基于虛擬現(xiàn)實(shí)和3D打印技術(shù)的“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)模式在巖土工程課程中的應(yīng)用探索

王培濤，任奮華，蔡美峰

(北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院, 北京 100083)

巖土工程是理論和實(shí)踐結(jié)合得非常緊密的一門學(xué)科，其知識覆蓋面廣，涵蓋大壩、邊坡、隧道工程及巖土結(jié)構(gòu)與力學(xué)等內(nèi)容。巖土工程課程的實(shí)踐性較強(qiáng)，但該課程傳統(tǒng)教學(xué)方式多局限于教材和多媒體的“平面式”講授方式，學(xué)生往往處于被動(dòng)接收的狀態(tài)，學(xué)習(xí)主動(dòng)性不強(qiáng)，教學(xué)效果不理想。此外，組織學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場認(rèn)識、生產(chǎn)實(shí)習(xí)，又存在成本高和潛在風(fēng)險(xiǎn)大等不利因素[1]。因此，大力推進(jìn)巖土工程課程教學(xué)改革，探索巖土工程空間立體式教學(xué)模式具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)巖土工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式難以滿足專業(yè)學(xué)習(xí)需求的問題已引起眾多學(xué)者的關(guān)注和重視[2-4]。古德生院士[5]指出，創(chuàng)新巖土工程課程教學(xué)方法，協(xié)調(diào)課程與實(shí)踐環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)計(jì)劃和教師知識體系的有機(jī)交融，這為巖土工程課程教學(xué)模式的探索指明了思路和方向，同時(shí)也為目前新工科建設(shè)和創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式提供了方法和方案。

隨著計(jì)算機(jī)建模和仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality)逐漸成熟，由于其能達(dá)到真實(shí)的感官效果，成本又大大降低，因此在教學(xué)中被廣泛應(yīng)用[6-11]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，即將實(shí)際工程勘測素材融合于計(jì)算機(jī)建模中，最終進(jìn)行計(jì)算機(jī)演示的技術(shù)。近年相關(guān)學(xué)者對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用做了大量探索性研究，李連崇等[1]建立了虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合的教學(xué)平臺，在課程學(xué)習(xí)中學(xué)生能夠體驗(yàn)深部井巷模型，并動(dòng)手建立巖體力學(xué)模型，以提高學(xué)生處理真實(shí)環(huán)境中實(shí)際工程問題的能力。顧曉薇等[12]在采礦工程課程教學(xué)中，探索采用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)開展邊坡境界優(yōu)化設(shè)計(jì)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生通過操作用戶友好交互界面開展邊坡設(shè)計(jì)，包括開采、推進(jìn)計(jì)劃、長期規(guī)劃和境界優(yōu)化等，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也為學(xué)生課程考核提供了一項(xiàng)重要指標(biāo)。楊建華等[13]基于“科教融合”虛擬仿真教學(xué)理念，采用虛擬仿真技術(shù)，將工程實(shí)踐和科研成果轉(zhuǎn)化為水利工程專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生自主動(dòng)手配置、調(diào)用虛擬設(shè)備，模擬土石開挖、大壩澆注，虛擬操作電廠設(shè)備，強(qiáng)化了學(xué)生對理論知識的理解，大大提高了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為巖土工程學(xué)科的教育教學(xué)提供了有效的方法和平臺，同時(shí)也對教學(xué)工作者提出了更高的要求。教師需要更加熟練地應(yīng)用虛擬仿真平臺，并具有大量的現(xiàn)場工作經(jīng)驗(yàn)，掌握大量的科研素材，這是將虛擬技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)的前提。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)閹r土工程專業(yè)教學(xué)提供虛擬的平臺，而3D打印(3D pinting)技術(shù)能夠?qū)?shù)字仿真模型實(shí)體化，為課堂教學(xué)直接提供豐富和直觀的輔助教學(xué)模型，在科研和教學(xué)中倍受學(xué)者關(guān)注[14-20]。李陽等[21]探索將3D打印技術(shù)應(yīng)用到采礦工程課程教學(xué)中，將傳統(tǒng)的二維采礦剖面模型轉(zhuǎn)化為三維立體模型，并通過打印制備可自由組裝的3D實(shí)體打印模型，加深學(xué)生對礦山模型結(jié)構(gòu)、原理的理解，為三維空間想象能力較差的學(xué)生提供直觀認(rèn)識。譚躍剛等[22]主要研究3D打印技術(shù)在創(chuàng)新教學(xué)模式中的應(yīng)用，認(rèn)為3D打印模式構(gòu)建了知識與技能、理論與實(shí)踐之間的橋梁，采用該技術(shù)能夠使學(xué)生更快更準(zhǔn)確地掌握專業(yè)知識，并鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維，提升學(xué)生的獨(dú)立思考能力。目前3D打印技術(shù)在我國迅速發(fā)展，很多桌面級打印設(shè)備價(jià)格相對低廉，為在課堂教學(xué)應(yīng)用和未來普及提供了可能。此外，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和3D打印模型相結(jié)合的教學(xué)方式，將平面數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為立體實(shí)體模型，能夠讓學(xué)生更加直觀地了解巖土工程的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，了解現(xiàn)實(shí)中不可視的應(yīng)力場、滲流場、位移場等信息，極大地促進(jìn)了學(xué)生對知識的吸收和消化，最終達(dá)到巖土工程課程教學(xué)目的。目前，3D打印技術(shù)在機(jī)械工業(yè)、醫(yī)療、食品、建筑等各個(gè)領(lǐng)域都有所應(yīng)用，在巖土工程課程教學(xué)中的應(yīng)用及其和經(jīng)驗(yàn)還不多，如何將復(fù)雜的巖土勘察和科研成果與課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，亟待科研工作者進(jìn)一步的探索研究。

立足“培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、專業(yè)面寬、具有實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的應(yīng)用研究型工程技術(shù)人才”這一專業(yè)定位，本文從巖土工程課程特點(diǎn)出發(fā)，探討將虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)和3D打印技術(shù)引入實(shí)踐教學(xué)的必要性和可行性，重點(diǎn)介紹北京科技大學(xué)巖體工程專業(yè)“虛實(shí)結(jié)合”的新型教學(xué)模式，旨在提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生課程學(xué)習(xí)的興趣，提高課程教學(xué)效果。

一、巖土工程學(xué)科特色與內(nèi)容

北京科技大學(xué)1952年由清華大學(xué)、天津大學(xué)(原北洋大學(xué))等6所國內(nèi)著名大學(xué)的礦冶系組建而成，是首批進(jìn)入國家“211工程”建設(shè)高校和“985工程”優(yōu)勢學(xué)科創(chuàng)新平臺建設(shè)項(xiàng)目試點(diǎn)高校，也是以工為主，工、理、管、文、經(jīng)、法等多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的教育部直屬全國重點(diǎn)大學(xué)。

北京科技大學(xué)巖土工程專業(yè)依托土木工程一級學(xué)科，師資力量主要由原巖石力學(xué)教研室、工程力學(xué)教研室、爆破工程教研室、采礦工程教研室和礦物材料研究室部分教師組成，教學(xué)內(nèi)容具有鮮明的礦業(yè)特色。學(xué)校開設(shè)的巖土工程課程是綜合性強(qiáng)的專業(yè)選修課程，教學(xué)內(nèi)容涵蓋面廣，學(xué)生需要學(xué)習(xí)了解巖石力學(xué)、土力學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地下工程和邊坡工程等各方面的內(nèi)容，因此，開展巖土工程課程教學(xué)需要教師具有大量相關(guān)方面的研究基礎(chǔ)。筆者長期從事礦山巖體工程穩(wěn)定性方面的研究工作，先后參與多項(xiàng)巖土工程相關(guān)研究課題，建立了大量的巖土工程虛擬現(xiàn)實(shí)素材模型，能直接與巖土工程課程教學(xué)有機(jī)交融，為學(xué)生提供更加直觀、立體的教學(xué)內(nèi)容。

二、“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)模式案例與評價(jià)

在巖土工程課程教學(xué)中，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和3D打印技術(shù)，分別建立巖土工程的“虛”“實(shí)”模型。虛擬現(xiàn)實(shí)模型可以展現(xiàn)復(fù)雜的工程場景，提供虛擬漫游，使學(xué)生對巖土工程領(lǐng)域的復(fù)雜結(jié)構(gòu)有宏觀認(rèn)識。同時(shí)通過3D實(shí)體打印，能讓學(xué)生直接觸摸復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型，全方位了解和認(rèn)識復(fù)雜巖土對象，提升學(xué)生對現(xiàn)場復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)知，最終實(shí)現(xiàn)以“虛”為主、“虛實(shí)”相輔相成的巖土工程課程教學(xué)。在實(shí)際教學(xué)中，主要采用教師引導(dǎo)、學(xué)生主動(dòng)參與的教學(xué)模式。教學(xué)過程主要包括4個(gè)模塊：復(fù)雜巖土地質(zhì)勘察；計(jì)算機(jī)數(shù)字模型建模和虛擬現(xiàn)實(shí)場景構(gòu)建；3D模型優(yōu)化及打印；學(xué)生與教師之間的互動(dòng)。

(一)節(jié)理巖體結(jié)構(gòu)面分布課程內(nèi)容

現(xiàn)場勘察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工程巖體中地質(zhì)構(gòu)造分布非常復(fù)雜(圖1)，結(jié)構(gòu)面的幾何形態(tài)豐富多樣，大到褶皺[23]、斷層，小到層理[24]、節(jié)理、裂隙[25]，巖體構(gòu)造是巖土工程課程中非常重要的內(nèi)容。在向?qū)W生講授相關(guān)知識時(shí)，僅借助“平面式”的課本或PPT，學(xué)生難以形成空間立體概念，對場景也難以認(rèn)知。同時(shí)，由于該課程教學(xué)對象是本科學(xué)生，許多學(xué)生尚未接觸巖石力學(xué)、水文地質(zhì)等方面課程，對巖土工程的一些基本概念缺乏認(rèn)識。

由于現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高陡邊坡、開挖巷道等存在安全風(fēng)險(xiǎn)，往往難以大規(guī)模組織學(xué)生深入邊坡現(xiàn)場勘察巖體結(jié)構(gòu)面分布。盡管有學(xué)生完成了地質(zhì)認(rèn)識實(shí)習(xí)課程的學(xué)習(xí)，由于缺乏全面性和針對性，僅對表面揭露局部或者節(jié)理表面跡線有所了解，學(xué)生還是難以準(zhǔn)確把握結(jié)構(gòu)面類型、形態(tài)和空間展布等相關(guān)知識。

采用虛擬數(shù)字模型和3D打印結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)“虛實(shí)結(jié)合”的課堂演示教學(xué)，可以有效解決這一難題。圖2為巖土工程中復(fù)雜結(jié)構(gòu)面分布的虛擬場景演示案例。在巖土工程課程教學(xué)中，認(rèn)識巖體結(jié)構(gòu)面幾何產(chǎn)狀是一項(xiàng)重要的教學(xué)內(nèi)容。圖2(a)為天然巖體中結(jié)構(gòu)面的分布形態(tài)，圖2(b)為傳統(tǒng)教學(xué)中對結(jié)構(gòu)面分布的描述。傳統(tǒng)教學(xué)的描述雖然簡潔，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)面組別、跡線長度、傾角等幾何信息進(jìn)行直觀介紹，但是缺乏立體感。而虛擬現(xiàn)實(shí)模型和3D打印技術(shù)相結(jié)合，可以在課堂直接將現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面進(jìn)行直觀、立體的展示，有利于更形象地講授巖體結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜空間分布和幾何特征。圖2(c)為結(jié)構(gòu)面三維空間展布形態(tài)，通過虛擬場景的演示，學(xué)生不僅可以認(rèn)識揭露表面的結(jié)構(gòu)面分布特征，而且還能夠?qū)?nèi)部結(jié)構(gòu)面的空間展布特征有所了解。如圖2(d)為基于3D打印技術(shù)得到的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)實(shí)體模型，學(xué)生可以通過直接觀察了解多組結(jié)構(gòu)面展布特征，以及傾角、跡長等產(chǎn)狀信息。實(shí)踐表明：在巖土工程課程教學(xué)過程中，通過“虛實(shí)結(jié)合”的授課方式能夠幫助學(xué)生更好地了解和掌握相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目的。

(二)Barton曲線模型案例

節(jié)理的幾何和力學(xué)特征是巖土工程或巖石力學(xué)類課程的重要內(nèi)容之一，其中Barton等[26]提到的10條粗糙度JRC(joint roughness coefficient)曲線是知識重點(diǎn)。傳統(tǒng)課程教學(xué)往往基于圖3(a)平面曲線進(jìn)行講授，學(xué)生無法形成形象認(rèn)識，對JRC的重要性和差異性難以理解，尤其對其力學(xué)特性不能直觀認(rèn)識。

借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將平面式圖像進(jìn)行立體式建模，并通過三維可視化平臺進(jìn)行展示。如圖3(b)，通過進(jìn)行三維空間旋轉(zhuǎn)和結(jié)構(gòu)面表面漫游，幫助學(xué)生認(rèn)識不同JRC結(jié)構(gòu)面；同時(shí)借助3D打印技術(shù)將不同JRC模型實(shí)體化(如圖3c)，通過觀察對比，學(xué)生可以從平面知識面直接了解巖體結(jié)構(gòu)面粗糙起伏的形態(tài)，進(jìn)而加深對該知識點(diǎn)的理解。

(三)巖土工程三維漫游教學(xué)案例

巖土工程專業(yè)本科學(xué)生尚未進(jìn)行地質(zhì)認(rèn)識實(shí)習(xí)，對巖土工程中典型的背景工程，如邊坡、隧道、大壩等缺乏直觀認(rèn)識，僅僅依靠教材或多媒體投映的“平面式”教授方式，學(xué)生難以具體、形象地掌握邊坡、地下等復(fù)雜工程的結(jié)構(gòu)特征。加上巖土工程一線現(xiàn)場又存在安全風(fēng)險(xiǎn)，學(xué)生也無法到現(xiàn)場觀摩學(xué)習(xí)，因此學(xué)生感到課程學(xué)習(xí)難度較大。為此，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，筆者探索了一種將復(fù)雜工程進(jìn)行空間“立體式”展示的教學(xué)模式。

首先進(jìn)行巖土工程類模型的場景建模。模型中既包含“可視”元素，如表面地層、結(jié)構(gòu)等信息，又包含“不可視”元素，如巖體應(yīng)力場、位移場等信息，以直觀、形象、全方位地為學(xué)生提供巖土工程課程教學(xué)數(shù)字化虛擬模型。如圖4(a)所示為建立的虛擬現(xiàn)實(shí)模型。在開展邊坡工程授課時(shí)，可直接基于三維模型進(jìn)行介紹，模型可以實(shí)現(xiàn)實(shí)體查詢、三維漫游和關(guān)鍵知識點(diǎn)展示等功能，學(xué)生能夠身臨其境地學(xué)習(xí)相關(guān)知識，更好地理解學(xué)習(xí)內(nèi)容。圖4(b)為隧道工程模型，學(xué)生同樣可以通過三維漫游在隧道中行走。由于隧道模型基于激光掃描點(diǎn)云構(gòu)建二次，表面均采用實(shí)際照片素材進(jìn)行貼圖，因此能最大限度地還原真實(shí)現(xiàn)場的情況，學(xué)生能夠更加真切地感受地下隧道的復(fù)雜圍巖表面形態(tài)和節(jié)理裂隙分布形態(tài)。

需要指出的是，建立虛擬場景時(shí)，應(yīng)盡可能多地包含現(xiàn)場勘察素材，以及巖體表面貼圖、結(jié)構(gòu)面調(diào)查、結(jié)構(gòu)面鉆孔測試結(jié)果等，使同一虛擬場景包含大量的巖土工程信息，為知識傳授提供更方便的平臺。

(四)教學(xué)效果與評價(jià)

采用虛擬場景和3D打印技術(shù)，可以將教師科研過程中的巖土工程現(xiàn)場素材與教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合，讓學(xué)生掌握最前沿的科研手段和信息，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過3D打印技術(shù)將虛擬場景和數(shù)字模型實(shí)體化，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維，大大增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，對巖土工程課程教學(xué)的順利開展起到了極大的推動(dòng)作用。目前，筆者帶領(lǐng)學(xué)生開展基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，學(xué)生采用建模和打印技術(shù)制備橋梁實(shí)體模型，開展承載力特性研究，為學(xué)生未來的專業(yè)工作或科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

三、結(jié)語

為增強(qiáng)巖土工程課程教學(xué)的趣味性和實(shí)踐性，提升學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，進(jìn)一步提高巖土工程課程教學(xué)和人才培養(yǎng)質(zhì)量，本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)和3D打印技術(shù)，探索空間“立體式”教學(xué)方法，創(chuàng)建巖土工程課程“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)新模式。實(shí)踐表明：采用“虛實(shí)結(jié)合”的巖土工程課程教學(xué)新模式，強(qiáng)化了學(xué)生對復(fù)雜地質(zhì)工程的空間認(rèn)知，提高了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。這種教學(xué)模式還能為學(xué)生創(chuàng)新性試驗(yàn)等活動(dòng)提供平臺，非常有利于學(xué)生專業(yè)綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。