李連崇　梁正召　夏英杰等

摘要：聯(lián)系巖土工程實踐，以及巖體的不可透視性、賦存環(huán)境復(fù)雜性等特征，提出了虛擬現(xiàn)實與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)平臺，并結(jié)合深部井巷工程介紹了該平臺在教學(xué)實踐中的應(yīng)用。實踐表明，基于該平臺的教學(xué)方法改造提升了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，學(xué)生在安全輕松的虛擬環(huán)境中學(xué)習、感知實際工程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力和創(chuàng)新思維能力，提高了學(xué)生對真實環(huán)境中實際工程問題的處理能力。

關(guān)鍵詞：巖土工程；虛擬現(xiàn)實；數(shù)值模擬；深部巖體

中圖分類號：G6420文獻標志碼：A文章編號：10052909（2014）06013804

以科研促教學(xué)，把新的科研成果及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)融于傳統(tǒng)的教學(xué)活動中，不僅可為傳統(tǒng)的課程注入活力，有利于提高教學(xué)質(zhì)量和效果，而且能夠擴展學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習熱情，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。

近年興起的虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality）即是一個很好的技術(shù)手段，已經(jīng)逐步被應(yīng)用于現(xiàn)代教育技術(shù)之中[1]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是將物體或信息與真實環(huán)境進行結(jié)合并對景象加以增強或擴充，呈現(xiàn)給用戶一個感官效果真實的新環(huán)境，使用戶從感官上確信虛擬物體是其周圍真實環(huán)境的有機組成部分。在巖土工程、工程地質(zhì)專業(yè)，特別是涉及深部巖石工程問題的教學(xué)實踐中，該技術(shù)越來越顯出其優(yōu)越性[2]。

巖土工程是一門理論與實踐緊密結(jié)合的學(xué)科，然而在校內(nèi)實習中，面臨著實驗室模擬與現(xiàn)場出入大、直觀認識不足等缺點?，F(xiàn)場認識實習、培訓(xùn)，又存在成本高、周期長、危險因素多、對生產(chǎn)影響大、聯(lián)系實習地點較難、學(xué)生積極性不高等缺點，往往導(dǎo)致實習內(nèi)容和過程達不到要求。在現(xiàn)實的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，由于實驗室儀器組數(shù)受場地、經(jīng)費和利用率等問題的限制，加之學(xué)生人數(shù)眾多和師資配備不足等原因，學(xué)生缺乏實踐鍛煉機會，特別是對巖土工程中的深部巖體、深部井巷工程的實際場景、現(xiàn)場實際安全問題很難了解，導(dǎo)致學(xué)生走出校門工作后，短時間內(nèi)對現(xiàn)場環(huán)境很難適應(yīng)[3]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有平面投影不具備的優(yōu)點，不僅有很好的沉浸感和交互感，還有較強的立體感，能夠增強對深部井巷環(huán)境以及儀器使用的認知[2]，深化學(xué)生對井下作業(yè)環(huán)境及工作流程的認識，把握深部井巷的整體狀況，減小教學(xué)實驗與現(xiàn)場工作的差距，增強學(xué)生對深部井巷的適應(yīng)能力。

但虛擬現(xiàn)實技術(shù)也僅僅是對深部巖石工程環(huán)境“表觀”特征的一種真實再現(xiàn)，其本身不具備計算、分析能力[4-7]，對巖體內(nèi)部的物理變化（包括應(yīng)力、位移、損傷與破壞）不能做出實時表征，但這對巖石工程恰恰又是非常重要的，因為其關(guān)乎深部巖石工程的安全性。而現(xiàn)代數(shù)值模擬技術(shù)卻可以實現(xiàn)巖體內(nèi)部的物理變化的實時表征[8-9]。

受控于巖體本身的不可透視性（截至目前，尚沒有任何技術(shù)手段能夠大范圍、準確地探明巖體的物理、構(gòu)造特征）和賦存環(huán)境的復(fù)雜性（深部巖體具有高地溫、高水壓、高地應(yīng)力的特點，室內(nèi)試驗及現(xiàn)場實時觀測研究難度大）等客觀因素，文章即嘗試將虛擬現(xiàn)實與數(shù)值模擬技術(shù)有機結(jié)合，以深部巖石井巷工程為例，通過虛擬環(huán)境與物理實體信息的相互補充，將現(xiàn)實環(huán)境中一些不易或不能被感受的因素投影到現(xiàn)實環(huán)境中，增強學(xué)生對這些因素的感知和認識。

一、虛擬現(xiàn)實與數(shù)值模擬相結(jié)合的教學(xué)平臺

筆者結(jié)合大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院開設(shè)的本科生課程土木水利學(xué)科實驗前沿和研究生課程巖石破壞力學(xué)數(shù)值試驗的實際教學(xué)工作，將工程計算中的數(shù)值模擬技術(shù)與現(xiàn)代興起的虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，初步形成了針對土木工程專業(yè)課程的一個新的教學(xué)平臺。

（一）平臺硬件組成

教學(xué)平臺的主要硬件由大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院配置的曼恒虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和聯(lián)想深騰1800高性能并行計算集群組成，如圖1和圖2。輔助硬件為普通PC機或?qū)W生自備的筆記本電腦。

（二）平臺軟件組成

平臺的基本軟件包括：（1）教學(xué)用巖土工程實例手冊，如井巷工程設(shè)計手冊等；（2）虛擬現(xiàn)實模型的開發(fā)與顯示軟件，如3DMAX、瑪雅、Virtools等，這些均屬于圖片、視頻和安全數(shù)據(jù)處理的常用軟件；（3）基于數(shù)值計算方法的模擬軟件，如ANSYS、FLAC、RFPA等，這些均屬于巖土工程數(shù)值模擬分析的常用軟件；（4）虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與數(shù)值模擬結(jié)果之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。

以深部井巷工程為例，相關(guān)模塊主要是通過模塊設(shè)備商設(shè)計圖紙和數(shù)據(jù)、真實深部井巷的設(shè)計、地質(zhì)和開挖開采信息進行構(gòu)造的。模塊是通過5 m的分段（也可采用不同尺度分段）進行創(chuàng)建的，可以用來展現(xiàn)任意深部井巷的狀況和設(shè)計，模型可以經(jīng)過修改來展示任何其他深部井巷（包括水利水電工程的排水，導(dǎo)水地下硐室，深部金屬礦、煤礦的掘進巷道以及采場等）。模型的分辨率和逼真度源于一線工人長期的工作經(jīng)驗與實際感知。

（三） 學(xué)生（學(xué)員）—虛擬現(xiàn)實—數(shù)值仿真之間的交互機制

在本教學(xué)平臺中，學(xué)生處于中心位置，教師只是基本的引導(dǎo)，之后學(xué)生在PC機終端或自備的筆記本電腦上開始根據(jù)自己對實際工程（例如深部井巷工程）的理解，建立相應(yīng)的模型，并進行模型內(nèi)部物理信息（應(yīng)力、變形、損傷破壞等）的模擬計算，計算結(jié)果再與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)結(jié)合，學(xué)生便可感知該實際工程的“表觀”環(huán)境信息以及“內(nèi)部”的實體物理信息。基于學(xué)生自己的“動手、動腦、動眼”的切身體會與實際感知，最后才有可能與教師之間展開深度討論與質(zhì)疑。具體的互動機制如圖3所示。

（四）課堂教學(xué)的實施模式

教學(xué)過程中擺脫了教師單一講解的模式，課堂主要時間用于學(xué)生建模、計算模擬、實際感知。教學(xué)過程主要包括3大模塊：（1）學(xué)生自己動手設(shè)計、建模與模擬；（2）學(xué)生與數(shù)值模擬和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)之間的互動，如圖4所示；（3）學(xué)生與教師之間的互動。

在虛擬實驗中，學(xué)生可以通過鼠標或各種交互設(shè)備去控制深部巖體巖層裂縫發(fā)生及運動的演示過程，同時在三維沉浸式環(huán)境中可以靠近虛擬環(huán)境中的巖層和流水，任意放大、拉伸巖層結(jié)構(gòu)，可以近距離觀察巖層縫隙、水流的情況。結(jié)合學(xué)校開發(fā)的基于OpenGL數(shù)據(jù)的分析可視化軟件實現(xiàn)多通道的主被動立體顯示。系統(tǒng)可實時獲取基于OpenGL應(yīng)用程序的渲染數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對巖層模型的三維展示、虛擬交互漫游、動畫編輯和播放功能。

同時，由于融入了井巷模型的數(shù)值模擬結(jié)果，學(xué)生可以一邊改變巖體的卸荷開挖、邊界條件，一邊觀察結(jié)果，并均可以進入巖層的內(nèi)部進行觀察。例如：學(xué)生可以進入巖層內(nèi)部，從不同角度了解整個巷道圍巖的應(yīng)力集中、產(chǎn)生損傷及失穩(wěn)破裂的情況，如圖5、圖6。

二、教學(xué)效果及評價分析

經(jīng)過教學(xué)實踐，初步達到了如下效果。

（1）學(xué)生可以體驗到高分辨率的可視化深部井巷模型和在井巷中可能發(fā)生的災(zāi)害。

（2）學(xué)生自己動手建立井巷模型的力學(xué)模型，增強了學(xué)生對現(xiàn)場工程物理力學(xué)本質(zhì)的認識。

（3）與模塊的互動情況良好，并認識到必須在一起討論狀況和導(dǎo)致的結(jié)果，根據(jù)實際狀況確定正確的操作流程。

（4）學(xué)生在安全輕松的虛擬環(huán)境中接受培訓(xùn)，培養(yǎng)起對深部井巷災(zāi)害預(yù)兆、災(zāi)害發(fā)生、災(zāi)后逃生的判斷意識，培養(yǎng)對危險源識別的能力。

（5）到課程結(jié)束時，學(xué)生可以熟悉深部井巷環(huán)境，通過與場景的互動，建立基本的指示，學(xué)生開始積累深部井巷安全操作經(jīng)驗和在真實井巷環(huán)境處理實際問題的能力。

（6）教師在操作一個模塊時，學(xué)生也可根據(jù)操作手冊來進行同步操作，經(jīng)過實際建模以及虛擬感知，學(xué)生與任課教師之間的互動討論更為深入。

通過該教學(xué)平臺，學(xué)生完全熟悉了深部井巷工程的實際環(huán)境，特別是遇到安全問題，學(xué)生可根據(jù)實際情況和選擇項作決定。到達場景中一個決策點，選項呈現(xiàn)給學(xué)生，如果出現(xiàn)一個正確的決定，結(jié)果將呈現(xiàn)給學(xué)生；反之，如果選擇了不正確的選項，由當前的這個錯誤決定帶來的后果也將呈現(xiàn)給學(xué)生（后果的嚴重程度可以根據(jù)問題的嚴重程度和實際情況進行制定），并教會學(xué)生如何處理這樣的后果。

綜上所述，虛擬現(xiàn)實技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)存在有利的結(jié)合點，教學(xué)平臺的設(shè)計十分方便。在實踐教學(xué)中，充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)在實踐教學(xué)中的地位，挖掘虛擬現(xiàn)實和數(shù)值模擬技術(shù)各自的優(yōu)勢，兩者相互補充、相互促進。精心組織實踐教學(xué)，既可以加強學(xué)生基本功的訓(xùn)練，又能讓學(xué)生掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)知識，可收到良好的實踐教學(xué)效果。教學(xué)實踐后，學(xué)生普遍反映：“該教學(xué)課程內(nèi)容全、形式新，實驗過程中獨立思考的問題較多，動手的機會大大增加，收獲極大?！苯?jīng)過這次綜合實驗的鍛煉，學(xué)生在課程設(shè)計中能有條不紊地進行，設(shè)計進度明顯加快，教師指導(dǎo)時也感到輕松。學(xué)生一般都能自己查資料、設(shè)計模型、模擬計算方案和感知場景分析，積極性大幅度提高，課堂氣氛也十分活躍。實踐證明，該教學(xué)平臺可以鍛煉學(xué)生對實際工程與設(shè)計的正規(guī)操作技能，培養(yǎng)其綜合分析問題和解決問題的能力，從而提高了教學(xué)質(zhì)量，深化了實驗教學(xué)改革。該技術(shù)平臺可以推廣至其他行業(yè)教學(xué)，培訓(xùn)學(xué)習場景的主角可以是培訓(xùn)師、一線職工、學(xué)生或?qū)W員。

三、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)和模擬計算技術(shù)日益普及，筆者提出把基于虛擬現(xiàn)實和數(shù)值模擬技術(shù)的軟、硬件平臺應(yīng)用于巖土工程專業(yè)的教學(xué)，并鼓勵學(xué)生自發(fā)設(shè)計模型進行數(shù)值模擬分析，實現(xiàn)對工程實例、實驗?zāi)Ｐ秃屠碚撃Ｐ偷木殧?shù)值表征，并將數(shù)值模擬結(jié)果融入虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)之中，最終通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)對工程實例表觀現(xiàn)象和內(nèi)部物理特征的感知。

教學(xué)實踐表明，基于虛擬現(xiàn)實與數(shù)值模擬的教學(xué)平臺，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習興趣，提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量，充分啟發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，緩解了學(xué)時和實驗室資源有限等矛盾，也使無法使用各種大型實驗設(shè)備的學(xué)生對現(xiàn)代化的分析技術(shù)有了較為形象的感官認識和了解。雖然該手段不能完全取代現(xiàn)場實習與觀測，卻是對傳統(tǒng)教學(xué)方式的一種有效補充與完善。

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