虛擬現實與數值模擬相結合的教學平臺建設

李連崇　梁正召　夏英杰等

摘要：聯系巖土工程實踐，以及巖體的不可透視性、賦存環境復雜性等特征，提出了虛擬現實與數值模擬技術相結合的教學平臺，并結合深部井巷工程介紹了該平臺在教學實踐中的應用。實踐表明，基于該平臺的教學方法改造提升了傳統的教學模式，學生在安全輕松的虛擬環境中學習、感知實際工程，激發學生的學習興趣，培養學生實際動手能力和創新思維能力，提高了學生對真實環境中實際工程問題的處理能力。

關鍵詞：巖土工程；虛擬現實；數值模擬；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，把新的科研成果及現代科學技術融于傳統的教學活動中，不僅可為傳統的課程注入活力，有利于提高教學質量和效果，而且能夠擴展學生的視野，激發學生的學習熱情，培養學生的動手能力和創新能力。

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

巖土工程是一門理論與實踐緊密結合的學科，然而在校內實習中，面臨著實驗室模擬與現場出入大、直觀認識不足等缺點。現場認識實習、培訓，又存在成本高、周期長、危險因素多、對生產影響大、聯系實習地點較難、學生積極性不高等缺點，往往導致實習內容和過程達不到要求。在現實的實驗教學環節，由于實驗室儀器組數受場地、經費和利用率等問題的限制，加之學生人數眾多和師資配備不足等原因，學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、現場實際安全問題很難了解，導致學生走出校門工作后，短時間內對現場環境很難適應[3]。

虛擬現實技術具有平面投影不具備的優點，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境以及儀器使用的認知[2]，深化學生對井下作業環境及工作流程的認識，把握深部井巷的整體狀況，減小教學實驗與現場工作的差距，增強學生對深部井巷的適應能力。

但虛擬現實技術也僅僅是對深部巖石工程環境“表觀”特征的一種真實再現，其本身不具備計算、分析能力[4-7]，對巖體內部的物理變化（包括應力、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，因為其關乎深部巖石工程的安全性。而現代數值模擬技術卻可以實現巖體內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，尚沒有任何技術手段能夠大范圍、準確地探明巖體的物理、構造特征）和賦存環境的復雜性（深部巖體具有高地溫、高水壓、高地應力的特點，室內試驗及現場實時觀測研究難度大）等客觀因素，文章即嘗試將虛擬現實與數值模擬技術有機結合，以深部巖石井巷工程為例，通過虛擬環境與物理實體信息的相互補充，將現實環境中一些不易或不能被感受的因素投影到現實環境中，增強學生對這些因素的感知和認識。

一、虛擬現實與數值模擬相結合的教學平臺

筆者結合大連理工大學土木工程學院開設的本科生課程土木水利學科實驗前沿和研究生課程巖石破壞力學數值試驗的實際教學工作，將工程計算中的數值模擬技術與現代興起的虛擬現實技術相結合，初步形成了針對土木工程專業課程的一個新的教學平臺。

（一）平臺硬件組成

教學平臺的主要硬件由大連理工大學土木工程學院配置的曼恒虛擬現實系統和聯想深騰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機或學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）教學用巖土工程實例手冊，如井巷工程設計手冊等；（2）虛擬現實模型的開發與顯示軟件，如3DMAX、瑪雅、Virtools等，這些均屬于圖片、視頻和安全數據處理的常用軟件；（3）基于數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值模擬分析的常用軟件；（4）虛擬現實系統與數值模擬結果之間的數據轉換接口。

以深部井巷工程為例，相關模塊主要是通過模塊設備商設計圖紙和數據、真實深部井巷的設計、地質和開挖開采信息進行構造的。模塊是通過5 m的分段（也可采用不同尺度分段）進行創建的，可以用來展現任意深部井巷的狀況和設計，模型可以經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驗與實際感知。

（三） 學生（學員）—虛擬現實—數值仿真之間的交互機制

在本教學平臺中，學生處于中心位置，教師只是基本的引導，之后學生在PC機終端或自備的筆記本電腦上開始根據自己對實際工程（例如深部井巷工程）的理解，建立相應的模型，并進行模型內部物理信息（應力、變形、損傷破壞等）的模擬計算，計算結果再與虛擬現實系統結合，學生便可感知該實際工程的“表觀”環境信息以及“內部”的實體物理信息。基于學生自己的“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疑。具體的互動機制如圖3所示。

（四）課堂教學的實施模式

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

在虛擬實驗中，學生可以通過鼠標或各種交互設備去控制深部巖體巖層裂縫發生及運動的演示過程，同時在三維沉浸式環境中可以靠近虛擬環境中的巖層和流水，任意放大、拉伸巖層結構，可以近距離觀察巖層縫隙、水流的情況。結合學校開發的基于OpenGL數據的分析可視化軟件實現多通道的主被動立體顯示。系統可實時獲取基于OpenGL應用程序的渲染數據，實現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值模擬結果，學生可以一邊改變巖體的卸荷開挖、邊界條件，一邊觀察結果，并均可以進入巖層的內部進行觀察。例如：學生可以進入巖層內部，從不同角度了解整個巷道圍巖的應力集中、產生損傷及失穩破裂的情況，如圖5、圖6。

二、教學效果及評價分析

經過教學實踐，初步達到了如下效果。

（1）學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生的災害。

（2）學生自己動手建立井巷模型的力學模型，增強了學生對現場工程物理力學本質的認識。

（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致的結果，根據實際狀況確定正確的操作流程。

（4）學生在安全輕松的虛擬環境中接受培訓，培養起對深部井巷災害預兆、災害發生、災后逃生的判斷意識，培養對危險源識別的能力。

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

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

通過該教學平臺，學生完全熟悉了深部井巷工程的實際環境，特別是遇到安全問題，學生可根據實際情況和選擇項作決定。到達場景中一個決策點，選項呈現給學生，如果出現一個正確的決定，結果將呈現給學生；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給學生（后果的嚴重程度可以根據問題的嚴重程度和實際情況進行制定），并教會學生如何處理這樣的后果。

綜上所述，虛擬現實技術和數值模擬技術存在有利的結合點，教學平臺的設計十分方便。在實踐教學中，充分發揮虛擬現實技術和數值模擬技術在實踐教學中的地位，挖掘虛擬現實和數值模擬技術各自的優勢，兩者相互補充、相互促進。精心組織實踐教學，既可以加強學生基本功的訓練，又能讓學生掌握現代科學技術知識，可收到良好的實踐教學效果。教學實踐后，學生普遍反映：“該教學課程內容全、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。”經過這次綜合實驗的鍛煉，學生在課程設計中能有條不紊地進行，設計進度明顯加快，教師指導時也感到輕松。學生一般都能自己查資料、設計模型、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，該教學平臺可以鍛煉學生對實際工程與設計的正規操作技能，培養其綜合分析問題和解決問題的能力，從而提高了教學質量，深化了實驗教學改革。該技術平臺可以推廣至其他行業教學，培訓學習場景的主角可以是培訓師、一線職工、學生或學員。

三、結語

虛擬現實技術和模擬計算技術日益普及，筆者提出把基于虛擬現實和數值模擬技術的軟、硬件平臺應用于巖土工程專業的教學，并鼓勵學生自發設計模型進行數值模擬分析，實現對工程實例、實驗模型和理論模型的精細數值表征，并將數值模擬結果融入虛擬現實系統之中，最終通過虛擬現實技術實現對工程實例表觀現象和內部物理特征的感知。

教學實踐表明，基于虛擬現實與數值模擬的教學平臺，激發了學生的學習興趣，提高了實驗教學的質量，充分啟發了學生的創造性思維，緩解了學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備的學生對現代化的分析技術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場實習與觀測，卻是對傳統教學方式的一種有效補充與完善。

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