體素建模在工程地質虛擬仿真教學中的應用研究

馬清文 焦珂 蘭歌

摘? 要：體素模型在表示物體表面特征的同時能夠反映其內(nèi)部各屬性的非均質性，將體素建模運用于工程地質虛擬仿真教學系統(tǒng)，在一定程度上提高了模型的精度及操作自由度。依托于體素模型所建立的虛擬仿真平臺，可以向學生更好地展示實際地質模型。以崩滑災害防治學習與體驗虛擬仿真平臺為例，開展一定范圍內(nèi)的小班實驗教學。從課堂氛圍、學生自我評價、知識掌握程度3個方面對教學效果進行分析說明，進而闡述虛擬仿真系統(tǒng)對于工程地質教學的影響及需要改進之處。實驗教學結果表明：虛擬仿真系統(tǒng)項目有助于學生對相關概念的理解記憶。

關鍵詞：體素建模? 虛擬仿真平臺? 崩滑災害學習? 對照實驗? 教學實踐

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）06（a）-0140-06

Research on the Application of Voxel Modeling in the Teaching of Engineering Geology Virtual Simulation

MA Qingwen? JIAO Ke? LAN Ge

（School of Water Conservancy and Environment， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan Province， 450001 China）

Abstract： The voxel model can reflect the heterogeneity of its internal properties while expressing the surface characteristics of the object. When the voxel modeling is applied to the engineering geology virtual simulation teaching system， it improves the accuracy of the model and the freedom of operation to a certain extent. The virtual simulation platform based on the voxel model can better show the actual geological model to students. Take the virtual simulation platform of collapse and landslide disaster prevention as an example， and carry out small class experimental teaching within a certain range. The teaching effect is analyzed and explained from the three aspects ： classroom atmosphere， student self-evaluation and knowledge mastery. Then the influence of the virtual simulation system on engineering geology teaching and the disadvantages are explained. Experimental teaching results show that the virtual simulation system project helps students understand and memorize related concepts.

Key Words： Voxel modeling; Virtual simulation platform; Learning of collapse disaster; Control experiment; Teaching practice

工程地質作為研究人類工程活動與地質環(huán)境之間關系的一門學科，是土木工程類專業(yè)的學生必須學習的一門專業(yè)基礎課。目前高校一般在第2至第4學期之間開設工程地質這門課程。在這個階段，學生一般剛剛接觸專業(yè)知識，對于工程方面的內(nèi)容了解較少，缺乏實踐經(jīng)驗，有很大的知識空白亟需填補。同時，由于教學方案的改革，課時縮短至30個學時，其中課堂講授26個學時，野外實踐4個學時[1]。由于該課程具有高度濃縮、實踐性強的特點，導致學生在學習的過程中仍然存在很多問題。

第一，課本概念抽象模糊，學生可能難以理解。第二，工程地質這門課程需要掌握的知識點內(nèi)容紛繁復雜且跨度廣，同時前幾個章節(jié)之間聯(lián)系交叉較少，很難發(fā)生知識的遷移運用。此外，每個章節(jié)中知識點復雜，需要歸納整合背誦記憶的內(nèi)容較多。第三，工程地質是一門實踐性較強的課程，一般高校會在課程臨近結束的時候安排野外實習，由專業(yè)教師帶隊辨認基本礦物、褶皺斷層等地貌以加深學生對所學知識的理解記憶。2020年受疫情影響，大多學校暫停了野外實習計劃，同時野外地質實習也往往受周邊地形的限制。

為了提高教學質量，楊光、張志堅等提出“學生自主探究與合作完成知識學習”的PBL教學模式[2];羅容等強調(diào)“突出教學重點，在保證理論教學的同時加強實驗教學環(huán)節(jié)”[3];張軍認為可以通過“合理分配教學學時數(shù)”來提高教學質量[4]。先前對工程地質課程教改的探討多以教師和學生為中心，缺乏對內(nèi)容的進一步開發(fā)處理和精細化的加工。基于以上狀況，本文提出引入虛擬仿真平臺教學系統(tǒng)，對書本知識進行精細化加工，將文字知識轉化為圖像信息，將視頻觀看學習野外實景轉換為自主探索仿真野外地質環(huán)境，通過這樣的方式從根本上提高知識的趣味性，降低學習難度。祁志武等就曾提出建設地質標本虛擬仿真學習平臺，為師生打造良好的學習環(huán)境[5]。

1? 體素建模的運用

1.1 體素建模在實際地質模型中的運用

地質體在自然過程中由于自然演化等作用，通常多為不連續(xù)、不規(guī)則的空間實體。采用傳統(tǒng)的基于面元的分析方法無法對地質體的空間形態(tài)進行具體、有效的表達。而采用體素模型不僅可以描述模型的表面信息，還能描述模型的內(nèi)部屬性。體素模型是根據(jù)一定的地質形態(tài)，按照實際工作需要和實體尺寸來將三維空間體分割為一系列規(guī)則的立方體，進而把空間連續(xù)的模型離散化。體素構造在幾何形狀定義方面具有精確、嚴格的特點，同時又因為其基本定義單位是體和面，而具有數(shù)據(jù)結構簡單的優(yōu)點。以安徽銅陵鳳凰山銅礦三維地質模型的構建為例，通過分析線框模型和體素模型下的模型結果來體現(xiàn)體素建模的優(yōu)缺點。

線框模型的構建重點在于輪廓線的確定。輪廓線的圈定通常需要依據(jù)勘探線形成單個剖面。再根據(jù)該礦山內(nèi)部不同地層的分布情況勾勒礦體界限，從而形成完整的剖面圖。但是由于線框模型不具有建模對象的表面信息[6]，不能夠展現(xiàn)一個完整的三維實體，因此還需要基于線框模型構建表面模型。用最短對角線的方法來構建已經(jīng)形成的輪廓線之間的片面[7]。據(jù)此，可以初步形成該礦山的線框模型，鳳凰山礦田地層線框模型如圖1所示。

體素模型的構建重點則在于分辨率的確定。首先，要確定塊體模型包含的范圍。然后，設定模型體素化的分辨率，在鳳凰山的體素模型中，根據(jù)地質經(jīng)驗將模型分割成50×50×50。之后的操作主要包含兩部分，對模型表面的體素化和對模型內(nèi)部的體素化。在這里，利用Datamine軟件內(nèi)嵌算法自動生成對應的體素模型[7]。鳳凰山礦田地層D3w塊體模型如圖2所示。

上述基于線框模型和體素模型的構建在三維地質模型的構造中表現(xiàn)出不同的特點。線框模型更側重于輪廓的勾勒、面與面之間的交互，其用于構圖的圖素是點、線、圓弧等，不能精確地表達地質體的內(nèi)部屬性。線框模型所含的數(shù)據(jù)量較少，數(shù)據(jù)結構和處理算法也簡單易懂。而體素模型側重于模型精度的劃分及內(nèi)部形態(tài)的構建。通過體素建模賦予礦山模型中各單元體不同的屬性，能夠控制地質內(nèi)部屬性結構的精確表達，從而表現(xiàn)不同的地質地層情況，實現(xiàn)了該礦山不同地質體情況在同一空間的表達。但是，體素模型不能建立完整的邊界信息，而且處理算法也比較復雜，數(shù)據(jù)占用存儲空間過大。現(xiàn)有相關軟件的開發(fā)已經(jīng)很大程度上解決了體素建模處理算法復雜的缺點。并隨著現(xiàn)代計算機計算能力的提升，數(shù)據(jù)占用存儲空間的問題也在不斷得到解決。

目前，體素建模主要應用在工業(yè)機械制造業(yè)和三維游戲方面，而在地形環(huán)境可視化方面應用還不廣泛，這與其上述分析的占用存儲空間過大這一缺點有關。結合實際調(diào)研情況，若對該模型展開進一步的分析，在地質模型中推廣應用，充分發(fā)揮體素建模的優(yōu)勢，這有利于后續(xù)研究人員對地質體內(nèi)部屬性的研究，實現(xiàn)虛擬地理環(huán)境由“面模型”到“體模型”的轉化。

1.2 體素建模在虛擬仿真平臺中的應用

虛擬仿真實驗教學是信息技術與專業(yè)實驗教學的深度融合，是高等教育信息化建設的重要內(nèi)容，也是未來實驗教學改進和發(fā)展的方向[8]。目前，國家級地質類虛擬仿真平臺教學項目共有20個，涉及地震、野外地質模擬、晶體形態(tài)分析、崩滑災害防治等多個領域。虛擬仿真實驗教學相較于傳統(tǒng)實驗教學具有成本低、安全性高、效果好、效率高的特點，可以讓學生更清晰地學習地質災害機理、觀察地質情況，避免了傳統(tǒng)教學儀器設備昂貴、安全責任大、仿真性差的缺點，進而真正地實現(xiàn)綠色、安全、高效[9]。

在虛擬仿真平臺的建設與發(fā)展過程中，對模型的研究成為仿真活動所關心的主要問題之一，具體指如何確定模型的結構與參數(shù)及基于智能技術的復雜系統(tǒng)建模的方法研究等。對于工程地質虛擬仿真實驗教學，引入高精度的體素地質模型對于仿真系統(tǒng)的建設有著至關重要的作用，數(shù)據(jù)越多，在涉及范圍內(nèi)分布越均勻，越具有代表性，模型精度就越高[10]。因此，如何將更多面的數(shù)據(jù)納入模型的建立中、如何提高模型的精度是地質三維建模一直在探索的重要問題。通過分析體素建模在地質模型中的應用，可以通過調(diào)節(jié)體素單元的大小來改變模型的精度，利用體素的單一屬性來表示非均勻地質體。同時，隨著計算機硬件、軟件的發(fā)展及大數(shù)據(jù)的普及運用，可以通過各種方式導入儲存海量數(shù)據(jù)，從而使得體素網(wǎng)格粒度不斷縮小，三維地質模型精準度不斷提高。

當高精度的體素建模在虛擬仿真平臺中得到推廣應用時，學生不僅可以在虛擬仿真教學過程中從表面觀察崩塌、斷層、褶皺等地質現(xiàn)象，還可以對其進行動態(tài)操作，觀察內(nèi)部特征。相比于傳統(tǒng)的建模方式，體素建模從細節(jié)上完善了相關地質模型的仿真，使得當下的虛擬仿真系統(tǒng)具有更高的操作度，極大程度上豐富了課程內(nèi)容。

2? 基于虛擬仿真實驗的教學改革

2.1 研究對象與方法

崩滑現(xiàn)場不確定因素多，危險系數(shù)高，學生難以進行實地考察學習，而課本上的描述又較為抽象。崩滑災害防治學習與體驗虛擬仿真實驗平臺將虛擬與現(xiàn)實結合，通過線上實驗或者VR模擬向學生展示山體崩滑的形成和演化過程，讓學生認識崩滑災害，學習防治措施。將該虛擬仿真平臺項目引入課程中，從該課程中抽取4～6個課時安排上機演練。上課前，學生完成預習任務，了解崩滑的定義概念、常用防治措施;上課時，教師帶領學生利用該平臺分析崩滑時落石的走向、防治措施的原理、勘查中鉆機設計及操作要點等;課后，學生可以根據(jù)操作指引進行自主學習，及時鞏固課堂知識，具體內(nèi)容如圖3所示。

為探究虛擬仿真系統(tǒng)在實際教學中的效益，開展小班實驗教學，共有40名本科學生參與本次課程。隨機將所有參與者分為A組和B組，每組20人，兩組學生在前期工程地質理論考核成績方面無統(tǒng)計學差異。其中實驗組A組課堂引入崩滑災害防治學習與體驗虛擬仿真系統(tǒng)：首先由教師帶領觀看崩滑時山體周圍的現(xiàn)象、演示野外勘察鉆探的使用，之后由學生自主重復上述過程。對照組B組學生采用傳統(tǒng)授課方式：本章節(jié)內(nèi)容及重要知識點由教師整理歸納后經(jīng)多媒體展示給學生。完成教學過程后，兩組學生接受統(tǒng)一的課后測驗，通過測驗考查學生對于崩滑的特征及防治手段等基礎性知識的掌握。

在課堂結束后給學生發(fā)放調(diào)查問卷，問卷采取無記名形式，共回收問卷40份，有效問卷40份。結合測驗成績和問卷結果，從課堂氛圍、學生自我評價及知識掌握程度3個角度分析教學效果。

2.2 結果

在上述實驗教學完成后向參與者發(fā)放問卷，通過分析問卷結果探討虛擬仿真系統(tǒng)的教學效果。根據(jù)實驗教學結果顯示，引入虛擬仿真系統(tǒng)能夠在一定程度上提高學生課堂參與度。如圖4所示，實驗組中有90.47%的學生能夠在課堂上集中注意力，85.72%的學生積極參與課堂回應教師所提出的問題，而對照組僅有47.62%的學生能夠將注意力保持在課堂上，76.19%的學生回應教師的問題。由此可見，在教改后的課堂上，虛擬仿真系統(tǒng)軟件的引入在極大程度上激發(fā)了學生的主觀能動性，引導學生進行探索式學習，有利于提高其課堂參與度從而提高學習效率。其次，虛擬仿真系統(tǒng)還原了真實情況下的崩滑場景，與實際結合密切，加深了學生對于該章節(jié)內(nèi)容的理解。如圖5所示，相比于對照組B組有42.86%的學生不能夠完全理解教師課堂所講內(nèi)容，實驗組A組僅有9.52%的學生理解困難。

最后比較兩組課堂測驗的成績，利用SPSS處理數(shù)據(jù)，進行t檢驗。經(jīng)過教學，實驗組的測驗成績高于對照組，而且差異具有統(tǒng)計學意義（P<0.05），見表1。虛擬仿真教學系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)能夠幫助學生理解學習一些關于工程地質的基本概念。

2.3 教學改革效果分析

虛擬仿真系統(tǒng)的引入激發(fā)了學生的學習興趣，活躍了課堂氛圍。首先，相較于傳統(tǒng)課堂模式，上機課程對于學生是一種全新的體驗，在這種情形下，學生會保持著較高的積極性和強烈的好奇心，有利于后續(xù)教學內(nèi)容的開展。其次，虛擬仿真系統(tǒng)給予了學生一定的操作自由度，學生可以在系統(tǒng)內(nèi)依據(jù)自己的想法探索三維地質體模型，更具創(chuàng)造性和自由度的操作引導學生不斷深入學習。

利用虛擬仿真系統(tǒng)，學生對于專業(yè)知識的掌握更加透徹。在傳統(tǒng)課堂上，教師發(fā)揮主體作用將知識點進行歸類整合，但學生往往是被動地接受知識，活躍性較低。課程結束后，學生對于課堂上的內(nèi)容基本理解到位，但是A組學生的測驗成績要優(yōu)于B組，對知識點掌握的實際情況更好，說明該組學生對于課堂上所講授的內(nèi)容理解更加充分、記憶深刻。本次教學改革實驗表明，引入礦物虛擬仿真實驗平臺項目能夠在一定程度上提高學生對于崩滑災害的認識，解決了傳統(tǒng)課堂“表述抽象，圖片單薄”的問題，增強了課本理論知識與實踐的聯(lián)系。

當涉及到滑坡、泥石流、地震等地質災害的內(nèi)容時，在傳統(tǒng)課堂上，教師通過播放現(xiàn)場視頻或者展示圖片來使課堂內(nèi)容更加具體形象，但這樣的講解受資料內(nèi)容局限性較大，符合課堂主題的視頻案例不夠全面。而虛擬仿真教學系統(tǒng)能夠有效解決這一問題，教師可以結合實際課堂內(nèi)容，開發(fā)建立相應的教學系統(tǒng)，并有針對性地展開講解。

體素模型在虛擬仿真教學系統(tǒng)中發(fā)揮其最大優(yōu)勢，以體素為單元構建山體，一方面，能夠更清晰地展示崩滑后山體的切面、滾落巖石的形體;另一方面，學生選擇不同鉆探位置可以得到不同的地層分布情況，具有更高的自主模擬性。但與此同時，國內(nèi)虛擬仿真平臺開設較早，仍然存在一些問題：該領域的仿真模型有限，該項改革只能結合課程中部分章節(jié)的內(nèi)容展開，有待進一步的開發(fā)建設;仍需進一步開發(fā)新的算法與建模體系來不斷提高模型的精準度。

3? 結語

在這個高度數(shù)字化的時代，模擬技術應用也越來越廣泛。本文首次從體素模型的角度探究虛擬仿真教學系統(tǒng)的實踐效果。體素建模在三維仿真模型的建立過程中發(fā)揮其獨有優(yōu)勢，使得地質模型的精度和可操作性都有了大幅度的提高。同時，將虛擬仿真系統(tǒng)教學項目引入工程地質的課程中，一方面，使得原本模糊復雜的概念具體化、清晰化;另一方面，也豐富了學生的實踐內(nèi)容，推動了課程建設的發(fā)展與完善。

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