三維可視化技術(shù)在工程地質(zhì)教學(xué)中的應(yīng)用及效果評價

杜明亮++吳彬

摘要：工程地質(zhì)教學(xué)中的重點與難點之一是地質(zhì)體的空間重構(gòu)與分析，而這正是三維可視化技術(shù)的強項。針對以往教學(xué)中平面圖無法充分地展示地質(zhì)體的三維特征及三維空間分析的問題，基于地質(zhì)學(xué)基本理論，結(jié)合三維建模技術(shù)，建立滿足于教學(xué)實際需求的三維模型，并將該模型應(yīng)用于教學(xué)中的地質(zhì)基本概念、工程勘察、地質(zhì)體空間分析計算、圖件繪制等方面。通過不記名問卷調(diào)查的反饋結(jié)果，表明教學(xué)效果較好，對工程地質(zhì)課程中相關(guān)知識的學(xué)習(xí)及相關(guān)技能的提升具有較大的幫助。

關(guān)鍵詞：工程地質(zhì)；教學(xué)；三維可視化

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）37-0200-04

三維可視化技術(shù)是目前科技發(fā)展的代表性產(chǎn)物，是各行各業(yè)爭先發(fā)展的核心競爭手段。該技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于實踐中，并取得了大量的應(yīng)用成果。但在教學(xué)中的應(yīng)用目前還沒有得到普及，只要少量地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)類[1-2]、地礦類[3-5]、水利工程類[6-7]等的教學(xué)當(dāng)中。

工程地質(zhì)是工程類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，重要性不言而喻。以往教學(xué)中涉及三維地質(zhì)體及空間分析時，往往采用實物模型或者二維圖件輔助教學(xué)，但是實物模型比較笨重并且無法查看內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)；二維圖件能夠反映各類地質(zhì)現(xiàn)象，但空間立體感較差，尤其對于初學(xué)專業(yè)課程的學(xué)生來說，理解難度較大。三維可視化技術(shù)可以很好地解決上述的問題，而且通過實踐證明具有明顯的教學(xué)效果，同時也為相關(guān)類課程提供了一種有效的教學(xué)手段。

一、三維可視化技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中的意義

（一）工程地質(zhì)課程教學(xué)中二維設(shè)計的某些不足

工程地質(zhì)課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式中，所有地質(zhì)體的表達基本都采用二維形式，而空間中的各類地質(zhì)體是以三維形式存在的，這就需要教師通過一定的方法將二維轉(zhuǎn)化為三維形式，尤其對于復(fù)雜地質(zhì)體而言，教師花費的時間和精力較多，但是相對較少的課堂教學(xué)時間無法很好地完成教學(xué)任務(wù)，最終造成教學(xué)效果不太理想。

（二）利用三維地質(zhì)可視化模型進行相關(guān)的計算分析

以往，我們只能通過二維圖來說明三維空間的地質(zhì)問題，比如塊體空間關(guān)系、地質(zhì)構(gòu)造的交切關(guān)系、溶洞和脈體的空間展布等，常常要結(jié)合平面圖、剖面圖和平切圖一起來表現(xiàn)。三維地質(zhì)可視化模型是這樣一個平臺，提供多種實時分析工具，能夠隨時獲取任意位置的地質(zhì)剖面圖或平切圖，還可以是任意位置的三維剖切模型。模型三維空間分析功能不僅改進了傳統(tǒng)表現(xiàn)方式的實現(xiàn)途徑，比如生成地質(zhì)曲面等值線更加直觀，而且彌補了傳統(tǒng)方法的不足，比如方量計算由剖面近似法轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯忧笕S模型的體積。

（三）培養(yǎng)學(xué)生與時俱進的工作技能

三維協(xié)同設(shè)計目前已是各個設(shè)計單位的基本工作流程，大大提高了工作效率，也避免了以往工作中容易產(chǎn)生的人為錯誤。而目前大部分高校對三維設(shè)計講授的普及率還不高，這就造成了學(xué)生工作后需要重新學(xué)習(xí)該項技能，增加了用人單位的人才培養(yǎng)成本。因此將三維可視化技術(shù)應(yīng)用在教學(xué)中，不僅對工程地質(zhì)課程有所幫助，同樣對提升學(xué)生的工作技能、適應(yīng)社會的需求、促進就業(yè)等方面都具有明顯的積極作用。

二、三維可視化技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

（一）地質(zhì)圖的綜合閱讀

地質(zhì)圖是工程地質(zhì)勘察的主要成果之一，在工程實踐中占有非常重要的作用。目前在生產(chǎn)實踐中使用的地質(zhì)圖主要都是二維圖件，而地質(zhì)體是三維的概念，因此學(xué)生在剛開始接觸地質(zhì)圖件時，較難在腦海中將二維圖轉(zhuǎn)化為空間三維模型，以往都是通過不斷地講授、訓(xùn)練以達到目的，往往需要耗費較長的時間，而且教學(xué)效果也不太明顯。而借助三維可視化模型，這種現(xiàn)象可以得到大大的改善。

平面地質(zhì)圖的閱讀是工程地質(zhì)課程講授中較為重要的章節(jié)，地質(zhì)圖反映的各類地質(zhì)條件較多而且比較復(fù)雜，主要包括：地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、物理地質(zhì)現(xiàn)象、勘探等。教學(xué)過程中首先介紹二維圖件的讀圖方法，并將各類地質(zhì)條件進行分解并逐一講解，讓學(xué)生在腦海中有一個大概的空間形象，再結(jié)合三維可視化模型，讓學(xué)生有直觀的視覺感受，之后再返回二維地質(zhì)圖的講解，使學(xué)生在腦海中建立二維平面到三維的空間轉(zhuǎn)換的概念，最終完成地質(zhì)圖的閱讀。三維可視化教學(xué)過程見圖1。

（二）各類方量計算

各類土石方量的計算是工程地質(zhì)勘察的主要內(nèi)容，也是工程地質(zhì)教學(xué)中的重點之一。目前計算方量的方法有算術(shù)平均法、平行斷面法和三角形法等。以上三種方法都是一種近似的方法，與實際的方量或多或少會有些許差異，而且由于計算方法復(fù)雜，學(xué)生往往理解起來較為困難，教學(xué)效果不理想。而三維計算技術(shù)的發(fā)展，為準(zhǔn)確地計算方量提供了技術(shù)的可行性。三維模型計算方量時是把三維實體劃分為有限個立方體，通過計算每個立方體的體積再求和，即可得到地質(zhì)體的體積，網(wǎng)格劃分得越密計算的結(jié)果也就越準(zhǔn)確。因此只要建立了三維模型，就可以任意切割三維實體，并計算該實體的具體方量。具體如下圖所示：

（三）各類地質(zhì)圖件的繪制

以往各類工程地質(zhì)圖件繪制的教學(xué)過程中，往往需要花費較多的課堂時間，尤其是對于地質(zhì)條件較為復(fù)雜的區(qū)域，花費的時間更多，而且學(xué)生理解起來也較為困難。而通過三模型可以快速地繪制常見的幾類工程地質(zhì)圖件，而且不會產(chǎn)生人為的錯誤，大大地提高了工作的效率，這也是建立三維模型的重要目的之一。例如，剖面圖是工程地質(zhì)中最重要的二維圖件之一。通過剖面圖可以掌握地面以下地質(zhì)體的分布情況及其規(guī)律，通過三維模型，可以快速地繪制任意的剖面，而且不會產(chǎn)生剖面相交時交點對不上的錯誤，大大地提高了工作效率，如圖3所示：

平切圖一般作為地基質(zhì)量評價的重要圖件，尤其是對建基面的評價具有至關(guān)重要的作用。通過三維模型可以快速地繪制出任意高程的平切圖件，而且可以任意地添加需要的地質(zhì)信息，如圖4所示：

三、教學(xué)效果評價

（一）基本情況

參加本次三維地質(zhì)可視化教學(xué)應(yīng)用的班級主要為新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院農(nóng)水111、農(nóng)水122、水管122，共計114人，全數(shù)來自大學(xué)二年級，對三維地質(zhì)可視化大部分學(xué)生都沒有接觸過，只有部分學(xué)生有過簡單的接觸或者聽說過。經(jīng)詳細統(tǒng)計，73%的學(xué)生從未接觸過三維地質(zhì)可視化模型，對該方面的知識完全空白；27%的學(xué)生對三維地質(zhì)可視化模型有過簡單的接觸，或者有一定的概念，但不熟悉；沒有一個學(xué)生有過三維地質(zhì)建模的經(jīng)歷。具體如下圖所示：endprint

（二）效果評價

通過問卷調(diào)查86%的學(xué)生認為本次案例庫授課對自己的專業(yè)知識是有幫助的，14%的學(xué)生認為幫助一般或者沒有幫助。這表明了大部分同學(xué)都認同本次三維地質(zhì)案例庫教學(xué)發(fā)揮的作用。

有54%的學(xué)生認為通過案例庫教學(xué)對某些地質(zhì)問題的分析認識更深了，30%的學(xué)生認為對地質(zhì)平面圖的認識更深了，16%的學(xué)生認為對地質(zhì)概念認識更深了。總之，作為《工程地質(zhì)》課程教學(xué)過程中的一種輔助手段，三維地質(zhì)可視化教學(xué)發(fā)揮了應(yīng)有的作用，在今后的教學(xué)過程中應(yīng)繼續(xù)發(fā)揮案例庫的優(yōu)勢，促進學(xué)生更好地掌握工程地質(zhì)相關(guān)知識。

四、存在的不足及建議

（一）存在的不足

三維可視化教學(xué)雖然效果比較顯著，但在教學(xué)過程中也發(fā)現(xiàn)了部分問題，具體如下：

1.需進一步將三維可視化模型與工程地質(zhì)教學(xué)相關(guān)知識點聯(lián)結(jié)。由于時間以及資料有限，還有部分地質(zhì)現(xiàn)象沒有完全反映在可視化模型當(dāng)中，例如水文地質(zhì)條件等，這需要在今后的教學(xué)中不斷完善。

2.學(xué)生缺少三維可視化實踐經(jīng)驗。雖然三維可視化的視覺感官比較強烈，便于學(xué)生理解，但是具體模型的建立是個比較系統(tǒng)、復(fù)雜的工程，學(xué)生如果只是在課堂上聽老師的講解而不能親自操作建模，這對工程地質(zhì)相關(guān)的知識還是不能夠完全理解透徹。

3.教學(xué)模式需相應(yīng)地進行調(diào)整。如果只是通過傳統(tǒng)教學(xué)模式講授三維可視化模型，學(xué)生完全是被動接受，雖然開始階段興趣較大，但是隨著教學(xué)難度、深度加大，學(xué)生往往會失去興趣。這就需要增加新的教學(xué)手段，例如翻轉(zhuǎn)課堂，讓學(xué)生在課后通過上機實際操作，然后課堂上對相關(guān)知識點進行講解，這樣會大大提高教學(xué)效率。

（二）建議

為有效解決工程地質(zhì)教學(xué)中的難點問題，并不斷更新和提高學(xué)生的知識技能，高效高質(zhì)地培養(yǎng)符合時代需求的大學(xué)畢業(yè)生，同時也為了日后更好地完成工程地質(zhì)課程的教學(xué)，為教師提供新的教學(xué)手段，為學(xué)生提供新的學(xué)習(xí)方法，特有以下幾點建議：

1.繼續(xù)完善三維可視化模型。為了將三維可視化模型與工程地質(zhì)課程教學(xué)更好地結(jié)合起來，還需進一步完善模型，盡可能將更多的知識點與三維可視化模型相結(jié)合，起到事半功倍的效果。

2.增加與三維可視化教學(xué)相配套的教學(xué)方法。三維可視化教學(xué)具有可視化強、難度高、知識點多、實踐經(jīng)驗強等特點。正是由于這些特點決定了傳統(tǒng)教學(xué)方法不能很好地服務(wù)于教學(xué)，因此建議將一些新興的教學(xué)手段應(yīng)用于課堂中，例如翻轉(zhuǎn)課堂等，這需要教師在教學(xué)的過程中不斷完善與三維可視化教學(xué)相適應(yīng)的教學(xué)方法。

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