矿山测量被誉为矿山的“眼睛”，在保障矿产安全绿色开发中具有特别重要的作用。矿山测量学属于测绘、采矿、地质间的交叉边缘学科，是研究与矿产资源开发有关的从地面到地下、从矿体/工程到围岩的动静态信息监测监控、定向定位、集成分析、数字表达、智能感知和调控决策等的科学与技术^{[1, 2, 3]}，为面向矿山与地下工程领域测绘人才培养的核心课程。该课程的传统实验教学通常在地下矿井开展，存在高危环境下安全风险大、影响生产等问题，且由于采矿与岩层移动过程不可逆，地层内部矿体几何特征不可见，精密陀螺全站仪等贵重仪器实验成本高、寿命短，加之近几年招生规模扩大，使得本课程在实际过程中难以开展真实实验，或真实实验时间难以保证，严重制约了人才培养的质量。

虚拟仿真实验教学^[4]依托虚拟现实与三维可视化仿真、相似材料物理模拟、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，使得学生在虚拟环境中开展实验，进而达到教学大纲所要求的教学效果，可有效弥补传统实验教学手段的不足。目前，国外虚拟仿真实验教学已在不同专业得以广泛应用，如麻省理工学院的微电子在线实验室、美国北卡罗来纳大学外科手术仿真实验室、美国休斯敦大学的虚拟物理实验室、乔治梅森大学的动态流体虚拟仿真实验系统等。在教育部的推动下，我国许多高校均结合专业特色相继开展建设了虚拟仿真实验教学中心^{[5, 6, 7, 8, 9]}。中国矿业大学以矿业为特色开展了矿山测量专业的虚拟仿真实验探索，建立了一套矿山测量虚拟仿真实验教学系统，创建了“实景”实验室、虚拟实验室、常规实验室相结合的实验教学平台，开创了“虚拟实验—现场实践—实践反馈—虚拟改良”的综合实验教学模式，并于2014年成功入选国家级虚拟仿真实验教学中心。

本系统的设计以培养大学生创新精神和综合实践能力为导向，遵循系统化、情景化、过程化、以实为本、虚实结合、能实不虚、能力提高与交互性等原则，按照“紧跟学科发展，立足社会需求，夯实实践能力，强化技能，培育团队精神，提高创新能力”的实验教学理念，科学规划了矿山测量实验教学项目，构建了井上下一体化的全覆盖实验项目，形成了“统一平台、分项虚拟、分阶段培养、多层次提升、全覆盖培训、虚实结合、全方位共享”的虚拟仿真教学体系，以破解传统矿井测量课程中高危、不可见及现实条件不具备的实验项目和科研创新训练难题。

按国际矿山测量协会划分方法，矿山测量学由矿山测量方法与仪器、开采沉陷及控制、矿体几何、矿区土地复垦等分支学科组成^[1]。因此，笔者设计了点面结合的“1-2-5-X”矿山测量虚拟仿真实验教学系统框架，如图 1所示。整个矿山测量虚拟仿真实验教学平台(即一纵)由实验教学系统和实验管理系统两个子系统构成(即二横)。其中，实验教学系统则根据上述学科划分进一步分为矿山矿井测量、开采沉陷及控制、矿体几何、矿区土地复垦、通用测绘等5个虚拟仿真实验教学子模块，而每个实验教学子模块则分别由多个教学实验项目构成。

图 1 矿山测量虚拟仿真实验教学框架

图选项

虚拟仿真实验教学管理系统可向学生、教师和系统管理员提供基于网络环境的开放式实验管理功能，学生可以进入系统选择要开展的实验项目，保留实验结果或成果；教师可对学生相关实验过程、结果或成果给出成绩和评价；教师和学生可以通过系统进行虚拟仿真实验互动交流和探讨，分析虚拟仿真实验教学及现有系统的优点与不足，提出改进、完善途径；教师也可以从中得到实验反馈信息，调整相关实验的进度、深度及方式，改进、完善虚拟仿真实验教学系统，提高实验教学效果。

井下测量的很多现场实验项目需要在井下的一个狭小、有限空间里进行，存在触电、误入危险区、井巷落石、矿车运行等危险，现场实验安全风险大，实施困难；矿井测量中导入高程、一井定向、两井定向等实验项目，均需要在井筒中完成，影响生产；一些测绘仪器精密贵重，实验成本高。矿井测量模块就是为解决上述问题而形成，且不断应用、不断修改、不断完善。

本模块由矿山环境感知、矿山测量仪器认知、矿井联系测量、陀螺定向、一井定向、矿井导入高程、井下定位等子系统等构成，应用效果良好。如模拟井巷、峒室定位教学子系统以学院室内楼道为现实模拟巷道，通过移动终端安装虚拟教学软件，实现井下人员定位数据采集、三维交互、人员信息监测等实验项目，达到了虚实结合的教学目标；矿山环境感知虚拟仿真教学子系统模拟矿山测量井下阴暗、潮湿、狭窄、行人和运输车辆多等高危环境，开展井巷环境漫游、开采系统漫游等实验，克服了真实实验难以实现的难题；井下陀螺定向子系统通过仪器认知、仪器操作等虚拟仿真模块，实现了学生对定向知识掌握和操作训练，提升了仪器实验教学效果；一井定向、矿井导入高程等子系统，可通过模拟真实的井筒等环境，让学生在“不停产”的环境下，完成相关实验，再配合在一些高层建筑楼梯中实际操作，观看真实矿井联系测量工程录像，也可使这类实验达到较好效果。

地下开采改变了采场周围、上覆岩层的原始应力状态，引起采场周围、上覆岩层产生变形和破坏，打破了地下岩层、地下水、岩层结构的赋存状态，诱发一系列的采动地质灾害问题。建立沉陷控制模块是满足开采沉陷及控制课程教学及学生科研与创新训炼要求的关键环节。由于岩体内部移动破坏是地表移动破坏的内因，地表移动破坏是岩体移动破坏的内在表现，现场实验存在成本高、时间长、地质采矿条件单一、岩体内部不可见、不可复制、实施难度大、需要多方配合、时间难以控制等问题，使得其很难在教学过程中实施。因此，开展虚拟仿真实验可弥补现场实验在可行性、重复性、控制性、展示性方面的不足，是提高教育质量的重要途径。

沉陷控制模块包括地表移动与变形规律、充填采煤地表沉陷控制、岩层移动与变形预计和保护煤柱设计等虚拟仿真实验教学子系统，以及两个虚拟仿真实验平台，即开采沉陷相似材料模拟平台和开采沉陷数值模拟实验平台。

本模块营造了一个安全、可靠的实验氛围，避免了现场实验的高风险、不可控、高成本等缺陷；同时也让学生能够突破时间、空间的局限，再现采动岩体移动与变形过程，直观地观察到岩土体内部的位移、应力场的动态演化过程，掌握地表移动与变形规律及岩层移动控制的基本原理，理解开采沉陷及控制学科的精髓。

矿体几何主要研究矿床中带有几何特征的一些问题，分析矿体形状和矿产特性空间分布的几何特性，利用图解模型和数学模型反映矿体形状和矿产特性的空间分布情况，以便及时、有效、准确地解决有关地质采矿问题。地下矿体的形状因矿而异，变化很大，有的规则，有的特别复杂。矿产特性更是变化莫测，甚至十分邻近的地区，特性的数值差别却极大。而且矿床多埋藏于地下深处，眼不能见，只能根据地质调查和有限的钻孔资料进行研究，虚拟仿真教学就显得非常重要与必要。

矿体几何仿真模块能在实现矿床形态分析、矿体圈定及辅助成图、储量估算、矿体建模系统仿真、漫游操作、矿图绘制的基础上，深刻感知矿体形状和矿产特性空间分布的几何特性，学会利用图解模型和数学模型反映矿体形状和矿产特性的空间分布，并据此解决有关地质采矿问题的理论与方法。

矿区土地复垦是一项复杂的系统工程，周密合理的规划和精心的设计是土地复垦工程成功的关键。为了避免复垦工程的盲目性，保证土地利用与矿区生态系统的结构合理、土地部门调控及土地复垦项目时空分布的合理，矿区土地复垦规划设计需要多方案、多角度比较，进行时空分析、结构优化、三维景观设计与模拟。而真实实验由于成本及表现形式的限制，难以达到这一要求，学生通过虚拟仿真实验，可以提高规划设计的效率和科学性，更深入、更灵活、更安全地对矿区土地复垦系统进行解析、规划与设计。

本模块包括土地复垦规划、景观要素规划、三维景观模型的空间分析等子系统，以虚拟仿真的方式展示了矿区土地复垦规划的全过程，包括前期分析、规划设计、方案选择及成果展示等，既可支撑和辅助矿区土地复垦的规划和设计，又可实现矿区土地复垦规划的虚拟仿真实验教学。

与矿业特色课程相对应，围绕通用测绘类课程也建设了一批包括卫星导航定位、数字地球与数字城市等在内的虚拟仿真教学系统，如数字地球子系统立足现有科研成果打造，以全球空间格网为技术基础，涉及地图投影、空间框架、数据组织、三维可视化等若干知识点，可让学生直观、形象地理解数字地球的基本知识，动手操作数字地球构建的关键步骤，进而实现对数字地球全面、深入的认识。

上述虚拟仿真实验教学模块从基础、技术、创新3个阶段，为测绘、采矿等专业全程学习矿山测量及通用测绘类课程提供了虚拟实验条件和环境，可让学生自由搭建和自主设计相关任务、场景和应用模型，组建团队共同完成实验项目，进行科研与创新训练，实现统一规划、分阶段培养、多层次提升、全方位实训的教学目标。如利用笔者承担的“特大城市室内外无缝定位信号体制与系统构建”(863项目)，构建了室内外无缝定位平台，笔者所在院校测绘工程专业大学生在此平台上进行设计研究型虚拟仿真实验，完成的“基于室内外无缝定位技术的校园LBS手机应用”项目在2014年“创青春”江苏省大学生创业大赛中荣获银奖。

实践表明，矿山测量虚拟仿真实验教学系统能在一定程度上解决当前矿山测量教学存在的问题：

1) 使由于矿山生产和安全方面的限制难以开展的实验得以进行，如井下水准测量、井下导线测量等。

2) 解决新、贵、精、尖仪器不足的问题。如井下陀螺仪是矿山防爆仪器，成本高、寿命短，加之近几年招生规模扩大，使得或难以开展陀螺定向真实实验，或真实实验时间难以保证。通过虚拟仿真实验教学系统，学生能有效实现仪器的拆装，进行定向操作，学习原理及计算方法。

3) 突破矿山现场实验受时间、空间等限制，弥补了现场实验在可行性、重复性、控制性、展示性方面的不足，如开采沉陷与变形监测，矿体几何形态认知等。

4) 采用虚拟仿真实验教学系统，可着眼生产实际，每个学生都能灵活、自主完成所有实验，避免了现场实验需要多方配合、时间难以控制、缺乏跟踪指导等问题，可提升实验教学整体水平，满足人才培养需求。

未来的工作重点是以中国矿业大学“矿山测量虚拟仿真实验教学中心”获批国家级虚拟仿真实验教学中心为契机，继续按“战略指引、产学研互动、虚实结合、协同创新”的思想，构建国内外交叉融合、共同提升的虚拟仿真实验教学资源开放共享与可持续发展模式，实现虚拟仿真实验教学、教研、科研的一体化与共赢，丰富虚拟仿真实验内容与内涵，提高实验教学效果，为高水平测绘人才培养提供关键支撑。