陳劍為 田君華 陳曦 儀萍 陳立宏 周長(zhǎng)東

摘要：隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。傳統(tǒng)的土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時(shí)間和空間、人力和物力等方面限制，教學(xué)效果受到影響。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中結(jié)合使用虛擬仿真技術(shù)則能夠有效解決教學(xué)中的問題。以北京交通大學(xué)土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)為例，采用公司開發(fā)和學(xué)生自主研發(fā)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)土力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K的系統(tǒng)化建設(shè)。在土力學(xué)教學(xué)中，采用虛實(shí)相結(jié)合的方式，可有效彌補(bǔ)真實(shí)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的各種局限，提高土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果。

關(guān)鍵詞：土木工程;土力學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬仿真;虛實(shí)結(jié)合

中圖分類號(hào)：G642423;TU43文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1005-2909（2018）06-0155-06

虛擬仿真技術(shù)是借助計(jì)算機(jī)生成虛擬系統(tǒng)來模仿另一個(gè)真實(shí)物理系統(tǒng)的技術(shù)，該技術(shù)具有沉浸性、交互性、虛幻性等基本特性。根據(jù)所依賴的硬件條件，虛擬仿真技術(shù)又可分為PC端虛擬仿真技術(shù)和具有可穿戴設(shè)備的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)通過對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可視化和多維表達(dá)、智能化分析模型、真實(shí)模擬環(huán)境特性、提供多種交互，手段已日臻完善，并在不同領(lǐng)域得到了不同程度的應(yīng)用，如道路橋梁、建筑工程、油田礦井、水利電力等工程領(lǐng)域。

在土木工程領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用也取得了飛躍式的發(fā)展，大到工程的規(guī)劃、施工，小到模型試驗(yàn)、教學(xué)研究等方面，都開始引入虛擬仿真技術(shù)。例如，西南交通大學(xué)很早便將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于鐵路選線，并于2012年正式設(shè)立虛擬仿真試驗(yàn)中心，實(shí)現(xiàn)了土木工程全部8個(gè)專業(yè)方向和6各學(xué)科的覆蓋[1];北京工業(yè)大學(xué)也很早便成立了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，并在虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)方面堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”[2]。近年來，為克服自身物理實(shí)驗(yàn)條件的局限性，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)國(guó)際化水平[3]，北京交通大學(xué)也開始重視土木工程虛擬仿真技術(shù)，建立了土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，開發(fā)了包括常規(guī)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、非飽和土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真模塊、建材模塊、混凝土構(gòu)件受力模塊、混凝土結(jié)構(gòu)模塊、大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)與超高層結(jié)構(gòu)繞流風(fēng)場(chǎng)模擬模塊、車輛過橋及橋梁沖擊試驗(yàn)動(dòng)力仿真模塊，以及包括隧道+地鐵典型施工工法的VR模塊和道路鐵道工程實(shí)習(xí)現(xiàn)場(chǎng)（青龍橋人字形鐵路）VR模塊在內(nèi)的多個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，并將其應(yīng)用于土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)和培訓(xùn)等多方面。 本文主要以北京交通大學(xué)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K開發(fā)和建設(shè)為例，對(duì)土木工程中應(yīng)用虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的意義、土木工程領(lǐng)域虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用及特點(diǎn)進(jìn)行介紹，以期對(duì)同類高校土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)提供借鑒。

一、 土木工程領(lǐng)域應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的意義

土木工程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，在其發(fā)展歷程中，工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)研究起到了重要的作用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是為學(xué)生創(chuàng)造一種科學(xué)探索和研究的環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力，提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生對(duì)土木工程專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的興趣。但傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于自身特點(diǎn)及其存在的一些問題，限制了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際效果。在多媒體技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，虛擬仿真技術(shù)因其投入成本小、易操作、適用范圍大等優(yōu)點(diǎn)開始進(jìn)入土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域，成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助手段。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有現(xiàn)實(shí)意義，“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念已經(jīng)逐漸被廣大土木工程教育工作者所接受[4-6]。

（一）為高校資源緊張?zhí)峁┙鉀Q方案

在高校傳統(tǒng)土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，存在的一個(gè)突出問題就是學(xué)生人數(shù)眾多、實(shí)驗(yàn)資源不足。在時(shí)間上，土木工程專業(yè)知識(shí)較多，課業(yè)較為繁重，基礎(chǔ)課堂教學(xué)壓力很大，以致實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排時(shí)間緊張而不靈活。在空間上，一方面，土木工程實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量較多、體量較大，占用空間也大，同時(shí)高校普遍實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有限，沒有能力提供過多的空間。此外，土木工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)尤其是與大型工程相結(jié)合的實(shí)地考察實(shí)驗(yàn)，場(chǎng)地要求比較嚴(yán)格，存在人為的不可控因素，無法保證每一個(gè)學(xué)生都能進(jìn)入場(chǎng)地參與實(shí)驗(yàn)。

綜合以上因素，針對(duì)傳統(tǒng)土木工程實(shí)驗(yàn)中的時(shí)間和空間限制，將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域成為一個(gè)重要的解決方案，以有效緩解高校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)、設(shè)備和場(chǎng)地等方面的壓力。通過引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，虛實(shí)結(jié)合，使學(xué)生在足不出戶的情況下了解實(shí)驗(yàn)和開展實(shí)驗(yàn)，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性和自由性，降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成本和危險(xiǎn)性。

（二）實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)手段和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)等教學(xué)模式的多樣化

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)手段比較單一，而“虛實(shí)結(jié)合”可使學(xué)生先進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)練習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)虛擬試驗(yàn)結(jié)果為學(xué)生提供定制實(shí)驗(yàn)操作手冊(cè)，對(duì)學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中的易錯(cuò)點(diǎn)進(jìn)行提醒和強(qiáng)調(diào)，為提高后續(xù)實(shí)際物理實(shí)驗(yàn)的成功率提供保障。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為傳統(tǒng)土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)增添了一種嶄新的形式，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)手段、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)的多樣化發(fā)展。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有趣味性高等多種優(yōu)點(diǎn)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量和效果，其發(fā)展和應(yīng)用前景值得期待。

二、 虛擬仿真技術(shù)在土木工程教學(xué)中的應(yīng)用及特點(diǎn)

（一）在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和深入，教育信息化受到國(guó)家的高度重視[7]。作為一所以培養(yǎng)綜合型人才為宗旨的學(xué)校，北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院在課堂教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行了一些探索，通過完善平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)的系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化。目前，土木工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心成立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，建立了專業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)，開發(fā)了“平臺(tái) + 模塊”的課程體系，開設(shè)多門虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的網(wǎng)絡(luò)化，考核和成績(jī)?cè)u(píng)定的客觀化。

在施工技術(shù)等課堂教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，能夠使學(xué)生更為直觀地了解橋梁隧道等工程的施工過程，了解不同施工工法的主要特點(diǎn)和差別。在土力學(xué)教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，能夠使學(xué)生了解直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)過程中土體的剪切破壞情況，擋墻位移墻后土壓力達(dá)到主動(dòng)或被動(dòng)土壓力的條件，以及地基達(dá)到不同剪切破壞時(shí)的視覺狀態(tài)。而對(duì)上述知識(shí)點(diǎn)，傳統(tǒng)的板書或多媒體Powerpoint都不能以空間場(chǎng)景的形式進(jìn)行展示。

（二）在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)為用戶創(chuàng)造了一個(gè)反映實(shí)體對(duì)象的三維虛擬場(chǎng)景，基于虛擬仿真技術(shù)能夠開發(fā)各種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的 [8]。

土木工程學(xué)科需要開設(shè)若干實(shí)驗(yàn)課程，如土木工程材料、測(cè)量學(xué)、材料力學(xué)、工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和土力學(xué)等，受時(shí)間、空間、人力和物力等條件的限制，往往難以保證物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為物理實(shí)驗(yàn)的必要補(bǔ)充，可以很大程度彌補(bǔ)物理實(shí)驗(yàn)的不足作為物理實(shí)驗(yàn)的必要補(bǔ)充。 可以預(yù)見，不久的將來，物理實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以結(jié)合起來作為一門實(shí)驗(yàn)課程。或者對(duì)沒有條件開展物理實(shí)驗(yàn)的課程，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以單獨(dú)作為一門實(shí)驗(yàn)課程，單獨(dú)進(jìn)行教學(xué)和考核。

（三）在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)中的應(yīng)用

土木工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)是本科階段非常關(guān)鍵的實(shí)踐環(huán)節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)的效果和質(zhì)量對(duì)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量具有直接的影響。土木工程某些現(xiàn)場(chǎng)不具備參觀或?qū)嵙?xí)的條件，或者不具備近距離觀察和學(xué)習(xí)的條件，以致影響實(shí)習(xí)效果。筆者曾帶領(lǐng)土木工程專業(yè)學(xué)生到北京近郊某鐵路隧道進(jìn)行參觀和實(shí)習(xí)，一兩百學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)習(xí)，可能只有前面的學(xué)生能夠較好地了解隧道的情況和教師講解的內(nèi)容。盡管虛擬仿真場(chǎng)景不能完全取代現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)，但每個(gè)學(xué)生可以通過在線學(xué)習(xí)全方位地了解實(shí)習(xí)內(nèi)容，并根據(jù)每個(gè)學(xué)生自身需要學(xué)習(xí)不同的知識(shí)點(diǎn)。

（四）在培訓(xùn)中的應(yīng)用

與虛擬的土木工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)相類似，虛擬仿真技術(shù)在土木工程培訓(xùn)（如土木工程安全培訓(xùn)和逃生培訓(xùn)）中也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。虛擬仿真培訓(xùn)不受限制，只有通過培訓(xùn)方可允許開展后續(xù)物理實(shí)驗(yàn)等工作。

可見，虛擬仿真技術(shù)或?qū)嶒?yàn)具有四方面的主要特征：

（1）互動(dòng)式三維動(dòng)畫場(chǎng)景。

以互動(dòng)式三維動(dòng)畫為主，輔以視頻、 圖片、文字等功能。

（2）不受時(shí)間和空間限制的特性。

學(xué)生可以根據(jù)自身需要，在任意時(shí)間和地點(diǎn)在線進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

（3）不受人力和物力限制的特性。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可由教學(xué)模塊和考核模塊組成，不受教師的干預(yù);實(shí)驗(yàn)可以反復(fù)進(jìn)行，沒有實(shí)驗(yàn)物品和設(shè)備的損耗。

（4）集娛教于一體的特征。

基于Unity3D游戲開發(fā)軟件開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔以部分娛樂功能，能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量，使學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。

三、北京交通大學(xué)土力學(xué)虛擬仿真模塊的開發(fā)和建設(shè)情況

北京交通大學(xué)土木工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心設(shè)立了土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，并申請(qǐng)了專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，主要購(gòu)置PC端虛擬仿真實(shí)驗(yàn)所用的計(jì)算機(jī)和服務(wù)器、VR硬件設(shè)備，以及用于覆蓋多個(gè)學(xué)科的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K的研發(fā)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K的開發(fā)采用委托公司開發(fā)實(shí)驗(yàn)?zāi)K和師生自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)?zāi)K兩種方式。

（一）課程管理平臺(tái)建設(shè)情況

向公司采購(gòu)課程管理平臺(tái)，由公司主要負(fù)責(zé)整個(gè)平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)以及相關(guān)模塊的改善。購(gòu)置的課程管理平臺(tái)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的使用和完善，可實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K的高效管理。學(xué)生可以根據(jù)自身情況在線學(xué)習(xí)，或在線開展實(shí)驗(yàn)，或在線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程測(cè)試;教師可以在線設(shè)立課程，對(duì)學(xué)生選課情況和考核情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

（二）土力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K建設(shè)情況

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室部分實(shí)驗(yàn)?zāi)K仍委托公司進(jìn)行開發(fā)，而其他模塊采用自主研發(fā)的形式，通過本科生大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、研究生科研項(xiàng)目或?qū)嶒?yàn)教學(xué)示范中心開放課題等方式來完成實(shí)驗(yàn)?zāi)K的自主研發(fā)任務(wù)。虛擬仿真技術(shù)不同于有限元等數(shù)值模擬分析技術(shù)，有限元等數(shù)值模擬分析技術(shù)具有更高的使用自由度和科研功能，要求使用者具備更加扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)[9]。虛擬仿真技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，即使是本科生也很容易上手。虛擬仿真項(xiàng)目的開發(fā)主要采用三個(gè)基本工具：一是采用3D Max等軟件進(jìn)行幾何建模;二是3D Max建立的幾何模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 進(jìn)行虛擬仿真場(chǎng)景開發(fā);三是采用C#等語(yǔ)言進(jìn)行功能開發(fā)。學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)軟件和開發(fā)語(yǔ)言，結(jié)合土木工程專業(yè)知識(shí)，從學(xué)生和教師角度開發(fā)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。通過實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)訓(xùn)練，學(xué)生的專業(yè)知識(shí)和科研能力都得到了顯著的提升。

所開發(fā)的土力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K分為常規(guī)土力學(xué)模塊和非飽和土力學(xué)模塊。根據(jù)土木類專業(yè)學(xué)生必修課程土力學(xué)原理課程大綱[10]和土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程大綱，常規(guī)土力學(xué)模塊主要包括常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)、直剪實(shí)驗(yàn)、一維壓縮實(shí)驗(yàn)、一維固結(jié)實(shí)驗(yàn)、土的滲透特性實(shí)驗(yàn)和土的壓實(shí)實(shí)驗(yàn)等。圖1為學(xué)生開發(fā)的一維壓縮實(shí)驗(yàn)?zāi)K流程圖。該模塊包括學(xué)習(xí)模塊和考核模塊兩大模塊。學(xué)習(xí)模塊部分主要包括實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景漫游、常用土力學(xué)儀器認(rèn)知以及一維固結(jié)實(shí)驗(yàn)初步認(rèn)知。而考核模塊則是在學(xué)習(xí)模塊的基礎(chǔ)上加入評(píng)分機(jī)制。圖2分別為學(xué)生和公司研發(fā)的土的一維壓縮實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖。場(chǎng)景中具有一維壓縮實(shí)驗(yàn)所需要的土樣、儀器和工具。非飽和土力學(xué)模塊用于研究生教學(xué)，主要包括土水特征曲線量測(cè)實(shí)驗(yàn)、土柱降雨入滲實(shí)驗(yàn)和非飽和土三軸試驗(yàn)。通過研發(fā)針對(duì)本科生的常規(guī)土力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，以及針對(duì)研究生的非飽和土力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，學(xué)生的專業(yè)水平和和科研能力都得到顯著提升。

四、 結(jié)語(yǔ)

包括土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在內(nèi)的傳統(tǒng)土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式受時(shí)間和空間、人力和物力等方面的限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和質(zhì)量往往難以得到保障。虛擬仿真技術(shù)具有互動(dòng)式三維動(dòng)畫場(chǎng)景、不受時(shí)間和空間限制、不受人力和物力限制，并集娛教于一體等特征，能夠應(yīng)用于土木工程課堂教學(xué)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)和培訓(xùn)。本文以北京交通大學(xué)土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)為例，詳細(xì)介紹了土力學(xué)虛擬仿真模塊的開發(fā)和建設(shè)情況，闡述了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中“虛實(shí)結(jié)合”的重要性，對(duì)高校土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)具有積極的作用。

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