
（二）實踐教學是應用型人才培養體系的重要組成部分
應用型人才培養要構建一個比較完整的體系，不同高校有不同表述：“應用型人才培養模式是以知識為基礎，以能力為重點，以服務為宗旨，注重知識、能力協調發展，學習、實踐和職業技術能力相結合”。“以‘夠用’和‘實用’為指針，構建理論教學體系；以能力為本位選擇課程內容，設置課程體系；以學生的全面發展為根本目的，建立素質教育體系”[2]。“以應用知識為基礎的理論教學體系、以能力為主線的實踐教學體系和以人文素養與職業道德為內容的素質教育體系”[3]。綜上所述，應用型人才培養應包括理論教學體系、實踐教學體系和素質教育體系三個方面。
（三）實踐教學是新建應用型高校科學研究的助推器
培養高素質的應用型人才是應用型高校的主要任務，但應用型高校也同樣具有科學研究的職能。新建應用型本科高校多為地方高校，所以也就決定了其科學研究應以技術及其應用創新為主，并與地方經濟、社會發展緊密聯系，而實踐教學正是新建應用型高校開展科學研究的助推器。教師可以結合實踐基地的生產狀況與企業共同申報課題，開展科研攻關，也可以直接參與企業技術革新和改造。因此，通過實踐教學可以助推新建本科院校的科學研究，擴大學校的影響力和輻射力。
三、以實踐教學為主導的一體化人才培養模式的構建策略
按照認知規律要求，以實踐教學為主導，構建理論教學與實踐教學等密切結合的一體化人才培養模式[4]。
（一）理論教學與實踐教學一體化
在教學體系的設計上，不再嚴格區分理論教學與實踐教學，而是完全按照人才培養目標定位，按照知識、能力、素質結構要求和崗位需求，重新構建人才培養模式。理論教學與實踐教學完全相融、交叉，不分先后，共同為實現人才培養目標服務。打破傳統理論課與實踐課由于人為劃分而造成的時間和空間上的錯位，實現二者的有機結合。同時，教師也不再區分理論課教師和實踐課教師，教師既要有較高的理論水平，又要有工程意識、工程實踐經歷以及一定的開展應用型科學研究的能力。如遼寧科技學院檔案管理專業按照“縱向多層次，橫向多模塊，課內與課外相結合，必修與選修相結合”的模式，充分實現理論教學與實踐教學的有機融合，提高檔案專業學生的綜合應用能力，形成了鮮明的應用型特色。
（二）教學與科研一體化
開展應用型科學研究是新建本科院校科學研究的主要方向，也是歷史優勢。沒有科研的教學會使教學沒有基礎，單純的科研會使學校脫離人才培養的宗旨，二者相分離也難以很好地實現服務社會和傳承文化的功能。應用型人才培養應堅持教學與科研一體化，這是由應用型人才的實踐性決定的。教師進行應用型教學的過程，也是開展應用型科學研究的過程，反過來，教師將應用型科學研究的最新成果應用于應用型教學過程，將極大地啟發學生的思維，對于實踐動手能力和工程創新思維的培養極為有利。如遼寧科技學院測繪工程專業將教學與科研相融合，學生參與教師科研項目，充分發揮學科優勢，利用學校現代化的測繪儀器設備，共同開展測繪工程項目的研究與教學工作，學生不但對測繪施工過程的組織、管理了如指掌，對學科前沿知識和測繪儀器的發展都有了比較系統的了解，而且較好地掌握了現代測繪技術，畢業后即可投入測繪工作實踐，深受用人單位歡迎。
（三）專業教育與思想政治教育一體化
傳統教育往往是專業教學與思想政治教育相分離，思想政治教育雖然獨立，但由于其過于單調而效果不佳。將專業教育與思想政治教育有效結合，根據畢業生的崗位需求、職業特點、工作類型需要進行有針對性的思想政治教育，可明顯提升育人效果。如遼寧科技學院會計學專業緊密結合會計人員政策性強、性強的工作特點，結合現實生活的經驗教訓，開展符合專業特點的思想政治教育，要求“遵守法規，不做假賬”，豐富了思想政治教育的內涵，提升了學生的綜合素養。
（四）工程實踐能力培養與職業素質養成一體化
現代企業高度重視畢業生的工程實踐能力和職業素養，這就要求新建本科院校注重學生工程實踐能力和職業素質的培養。以工程實踐能力為主線優化教學體系，在人才培養過程中融入職業元素，讓學生在學校學習期間更早地了解從業人員應該具備的職業素養，從而自覺地以此為標準來提高自身修養。如遼寧科技學院冶金工程專業教師與企業合作，以實踐教學為主導，共同開發了煉鋼模擬仿真系統，模擬轉爐吹煉多品種合成鋼水及生產合格鋼坯的全過程。理論教學與實踐教學合一，使學生系統、完整地掌握煉鋼理論應用及煉鋼生產實踐的全過程。采礦工程專業在實行數字化礦山系統模擬仿真基礎上采取全真模式，實現礦山生產全過程的模擬仿真實踐，然后再到礦山進行實踐鍛煉，使學生系統、全面地掌握礦山生產各技術與管理環節，初步具備冶金礦山工程技術人員的工程素養和意識，學生畢業即可上崗，受到礦山的高度評價。
（五）教與學和諧互動
傳統教學過分強調“教”的作用，而忽視“學”的能動性。一體化教學模式要求從教師和學生兩個方面精心設計，將教師的主導作用和學生的主體作用同時發揮出來，將教師教的目的與學生學的目的、教師教的手段與學生學的方式方法結合起來，使學生從被動學習向主動學習轉變。
（六）專業教育與課程教育緊密結合
專業教育特指對學生所學專業基本情況、未來從事職業等方面的教育。這一看似簡單的問題，往往被大多數高校所忽視。其直接后果就是學生對所學專業不甚了解，從而失去了目的性。對每一門課程的學習同樣如此，如果不了解其在本專業人才培養中的地位和作用，學起來也就非常被動。因此，要高度重視專業教育，讓學生在學習本專業及每一門課程之前，就基本了解、認識所學專業的發展概況、歷史、現狀與前景，知道學習本專業后將來可以從事的工作，可能面向的工作領域，熟悉本專業的發展前沿、領軍人物，知曉本專業的課程設置、教學大綱、參考書目、相關論文、設計、案例，了解本專業的教學模式、教學方法等，從而調動其學習熱情，增強學習的目的性和針對性。
參考文獻：
[1]鄧暉.加強新建本科院校建設力度[N].光明日報，2013-03-08.
[2]孔繁敏，郭淑敏，等.建設應用大學之路[M].北京：北京大學出版社，2006：47-50.
[3]宏喜.應用型本科人才培養方案制定的原則與實踐——對安徽科技學院應用型本科教育的思考[J].安徽科技學院學報，2009（1）：66-69.
[4]胡國柳.實現理論教學與實踐教學“一體化”教學[N].中國教育報，2012-08-24.
Analysis on the Reform of Integrated Talents Cultivation Model of Newly-built Undergraduate Institutions
LIU Zhan-wen， CONG Shu-lin
（Liaoning Science and Technology College， Benxi Liaoning 117004， China）