［摘 要］ 實景虛擬現(xiàn)實技術(shù)在地質(zhì)工程現(xiàn)場三維實景再現(xiàn)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，極大豐富了高陡巖體工程地質(zhì)實習(xí)的教學(xué)方式與內(nèi)容，形成了“認知—考察—實訓(xùn)—反饋”高度一體化的虛擬仿真實驗教學(xué)體系。學(xué)生可通過高度仿真的三維實景，深入認知地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點；結(jié)合數(shù)字測量技術(shù)，開展地質(zhì)數(shù)據(jù)編錄；通過分析評價與實驗報告等環(huán)節(jié)，全方位、多角度地研究與探討地質(zhì)工程。與傳統(tǒng)野外實習(xí)相比，虛擬仿真實景實習(xí)具有可操作化、可重復(fù)化、可拓展化的特點，極大地延伸了實習(xí)教學(xué)的時間與空間；同時可反復(fù)操作與實驗，加深學(xué)生對知識的理解與掌握。

［關(guān)鍵詞］ 工程地質(zhì)野外實習(xí)；虛擬仿真實驗；虛擬實景；實習(xí)教學(xué)改革

［基金項目］ 2023年度江蘇省自然科學(xué)基金項目“巖石節(jié)理的主動超聲成像和界面全局表征研究”（BK20230335）；2023年度南京工業(yè)大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究課題“巖體地質(zhì)實習(xí)的虛擬實景教學(xué)方法研究”（20230149）

［作者簡介］ 王鵬宇（1994—），男，江蘇泰州人，博士，南京工業(yè)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院講師，主要從事虛擬仿真實驗教學(xué)與軟件開發(fā)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）35-0133-04 ［收稿日期］ 2023-09-18

引言

在水利水電、礦山開采、公路鐵路等大型工程中，高陡巖體地質(zhì)作為一種常見的工程結(jié)構(gòu)，其自身的穩(wěn)定性制約著工程的安全，對其安全性評價分析具有重要意義［1-2］。為了培養(yǎng)學(xué)生在這一領(lǐng)域的專業(yè)素養(yǎng)和實踐能力，針對土木工程類、地質(zhì)工程類、交通工程類等專業(yè)方向的本科生開設(shè)了“工程地質(zhì)實習(xí)”這一核心專業(yè)課程。該課程通過理論教學(xué)與實踐操作相結(jié)合的方式，旨在幫助學(xué)生全面深入地了解工程地質(zhì)學(xué)的基本理論和方法，培養(yǎng)他們在實際工程問題中運用所學(xué)知識進行安全性評價分析的能力。

在涉及高陡巖體地質(zhì)實習(xí)測量的傳統(tǒng)方法中，羅盤儀是一種廣泛應(yīng)用的工具。它的顯著優(yōu)勢在于輕巧便攜、原理直觀易懂以及操作簡便快捷。然而，在實際操作中，通常須要直接接觸待測地點，對于具有復(fù)雜工程地質(zhì)特性的高陡巖體來說，這種近距離接觸無疑帶來了很大的安全風(fēng)險［3-4］。除了安全方面的問題，巖體地質(zhì)實習(xí)面臨著諸多挑戰(zhàn)和困難。其中，典型地質(zhì)實習(xí)場地的稀缺是一個突出問題。很多實習(xí)場地由于地質(zhì)現(xiàn)象不典型或者時間安排上難以保障，無法為學(xué)生提供有效的學(xué)習(xí)機會。此外，實習(xí)的組織常常受到天氣、參與人數(shù)以及路程遠近等多種因素的制約，給實習(xí)的順利進行帶來不小阻礙。在實習(xí)安全保障方面，高陡巖體的工程風(fēng)險較高，而學(xué)生普遍缺乏必要的安全意識，同時指導(dǎo)教師人數(shù)有限，使得實習(xí)過程中的安全保障工作變得尤為困難。另外，實習(xí)經(jīng)費也是不容忽視的問題，包括食宿、交通以及器材等費用，常常給學(xué)校和學(xué)生帶來經(jīng)濟壓力。更為關(guān)鍵的是，當前的實習(xí)效果并不盡如人意。在實習(xí)過程中，一些學(xué)生往往是聽講解多而實際操作少，無法深入理解和體驗地質(zhì)工程實踐的真諦。這種走馬觀花式的實習(xí)方式，很難真正達到提升學(xué)生實踐能力和專業(yè)素養(yǎng)的目的。

綜上所述，針對目前高陡巖體地質(zhì)工程現(xiàn)場實踐存在的諸多問題，亟須探索一種新型的實習(xí)模式。隨著科技的發(fā)展，無人機技術(shù)逐漸進入實習(xí)實踐應(yīng)用范疇。本文提出利用無人機對高陡巖體地質(zhì)進行連續(xù)攝影，采集數(shù)據(jù)信息，并導(dǎo)入虛擬仿真實景設(shè)備，拓展學(xué)生的實習(xí)方式；同時，聯(lián)合工程企業(yè)，追蹤最新典型工程，提供多種典型高陡巖體地質(zhì)三維數(shù)字虛擬場景。虛擬實景實習(xí)模式不僅能夠達到較好的實習(xí)效果，確保學(xué)生的安全，同時能夠突破地質(zhì)條件的限制，為學(xué)生提供更加廣闊的學(xué)習(xí)空間和實踐機會。

一、教學(xué)要求

工程地質(zhì)實習(xí)要求學(xué)生能夠熟練識別和認知各種工程地質(zhì)現(xiàn)象，包括但不限于地層、巖石類型、構(gòu)造形態(tài)等。此外，學(xué)生須掌握工程地質(zhì)野外測量的基本方法和技巧，能夠獨立完成地質(zhì)調(diào)查工作，包括野外踏勘、地質(zhì)采樣、觀測記錄等［5-6］。

在教學(xué)內(nèi)容方面，注重知識點的系統(tǒng)性和完整性。首先，學(xué)生須要掌握地質(zhì)構(gòu)造特征基本概念，了解地殼運動規(guī)律和機制。其次，學(xué)生須要學(xué)習(xí)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面類型的識別和分類，理解不同結(jié)構(gòu)面對工程穩(wěn)定性的影響。同時，結(jié)構(gòu)面成因特征、受力性質(zhì)以及巖體結(jié)構(gòu)類型等是教學(xué)中的重要內(nèi)容。在技能培養(yǎng)方面，須特別強調(diào)學(xué)生對地質(zhì)羅盤的使用和理解。學(xué)生須要掌握地質(zhì)羅盤的基本構(gòu)造和使用方法，能夠在野外準確測量巖層產(chǎn)狀、走向和傾向等關(guān)鍵信息。此外，還須了解結(jié)構(gòu)面信息產(chǎn)狀、跡長、連續(xù)性、間距、張開度等基本概念，并能夠在實踐中準確應(yīng)用。

在教學(xué)方法上，注重理論與實踐相結(jié)合。除了傳統(tǒng)的課堂講授外，采用了地質(zhì)編錄、三維網(wǎng)絡(luò)模擬等現(xiàn)代技術(shù)手段，以幫助學(xué)生更好地理解和掌握工程地質(zhì)知識。通過極射赤平投影分析法等先進方法的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，學(xué)生能夠更加準確地分析工程地質(zhì)問題并判斷工程穩(wěn)定性。同時，要注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。在實習(xí)過程中，鼓勵學(xué)生積極參與討論和思考，提出自己的見解和解決方案。通過團隊協(xié)作和互動交流，學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力能夠得到有效提升。工程地質(zhì)實習(xí)不僅為學(xué)生提供了系統(tǒng)的工程地質(zhì)知識，更通過實踐教學(xué)的方式培養(yǎng)了學(xué)生的實際操作能力和問題解決能力。對于學(xué)生未來在工程領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的促進作用。

二、教學(xué)模塊

依據(jù)工程地質(zhì)實習(xí)教學(xué)要求，建立以下教學(xué)模塊。

教學(xué)模塊1（認知環(huán)節(jié)）：地質(zhì)觀察。以巖體工程地質(zhì)環(huán)境的三維實景虛擬技術(shù)為依托，實現(xiàn)高陡巖體地質(zhì)認知。

教學(xué)模塊2（考察環(huán)節(jié)）：數(shù)字測量。以局部巖體結(jié)構(gòu)面露出區(qū)為對象，以巖體結(jié)構(gòu)三維實景模型為支撐，實現(xiàn)巖體地質(zhì)測量操作與訓(xùn)練。

教學(xué)模塊3（實訓(xùn)環(huán)節(jié)）：現(xiàn)場編錄。以測線法與測窗法為基本方法，以區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)特征的三維虛擬實景建模為背景，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為手段，實現(xiàn)面向工程實踐的虛擬地質(zhì)編錄與結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計的一系列實踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練。

教學(xué)模塊4（實訓(xùn)環(huán)節(jié)）：分析評價。以地質(zhì)編錄與結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計為基礎(chǔ)，以評價巖體工程的工程地質(zhì)穩(wěn)定性為目標，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為手段，實現(xiàn)面向工程實踐的工程地質(zhì)穩(wěn)定性分析的一系列實踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練。

教學(xué)模塊5（反饋環(huán)節(jié)）：實驗報告。提供在線評分、考核與教輔機制，記錄所有的學(xué)習(xí)實踐內(nèi)容與教學(xué)考評，并給出標準答案供學(xué)生參考，反饋學(xué)生在前面4個模塊認知、考察與實訓(xùn)環(huán)節(jié)中的教學(xué)效果，使學(xué)生能夠通過教學(xué)反饋反復(fù)開展虛擬實訓(xùn)，達到提高實習(xí)教學(xué)質(zhì)量的效果。幫助學(xué)生通過實習(xí)教學(xué)，加強課程教學(xué)中對基本概念、基礎(chǔ)理論的掌握與運用實踐能力。

三、技術(shù)實現(xiàn)

為了構(gòu)建基于虛擬實景技術(shù)的高陡巖體地質(zhì)工程實習(xí)資源庫，應(yīng)基于無人機技術(shù)，開展高陡巖體地質(zhì)數(shù)據(jù)采集。首先在地面進行控制點選取，試飛無人機，對測量物體進行多角度拍攝；接著將拍攝照片導(dǎo)入Agisoft photoscan中進行集成、影像拼接、冗余判斷，經(jīng)算法生成超高密度的點云模型，并對紋理進行修正以及模型的精細化處理，提取出三維點坐標，同時對測得數(shù)據(jù)進行坐標系轉(zhuǎn)換；最后進行結(jié)構(gòu)面的擬合。實現(xiàn)巖體地質(zhì)信息高精度、高效率的獲取。

在通過無人機采集數(shù)據(jù)建立三維模型后，計算結(jié)構(gòu)面的傾向傾角，同時采用新型分類方法對結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)進行分組，分析不同概率分布的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀形式下巖體地質(zhì)關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)巖體地質(zhì)位移監(jiān)測預(yù)警。經(jīng)過詳盡的處理與精細的編輯，導(dǎo)入虛擬仿真實景設(shè)備，還原出高陡巖體地質(zhì)實景。這種實習(xí)方式不僅突破了傳統(tǒng)實習(xí)方式的限制，使學(xué)生能夠隨時隨地進行實踐學(xué)習(xí)，而且大大提高了實習(xí)的效率和質(zhì)量。同時，由于在虛擬環(huán)境中進行實習(xí)，學(xué)生的安全也得到了充分的保障。未來將繼續(xù)探索虛擬現(xiàn)實技術(shù)在巖體地質(zhì)教學(xué)和研究中的應(yīng)用，不斷完善和優(yōu)化虛擬仿真實景設(shè)備的功能與性能，為學(xué)生提供更加優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)體驗和實踐機會。

四、虛擬實景實習(xí)步驟

精心設(shè)計了以下五個核心環(huán)節(jié)，以此構(gòu)建“認知—考察—實訓(xùn)—反饋”一體化的巖體工程地質(zhì)實習(xí)教學(xué)體系。第一個是地質(zhì)觀察環(huán)節(jié)。在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生能夠通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，深入觀察三維實景中的地質(zhì)構(gòu)造、巖石類型等關(guān)鍵要素，從而建立起對地質(zhì)現(xiàn)象的基本認知。第二個是數(shù)字測量環(huán)節(jié)。學(xué)生可以利用虛擬環(huán)境中的數(shù)字羅盤和皮尺等工具，進行精確的測量和記錄，這既鍛煉了學(xué)生的測量技能，又保證了測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。第三個是現(xiàn)場編錄環(huán)節(jié)。學(xué)生須要根據(jù)在虛擬環(huán)境中觀察到的地質(zhì)現(xiàn)象和測量數(shù)據(jù)，進行詳細的現(xiàn)場編錄工作。這一環(huán)節(jié)旨在培養(yǎng)學(xué)生的記錄能力和分析思維，使其能夠系統(tǒng)地整理和分析地質(zhì)資料。第四個是分析評價環(huán)節(jié)。學(xué)生須要運用所學(xué)知識，對虛擬環(huán)境中的地質(zhì)現(xiàn)象進行深入的分析和評價。這不僅有助于鞏固和深化學(xué)生對巖體工程地質(zhì)特征的理解，而且能提升其分析問題和解決問題的能力。第五個是實驗報告環(huán)節(jié)。在完成一系列實習(xí)任務(wù)后，學(xué)生須撰寫實驗報告，總結(jié)在實習(xí)過程中的收獲和體會。這既是對實習(xí)成果的展示，也是對學(xué)生綜合能力的考驗。

虛擬實景實習(xí)平臺的具體操作步驟有六步。第一步：登錄“巖體工程地質(zhì)實習(xí)虛擬仿真”網(wǎng)址，點擊“開始實習(xí)”，選擇所需模塊：地質(zhì)觀察、數(shù)字測量、現(xiàn)場編錄、分析評價、實驗報告。第二步：地質(zhì)觀察——認識實驗。進入“巖體工程地質(zhì)實習(xí)虛擬仿真”主界面，選擇巖體工程類型，進入不同巖體工程所對應(yīng)的三維虛擬實景環(huán)境，目前包括“邊坡工程”與“隧道工程”。進入漫游模式，開始三維巖體工程地質(zhì)環(huán)境虛擬實景漫游。結(jié)合工程地質(zhì)概況對地形、地貌、環(huán)境條件進行基本認知學(xué)習(xí)。第三步：數(shù)字測量——訓(xùn)練實驗。虛擬地質(zhì)羅盤使用與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀測量，包括結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面連續(xù)性、結(jié)構(gòu)面張開度、結(jié)構(gòu)面跡線等測量。第四步：現(xiàn)場編錄——實訓(xùn)實驗。根據(jù)實習(xí)要求選定測區(qū)，根據(jù)測區(qū)內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)特點布置測線；選定結(jié)構(gòu)面，標出跡線；使用虛擬羅盤逐一測量測區(qū)內(nèi)的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀；使用虛擬皮尺逐一測量測區(qū)內(nèi)的結(jié)構(gòu)面跡長；最后對結(jié)構(gòu)面信息進行逐一編錄。第五步：分析評價——實訓(xùn)實驗。使用極射赤平投影，將采集到的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息投影到赤平面上，分析結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢面；接著應(yīng)用剛體極限平衡分析計算影響工程安全的塊體，分析工程地質(zhì)的穩(wěn)定性。第六步：實驗報告——考核與反饋。對于認知教學(xué)，設(shè)計實習(xí)體驗問題調(diào)查，開展答卷考核；對于訓(xùn)練教學(xué)，獨立設(shè)計訓(xùn)練體驗問卷調(diào)查，開展自評調(diào)查；對于實踐教學(xué)，要求編寫地質(zhì)編錄與分析報告，由教師考核打分。

通過實施這一全新的實習(xí)教學(xué)體系，有效地突破了傳統(tǒng)實習(xí)模式的局限性，為學(xué)生提供了更加豐富、共享性更強的學(xué)習(xí)資源。同時，步驟完整、操作靈活的實訓(xùn)環(huán)節(jié)極大地提升了學(xué)生的實踐能力和操作技能。此外，明確的要點和清晰的反饋機制使得教輔指導(dǎo)更加有針對性，有助于學(xué)生更好地掌握工程地質(zhì)知識和技能。總體而言，通過引入實景虛擬現(xiàn)實技術(shù)，成功地打造了一個高效、安全、經(jīng)濟的工程地質(zhì)實習(xí)平臺。這一平臺不僅能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，還能有效提升其實踐能力，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的工程地質(zhì)人才奠定了堅實的基礎(chǔ)。

結(jié)語

自主研發(fā)的高陡巖體地質(zhì)環(huán)境三維實景虛擬現(xiàn)實平臺，通過沉浸式虛擬三維實習(xí)場景、全景式VR觀察，身臨其境的操作環(huán)境及人機交互環(huán)節(jié)，有助于引導(dǎo)學(xué)生思考與探究，掌握實習(xí)的關(guān)鍵知識點；實習(xí)中及實習(xí)后的試題測試和實習(xí)報告能夠幫助學(xué)生鞏固并加深有關(guān)知識。與傳統(tǒng)的地質(zhì)實習(xí)模式相比，虛擬實習(xí)具有虛擬實景化、可操作化、可重復(fù)化、可拓展化的特點，不僅能延伸實習(xí)教學(xué)的時間與空間，而且能拓展理論教學(xué)內(nèi)容廣度和深度，切實有效提高學(xué)生的實踐能力。更為重要的是，其可拓展性能方便加入新的典型虛擬巖體地質(zhì)環(huán)境實景，使實驗平臺脫離軟件技術(shù)人員的支持仍能不斷豐富實習(xí)場景。

參考文獻

［1］何虎軍，楊興科，焦建剛，等.野外地質(zhì)實習(xí)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)與思考［J］.教育教學(xué)論壇，2022（2）：146-149.

［2］楊偉峰，梁家銘，夏筱紅，等.地質(zhì)工程專業(yè)實習(xí)實踐能力培養(yǎng)與改革創(chuàng)新［J］.高教學(xué)刊，2023，9（18）：38-41.

［3］冉祥金，薛林福，李偉民，等.基于虛擬仿真平臺的野外地質(zhì)實踐［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2022，40（10）：1-3+7.

［4］滕繼東，董安太，喬世范，等.交通特色型院校土木工程地質(zhì)實習(xí)的教學(xué)改革探討［J］.教育教學(xué)論壇，2022（40）：62-65.

［5］宋金民，張小兵，何勇明，等.無人機航拍在峨眉山地質(zhì)認識實習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國地質(zhì)教育，2022，31（3）：97-101.

［6］張津?qū)帲茉?，馬驍，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)實踐教學(xué)中的應(yīng)用［J］.教育觀察，2022，11（25）：9-11+18.

Research on Geological Virtual Reality Teaching Approaches and Methods for High and

Steep Rock Masses

WANG Peng-yu， ZHANG Peng， WANG Sheng-nian， LIU Hao

（College of Transportation Engineering， Nanjing TECH University， Nanjing， Jiangsu 211816， China）

Abstract： The application of immersive virtual reality technology in the three-dimensional reproduction of geological engineering sites has played a crucial role， significantly enriching the teaching methods and content of high and steep rockmass engineering geology internships. It has formed a highly integrated virtual simulation experimental teaching system of “cognition-inspection-training-feedback.” Through highly simulated three-dimensional scenes， students can deeply understand the characteristics of geological structures. Combined with digital measurement technology， they can carry out geological data recording. Through analysis， evaluation， and experimental reports， students can conduct comprehensive and multi-angle research and discussions on geological engineering. Compared with traditional field internships， virtual simulation internships are operable， repeatable， and scalable， greatly extending the time and space of internship teaching. Additionally， repeated operations and experiments can deepen students’ understanding and mastery of knowledge.

Key words： field practice in engineering geology; virtual simulation experiment; virtual reality; teaching reform in practical training