工程爆破虚拟仿真实验教学资源建设.pdf
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1、实验室建设与管理工程爆破虚拟仿真实验教学资源建设张宇菲,孙强,岳中文*,郭东明,易锦(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083)摘要:高校开展工程爆破实验教学本身存在局限性,爆破危险品难以申购、实验环境安全标准严苛、实验操作危险性高且可重复性低等问题无法妥善解决。该文以中国矿业大学(北京)工程爆破实验课程为例,论述了建设虚拟仿真实验资源的必要性,介绍了工程爆破虚拟仿真实验教学平台以及实验资源建设的设计思路与过程。为最大程度还原真实场景,研发团队多次前往炸药工厂实地拍摄取材,结合理论课程内容,正确引导学生开展炸药爆速测试、猛度测试、起爆网络连接设计以及炮孔布设方案等实验内容,努力
2、探索线上线下教学相结合的个性化、智能化实验教学新模式。关键词:虚拟仿真;工程爆破;实验教学中图分类号:G420;TB41文献标志码:ADOI:10.12179/1672-4550.20220401Construction of Teaching Resources for Blasting Engineering VirtualSimulation ExperimentZHANGYufei,SUNQiang,YUEZhongwen*,GUODongming,YIJin(SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMiningand
3、Technology(Beijing),Beijing100083,China)Abstract:Therearelimitationsincarryingoutengineeringblastingexperimentteachinginuniversities.Theproblemsofdifficultpurchase of blasting dangerous goods,strict safety standards for experimental environment,high risk and low repeatability ofexperimentaloperation
4、cannotbeproperlysolved.TakingtheengineeringblastingexperimentcourseofChinaUniversityofMiningand Technology(Beijing)as an example,this paper discussed the necessity of building virtual simulation experiment teachingresources,andintroducedtheengineeringblastingvirtualsimulationexperimentteachingplatfo
5、rm,aswellasthedesignedtheideaandprocessofexperimentalresourceconstruction.Relyingonthetheoreticalcoursecontent,thisresourcecancorrectlyguidestudentstocarryoutthefollowingexperimentalcontent,suchasexplosiveexplosionspeedtest,intensitytest,detonationnetworkconnectiondesignandgunholelayoutschemedesign.
6、Inordertorestoretherealscenetothegreatestextent,theR&Dteamwenttotheexplosivefactory to take on-site photos and materials for many times.Moreover,the team is taking the opportunity to explore a newpersonalizedandintelligentexperimentalteachingmodecombiningonlineandofflineteaching.Key words:virtualsim
7、ulation;engineeringblasting;experimentalteaching爆破工程是许多高校岩土工程、土木工程、城市地下空间工程以及采矿安全工程等方向的专业选修课,主要探讨各类炸药基本性能及破岩机理、介绍常见爆破器材使用方法及适用条件、讲述爆破安全知识及个人安防措施等课程内容1。为加深学生对理论知识的理解,常配合开设若干学时的实验教学,开展炸药爆速测试、猛度测试、起爆网络连接设计以及炮孔布设方案设计等经典工程爆破实验,通过实际操作增强学生的感性认知。中国矿业大学(北京)学院路校区作为北京城区内唯一一所配备爆破硐的高校,工程爆破实践教学环节是力建学院土木工程专业长久以来的优
8、势和特色25。学生在做好个人安防的前提下,学习高压数显起爆器、爆速测试仪等设备的使用方法,掌握导爆索、导爆管雷管、四通等爆破器材的操作要领,进而从理论计算过渡为具有一定分析和解决爆破技术问题的专业型人才,这也与新形势下我国对高校人才培养的要求更为契合67。收稿日期:20220624;修回日期:20221128 基金项目:中国矿业大学(北京)本科教育教学改革与研究项目资助(J20ZD20,J200701,J200722)。作者简介:张宇菲(1990),女,博士,实验师,主要从事实验室教学与安全管理方面的研究。*通信作者:岳中文(1975),男,博士,教授,主要从事工程爆破与岩石破碎方面的研究。E
9、-mail:第 21 卷第 5 期实验科学与技术 Vol.21No.52023 年 10 月ExperimentScienceandTechnologyOct.2023但是,目前高校开展工程爆破实验教学还存在着诸多困难。1)工程爆破实验教学涉及管制品使用。目前国家对于民用爆破危险品的申购及运输都有严格限制,实验教学所需的导爆索、导爆管雷管、乳化炸药和黑索金等均隶属管制品。凡遇节假日或重要庆典活动,所有爆破危险品须彻底销毁,封存爆破硐,再次申购还需属地公安机关层层审批把关,无法确保实验教学按计划开展。2)爆破危险品的存放及使用条件较高。申购到的危险品须在符合文献 8 的药库中存放,且须专业技术人
10、员,即保管员、安全员、爆破员同时在场的情况下领取和使用。这对任课教师的专业技能要求较高,实验过程中若出现操作失误,极易引发安全事故。3)实验内容受限,专业针对性不强。经典的工程爆破实验内容虽然对辅助学生理解理论知识有一定的帮助,但以演示性实验为主,学生自主设计类实验较少。且爆破类实验普遍具有瞬态性1,学生无法反复观察实验现象,往往难以达到理想的实验教学效果。基于上述问题,土木工程实验中心联合北京润尼尔网络科技有限公司,以教育部产学合作协同育人项目为契机,围绕工程爆破开展虚拟仿真实验资源建设以及课程体系改革910。为探索新工科背景下校企合作培养新机制,学院创建了“工程爆破虚拟仿真实验教学中心”,
11、配合理论教学构建高仿真度的虚拟乳化炸药生产线、导爆管雷管装配、炸药爆速及猛度测试、起爆网络设计、炮孔布设方案设计以及爆破安全准入系统测试,将爆破高危环境综合性虚拟仿真教学资源融入实践教学环节,利用现代信息技术拓宽传统实验教学模式1113,力争体现学校土木工程专业学科优势和一流专业特色,提升国家、社会与学生三者间期望与能力的符合程度,培养出能够服务未来能源革命需求的高素质创新型人才。1工程爆破虚拟仿真实验教学资源建设1.1设计背景作为中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院的传统特色教学项目和优势学科,工程爆破类相关教学资源丰富,且学院现代爆破技术应用研究所已创建多年,工程背景广、现场经验多、师资
12、力量雄厚,能够为虚拟仿真教学实验平台的建设与优化提供理论指导和专业建议1416。另外,学院实验中心与北京京煤化工有限公司、天津宏泰化工有限公司保持良好的长期合作关系,为在虚拟仿真实验教学资源建设中获得较高的仿真度和完整性,研发团队多次前往炸药生产现场进行实景拍摄,获得了详实素材,为最大程度还原真实场景提供了有力保障。1.2实验目的掌握常见炸药特性、熟练操作爆破器材、设计起爆网络及炮孔布设方案是工程爆破的核心教学内容,也是系统性、实践性、可重复性要求较高的实验教学环节,但受安全、环境、爆破危险品申领等因素影响,学生难以在真实爆破场景中进行系统学习和实验,因此,建设工程爆破虚拟仿真实验资源有如下
13、5 个目的。1)建立对炸药和雷管生产线的真实感认知。通过对炸药厂实景、炸药及雷管生产车间各关键工艺流程的三维仿真模拟,引导学生认识生产乳化炸药及导爆管雷管过程中涉及的原材料、生产流程及装配系统。2)掌握常用爆破器材的结构、工作原理及操控方法。对高压电子数显起爆器、爆速仪、导爆管雷管等爆破器材进行高仿真还原,全景展示器材细节,配合文字介绍工作原理、使用方法及适用场景。3)掌握导爆索传爆速度、乳化炸药爆速及猛度测试的流程、操作要点和安全注意事项。在高仿真虚拟爆破硐场景中,按照爆破作业安全操作规程,逐一交互式选择爆破器材、设定测试段长度、制作起爆探针、绑扎起爆雷管、设置爆速仪参数以及高压数显起爆器操
14、作等实操环节训练,掌握实验各步骤的技术要点和安全操作要求。4)掌握起爆网络和炮眼布设方案的基本设计思路。通过综合设计类实验建立理论知识与实际工程的联系,给出限定条件和工程实际背景,引导学生逐步完成爆破方案决策,提升学生自主解决工程实际问题的能力。5)掌握使用爆破危险品的安全操作规程。通136实验科学与技术第 21 卷过阅读爆破硐管理制度和学生守则树立安全防范意识,通过爆破安全准入考试夯实基础知识,通过高仿真虚拟场景实操实训完善爆破危险品安全使用规程,逐步将安全操作规程根植于学生内心,为实际操作打好基础。工程爆破虚拟仿真实验资源建设突破了传统教学方式,学生可以在 PC 端共享实验资源(http:
15、/ 1 所示,在高仿真虚拟场景中反复演练危险品操作,在关键性节点设置人机交互环节,使学生能够深刻领会操作要领的同时又无需直面爆炸风险,身处爆破虚拟环境中提升专业知识和技能。1.3实验资源结合爆破工程、井巷工程等理论教学内容,实验教学资源包含常用爆破器材生产流程介绍、炸药爆速及猛度测试、起爆网络设计以及炮孔布设方案设计,可作为理论教学的重要补充。1.3.1爆破器材生产流程研发团队多次前往天津宏泰华凯科技有限公司实地取材,详细还原制备乳化炸药关键步骤:1)总控制室把控各个生产环节要点;2)油相备料将复合蜡与乳化剂按照固定比例拌和;3)水相备料将硝酸钠颗粒与水按照固定比例溶解完全;4)乳化阶段会将油
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