王建秀，周 潔，蔣佳翊，劉 琦，葉真華，楊 坪

1.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.上海筑邦測控科技有限公司，上海 200092

地質(zhì)工程專業(yè)和土木工程專業(yè)的學(xué)生都必須掌握一定的地質(zhì)知識?；A(chǔ)地質(zhì)和工程地質(zhì)分別是地質(zhì)工程專業(yè)的基礎(chǔ)課和土木工程專業(yè)的骨干課，兩門課程分別配套有基礎(chǔ)地質(zhì)實驗和工程地質(zhì)實驗，要求學(xué)生除學(xué)習(xí)理論知識外，還要求具有一定的動手能力，能夠熟練用肉眼鑒定常見的巖石和礦物。而現(xiàn)有的實驗課時短，實驗室開放時間有限，無法滿足同學(xué)們?nèi)找嬖鲩L的學(xué)習(xí)要求。實驗教學(xué)中巖體結(jié)構(gòu)及地質(zhì)構(gòu)造實體模型笨重，攜帶不便，沒有與野外真實的情況一一對應(yīng)，真實感不強，教學(xué)效率不高。礦物晶體結(jié)構(gòu)以平面展示為主，無法充分表達礦物晶體的三維特征。教學(xué)應(yīng)用不夠直觀，現(xiàn)有的實驗教學(xué)方法不能很好地滿足實驗教學(xué)的需求。引入虛擬實驗和虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠很好地解決這些問題。

虛擬實驗已經(jīng)成為繼網(wǎng)絡(luò)教學(xué)后又一新興實驗手段，能夠有效解決實驗資源有限、教學(xué)方法不全面、展示不充分的困境。美國弗吉尼亞大學(xué)于1989 年提出了虛擬實驗室的概念，是區(qū)別于理論教學(xué)與真實實驗的第三種設(shè)計手段和形式。本研究基于虛擬實驗和虛擬現(xiàn)實技術(shù)[1-4]，在軟件系統(tǒng)中構(gòu)建和傳統(tǒng)實驗室完全一致的場景，以同濟大學(xué)巖土樓401和403地質(zhì)實驗室為原型，開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實的4013巖礦鑒定虛擬實驗教學(xué)軟件，讓學(xué)生們在身臨其境的虛擬場景中進行虛擬實驗、虛擬學(xué)習(xí)、虛擬參觀和虛擬考試，可以有效解決同學(xué)們對于巖礦鑒定實驗及拓展學(xué)習(xí)的需求，激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，創(chuàng)新虛擬實驗教學(xué)方法，能夠有效提升和保持同濟大學(xué)虛擬實驗教學(xué)的水準(zhǔn)和先進性。

一、4013虛擬地質(zhì)實驗室功能設(shè)計

1. 虛擬場景背景設(shè)計

基于虛實結(jié)合的實驗教學(xué)，以同濟大學(xué)巖土大樓401與403實驗室（圖1與圖2）、520與525教師辦公室為虛擬場，基于BIM模型模擬巖土大樓4樓與5樓的真實情景，對虛擬實驗室需要的角色設(shè)計、權(quán)限設(shè)計、導(dǎo)航腳本設(shè)計、教師虛擬視頻教學(xué)、虛擬幫助、虛擬鏈接設(shè)計等提出要求及技術(shù)指標(biāo)。

2. 課堂虛擬教學(xué)功能設(shè)計

圖1 401實驗室的真實場景

圖2 403實驗室的真實場景

在403虛擬實驗室提供教室的虛擬場景，同學(xué)們可自己選擇座位，其座位所對應(yīng)的標(biāo)本架里的虛擬巖礦標(biāo)本及其個體差異和現(xiàn)實情況完全相同。點開不同層次的抽屜，就可以選擇里面的標(biāo)本，點擊標(biāo)本后，即可以進行全方位觀察、描述、測量，還可以進行錘擊、點稀鹽酸、放大鏡觀察、偏光顯微鏡切片觀察等操作。在系統(tǒng)中參考標(biāo)準(zhǔn)范例，撰寫實驗報告，提供有關(guān)該標(biāo)本的標(biāo)準(zhǔn)描述、教師的講解視頻、相關(guān)內(nèi)容網(wǎng)頁的鏈接等。還可以隨機抽取標(biāo)本，進行虛擬巖礦鑒定考試與虛擬評分等。

3. 課后拓展教學(xué)功能設(shè)計

在401虛擬實驗室提供展覽室的虛擬場景。同學(xué)們可以根據(jù)展柜上的提示，如礦物、巖石、地質(zhì)構(gòu)造、化石、現(xiàn)場巖樣標(biāo)本等自行選擇參觀內(nèi)容。401實驗室提供了基礎(chǔ)地質(zhì)實驗教學(xué)大綱以外大量的其他巖礦標(biāo)本，通過參觀導(dǎo)覽以及與珠寶鑒定、地質(zhì)礦產(chǎn)、巖土工程、工程地質(zhì)類的拓展鏈接，開拓同學(xué)們的視野，為有興趣拓展的同學(xué)提供更大、更好的平臺。在此基礎(chǔ)上，進一步進行虛擬實驗和虛擬考試的拓展。工程地質(zhì)實驗為基礎(chǔ)地質(zhì)實驗子集，在教學(xué)中，巖礦標(biāo)本不能滿足學(xué)生學(xué)習(xí)要求時，也可以在403實驗室中進行虛擬的拓展實驗。達到要求后，到401虛擬實驗室繼續(xù)拓展學(xué)習(xí)。

4. 虛擬師生交互功能設(shè)計

按照520教師辦公室和525研究生助教辦公室虛擬實際場景。學(xué)生可以點擊進入520辦公室，進行答疑與教師在線交流。教師也可點擊進入520辦公室，在那里進行正常的辦公和答疑操作。學(xué)生可以點擊進入525研究生助教辦公室，與研究生助教進行交流和學(xué)習(xí)。

5. 虛擬考試功能設(shè)計

巖礦鑒定虛擬考試包括兩部分，一部分是有關(guān)結(jié)晶學(xué)、礦物學(xué)、巖漿作用與巖漿巖、外力地質(zhì)作用與沉積巖、變質(zhì)作用與變質(zhì)巖基礎(chǔ)知識的考核。此部分采用既有題庫，隨機抽題，限時回答，百分制評分的方式。一部分是巖石和礦物的肉眼鑒定，此部分考核為隨機抽取題庫標(biāo)本，限時鑒定并給出標(biāo)準(zhǔn)描述，百分制評分。后臺設(shè)置考試題數(shù)據(jù)庫，定期更新題庫，改換知識考核內(nèi)容和考核形式。

6. 移動漫游功能設(shè)計

為讓學(xué)生充分利用碎片時間學(xué)習(xí)知識，以上功能部分可在手機上運行，特別是虛擬考試部分，學(xué)生可隨時注冊登錄網(wǎng)站，在開放時間內(nèi)進行無限量操作，并生成自我評價報告。

7. 二次開發(fā)功能設(shè)計

設(shè)置部分自定義庫，作為面向?qū)W生開放的二次開發(fā)平臺。學(xué)生可在地質(zhì)知識范疇內(nèi)，自定義并添加主題數(shù)據(jù)庫。主題數(shù)據(jù)庫作為開放數(shù)據(jù)庫，可發(fā)動同學(xué)們自發(fā)創(chuàng)建主題，并接納其他同學(xué)的訪問。

8. VR 功能設(shè)計

在PC平臺虛擬實驗的基礎(chǔ)上，利用增強現(xiàn)實技術(shù)，將三維場景進行VR化，借助于LED屏幕、3D眼鏡或虛擬現(xiàn)實頭盔和控制板手柄，將以上場景實現(xiàn)于虛擬現(xiàn)實的世界。學(xué)生可借助于自購或租用的頭盔，借助于手柄進行虛擬試驗操作，能夠有效增加沉浸感和真實感，甚至可以代替部分實際操作。

二、4013虛擬實驗室概念設(shè)計

1． 虛擬實驗室軟件功能框架

軟件操作流程如框架圖3所示。主要流程為：啟動exe文件→用戶登陸→根據(jù)登陸賬號判斷權(quán)限→漫游場景→進入實驗室學(xué)習(xí)/管理→完成相應(yīng)操作后結(jié)束關(guān)閉軟件。

2. 虛擬實驗室概念設(shè)計方案

虛擬實驗平臺功能模塊見表1。

3. 虛擬實驗室漫游場景

軟件界面設(shè)計原型見圖4。登錄后進入漫游場景，用戶可自主選擇進入哪些實驗室。選中某個實驗室后，會跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)實驗室場景中。

學(xué)生用戶進入實驗場景后，進入學(xué)習(xí)模式，可以自由互動，如自主選擇位置、自主挑選巖樣、自主學(xué)習(xí)課件。根據(jù)需求，可進入實驗考核進行專業(yè)考核。完成考核后，成績提交至服務(wù)器。教師可查看成績。

教師用戶進入實驗場景后，可進行資源管理及成績管理（圖5）?？梢哉韺嶒炇覂?nèi)巖樣內(nèi)容，自主上傳課件內(nèi)容。在學(xué)生成績面板中教師能看到已提交考核學(xué)生的成績，并且可以導(dǎo)出成績列表，對既有成績進行統(tǒng)計和分析。也可以通過這個面板查詢學(xué)生是否完成軟件中某些模塊的學(xué)習(xí)。

管理員面板使用二維界面，包含教師、學(xué)生、資源管理等內(nèi)容。主要功能是導(dǎo)入、導(dǎo)出教師、學(xué)生、資源信息及權(quán)限。

圖3 4013虛擬實驗室功能框架

表1 虛擬實驗室功能模塊設(shè)計

圖4 虛擬實驗室的虛擬場景

圖5 虛擬實驗室教師場景

三、結(jié)束語

本研究基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)和虛擬實驗技術(shù)，以同濟大學(xué)巖土大樓401和403實驗室為原型，開發(fā)4013虛擬地質(zhì)實驗室，完成了概念設(shè)計。在該設(shè)計中，虛擬了實驗室真實的場景，虛擬了實驗課堂教學(xué)、課后拓展、虛擬管理、虛擬考試等，為基礎(chǔ)地質(zhì)實驗教學(xué)提供了參考依據(jù)。目前，虛擬實驗室的正式開發(fā)工作正在進行中。