基于虛擬仿真技術的水文地質學實驗課教學設計

摘要：作者以虛擬仿真技術為依托，以水文地質學實驗教學項目為基礎，進行了水文地質學虛擬仿真實驗教學系統的開發研究；分析了水文地質學實驗教學現狀，提出了虛擬仿真實驗系統的設計思路和規劃，并以孔隙與水實驗為例，詳細介紹了典型虛擬仿真實驗項目的構建過程，以期能夠借助虛擬仿真實驗項目開發，探索水文地質學實驗課教學改革的新路徑，促進水文地質學教學信息化的發展以及實現線上線下融合式教學，為水文地質學教學改革提供更多的途徑。

關鍵詞：虛擬仿真技術；水文地質學；實驗教學；教學設計

中圖分類號：G434" 文獻標識碼：A" 論文編號：1674-2117（2024）06-0100-05

問題的提出

水文地質學是研究地下水的學科，也是一門實踐性、綜合性很強的學科，其基本概念和原理容易理解而不容易深入掌握和靈活應用。實驗教學是水文地質學基礎課程實踐環節中十分重要的組成部分，通過實驗使學生能深入掌握水文地質學的基本原理和方法，強化對地下水的感性認識，有利于提高學生分析和解決問題的能力。然而，目前大多數實驗教學的現狀是實驗課時偏少、實驗設備緊張、實驗室開放性差、實驗內容陳舊或設備落后等，導致學生的學習興趣不高，實踐能力和創新思維能力普遍偏弱。

在計算機技術和科學技術快速發展的今天，推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學優質資源建設與應用，是提高高等教育實驗教學質量和實踐育人水平的必由之路，也是順應現代大學生成長的新特點、信息化時代教育教學的新規律。[1-3]虛擬實驗技術越來越廣泛地被運用于高校的實驗教學，它在高校的實驗教學活動中具有廣闊的應用前景。[4-5]

筆者以虛擬仿真技術為依托，以水文地質學實驗教學項目為基礎，進行了水文地質學虛擬仿真實驗教學系統的開發研究，目的在于突破實驗教學場地和設備的限制、創新實驗內容、拓展實驗思路，真正實現線上線下相結合的融合式實驗教學，以提高學生實踐能力和創新精神，為水文地質學實驗課教學改革創新提供更多的可能途徑。

水文地質學實驗教學現狀

水文地質學是地質類、地質工程類等與地下水有關的專業的一門重要的基礎課程。近年來，在工程教育專業認證和高等教育課程改革背景下，水文地質學課程教學計劃學時不斷壓縮，由原來的38+10（實驗）壓縮為24+8（實驗）。因此，如何以小課時實現大容量、高質量、高效率的課程目標，并且更加注重實踐與創新能力培養、思想素質培養等問題，是筆者在多年的教學過程中一直不斷思索的問題。

目前，水文地質學實踐教學內容主要包括室內實驗部分和實習部分，室內實驗室是提供學生認識概念化、理想化的水文地質模型以及掌握小尺度水文地質參數的測定方法的平臺，用來培養學生掌握基礎實驗知識和實驗方法技能。[6]開設的基礎實驗有孔隙與水實驗、達西滲流實驗、砂土中水的毛細運動實驗、潛水和承壓水模擬演示等，規定的實驗學時為6～8學時，面向地質工程、勘查技術與工程、資源勘查工程3個專業6個自然班的教學。室內實驗教學的現狀：一是實驗室空間小、實驗儀器數量有限，需要學生分批分組進行實驗，不能保證每位學生都能全程參與實驗操作；二是實驗學時和時長受限，學生需要在短時間內完成規定的實驗任務，往往匆忙做實驗而缺乏思考和創新；三是實驗室開放性差，傳統的實驗室管理使得面向本科生實驗教學的開放性實驗難以全面開展；四是在開展線上課教學時，依賴于實驗室場所和儀器的實驗內容都無法正常進行。針對以上問題，筆者提出了水文地質學虛擬仿真實驗系統構建的方案。

基于虛擬仿真技術的水文地質學實驗教學系統的設計

1.設計目標

水文地質學實驗教學系統開發以虛擬仿真技術為核心，以Web開發技術為手段進行系統研發，系統頁面布局采用B/S結構模式，并采用Jquery和JavaScript技術實現虛擬實驗交互效果。系統將應用于水文地質學實驗課的教學和分析評價過程，實現實驗教學及過程評價的信息化、智能化。系統開發的總體目標主要有：優化實驗項目和實驗過程，以便于虛擬仿真實驗項目的建立；利用三維建模技術、編程技術和可視化動畫演示技術，實現實驗項目的儀器展示及實驗原理、實驗過程、操作步驟等全方位演示；利用前端網頁設計技術，構建水文地質學虛擬仿真實驗系統，完成實驗教學過程，增強課堂教學表現力和教學效果；指導學生自主學習，完成線上自主實驗課的內容，通過自主學習深度理解水文地質學基本概念及基本原理，強化實驗課教學效果，實現實驗課線上線下相結合的融合式教學。

2.系統開發規劃和分析

根據實驗教學系統設計目標、使用用戶的需求以及達到的預期效果，進行系統化的分析，確立實驗系統的功能模塊和邏輯架構。

虛擬仿真實驗系統是基于Web技術開發的，系統功能主要由前端和后端兩個功能模塊構成。前端是以網頁形式展現的人機交互界面，是為教師和學生的使用服務的，分為登錄界面和系統主界面；后端是基于虛擬仿真技術、數據庫而建立的系統后臺核心技術，是為管理人員提供對系統進行維護和管理的功能。圖1所示是虛擬仿真實驗系統功能結構導圖，前端功能有用戶登錄、實驗簡介、實驗項目、實驗流程、相關資料下載等，后端主要功能是系統維護、課程管理、成績管理，其中課程管理包含了三維建模和虛擬仿真技術的核心內容。

3.實驗優化與三維建模——以孔隙與水實驗為例

地下水在巖土空隙中的運動是一個復雜的地學現象和過程，室內實驗提供的是概念化、理想化的水文地質模型以及小尺度水文地質參數的測定方法，要將這一過程和測定方法轉化為可視化的虛擬仿真實驗，就需要對實驗內容、實驗儀器、實驗過程做必要的優化處理，以便于虛擬仿真實驗的建立。水文地質學教學計劃中的實驗課項目主要有達西滲流實驗、孔隙與水實驗、砂土中毛細水上升高度觀測實驗及潛水和承壓水模擬演示。現以孔隙與水實驗為例，介紹基于虛擬仿真技術的實驗系統開發過程。

（1）實驗介紹

孔隙與水實驗是利用給水度儀在實驗室通過觀測水在砂柱中緩慢滲流，使砂柱飽和從而測定砂樣的孔隙度、給水度和持水度的方法。孔隙度是表征巖土體中孔隙多少的量；給水度和持水度是表征地下水位下降時，巖土體在重力作用下釋出和滯留水分的能力。巖土空隙是地下水賦存的場所和流動的通道，空隙的大小、多少、連通程度及其空間分布情況，都會影響其儲容、滯留、釋出及傳輸水分的能力。這些水文地質參數是水文地質學課程體系中十分重要的基礎理論，通過實驗可使學生深入理解松散巖土的孔隙度、給水度和持水度的基本概念，熟練掌握實驗室測定方法。實驗儀器主要有給水度儀（砂樣筒、透水石、底部漏斗、滴定管A、滴定管B、鏈接軟管、支架等）、秒表、量筒、量杯等。[7-8]

但是現實的復雜與虛擬的簡化，是仿真實驗設計必須考慮的關鍵問題。考慮到建模難度及對實驗結果的影響程度等因素，筆者結合實驗教學經驗，對給水度儀進行了儀器改進和優化處理。例如，將試驗臺做凹槽改進，以方便上下移動滴定管不受阻；簡化了砂樣筒與軟管連接裝置；進出水管及閥門開關做了改進；實驗臺面增加了水箱以便砂樣筒及透水石標定（如圖2）；水在砂樣中的滲流運動只演示宏觀運動現象而不展示微觀跡象；將實驗流程進行指令化分解，形成一系列流程步驟等。

（2）三維建模工具和技術

虛擬仿真實驗構建的關鍵技術是三維模型創建和虛擬動畫設計。選擇一款適合的建模軟件至關重要，鑒于Blender軟件建模與動畫設計等方面的便捷操作及開源的屬性，首選Blender為開發主要軟件，以AutoCAD軟件為輔助。

Blender是一款開源的三維建模和動畫制作軟件，提供從建模、動畫、材質、渲染，到后期處理等一系列動畫短片制作解決方案。[9]Blender的特點是：適應多系統，有著跨平臺高兼容性；內置Python的BPY工具包，擴展性強；開放源碼，拓展性強，包含眾多使用插件；內置的Eevee渲染器，只需極少的硬件及時間資源即可渲染出高質量的作品，能大大加快制作流程；軟件體積小巧，便于分發。[10]在虛擬仿真實驗建設的整個過程中需要建模、渲染、動畫制作、后期處理等多種軟件進行配合，多軟件協同創作增加了學習成本以及經濟成本，這也是虛擬實驗開發的難點和痛點問題。Blender提供的功能正好可以綜合解決以上問題。[11]

依照原實驗儀器和改進設想，先將儀器拆分成許多獨立的元件，以便建立元件模型庫，然后在AutoCAD軟件中進行儀器尺寸設計，繪制俯視圖、側視圖及前視圖等，以確定模型的空間尺寸坐標，接著利用Blender直接導入CAD圖形，并在此基礎上對實驗儀器及零部元件進行布局和創建，最終完成建模。在Blender的Modeling選項卡中可直接進行建模，在“編輯模式”下可以進行“點線面”的繪制，使用復制、移動、縮放、旋轉、環切及布爾運算等功能構建給水度儀的三維仿真模型（如下頁圖3），并建立給水度儀的元件模型庫。

（3）虛擬動畫制作

孔隙與水實驗具體的實驗內容：①熟悉試樣給水度儀的結構，了解儀器的工作原理；②測定試樣的孔隙度、給水度和持水度；③了解透水石的原理與作用，標定儀器透水石的負壓。這三個方面的仿真動畫開發實質上包括了結構動畫和工作流程動畫這兩個部分。

給水度儀的結構及工作原理展示就是結構動畫，即通過三維模型以動畫演示的形式全面展示實驗儀器的外觀樣式大小及內部構造，使學生全面、細致地了解實驗儀器的結構及工作原理。孔隙與水實驗結構動畫制作比較簡單，在三維幾何模型基礎上，利用Blender進行貼圖、烘焙和材質渲染，構建出逼真的三維仿真模型，通過使用旋轉、拆分、漫游、組合等多種動畫形式全方位演示實驗儀器結構。

孔隙與水實驗的實驗流程動畫是用動作指令的動畫形式表現出實驗過程，即如何使用實驗儀器和實驗材料，按照一定的順序連續進行操作，最終完成實驗的過程與方法。此部分的關鍵點是指令化工序一定要明確，因為在按照工序知識點制作動畫開始后，其動畫內容操作不可逆將無法改動，否則就要重新開始制作。實驗流程動畫制作的重點在于創建符合實驗流程的演示效果，首先就是對實驗過程進行指令化分解，形成可實現的動畫指令步驟，具體指令化分解過程如圖4所示。

依據以上動畫流程工序，使用Blender的Animation功能，采用關鍵幀制作動畫，設置幀率為30fps，視頻分辨率為SVGA800×600，在時間軸窗口中輸入開始和結束幀以及輸出屬性，通過路徑動畫、旋轉、縮放、視窗動畫等功能渲染動畫，即可完成一個動作指令動畫。然后，利用視頻編輯軟件將一個個獨立的動畫片段進行編輯、剪輯、配音等后期制作，合成為完整的動畫視頻。

4.系統的設計和實施

系統的設計和實施涉及多個方面，包括需求分析、架構設計、界面設計、數據庫設計、編碼開發、測試與部署等環節。本系統根據教師團隊多年的教學經驗確定系統的功能需求，初步開發出原型模型，在學生中挑選部分學生對原型模型進行使用和反饋，根據反饋信息最終確定系統的功能、開發架構和界面。

在技術選型上系統采用了B/S架構并采用了前后端分離的開發方式。B/S架構模式簡化了客戶端的操作，又降低了系統運維的復雜度和成本支出，提高了系統安全性。同時，B/S架構的集成度高，解決了網絡資源分散、難以管理的問題。用戶只要安裝有瀏覽器即可隨時進行實驗教學和實驗操作。[12]前端采用Vue實現，后端使用了Java語言實現，具體開發框架包括Redis、Spring、Spring Mvc、Mybatis和Spring Boot等，數據存儲采用Mysql數據庫。[13-14]實現了用戶認證和權限管理、實驗設計、實驗過程控制、實驗數據展示、實驗數據存儲和分析、實驗報告生成等功能。

學生通過PC端進入水文地質學虛擬仿真實驗系統，無需任何特殊輔助裝備，利用鼠標、鍵盤即可在虛擬場景中完成對實驗設備的預覽、操作及各項實驗任務的全過程操作；依據實驗任務書的要求，學生可自主完成實驗任務預習、實驗儀器預覽與認識、實驗過程預覽及實驗操作等，并按照任務書要求完成實驗操作及問題解答。

結論與思考

水文地質學實驗教學系統開發是一個多學科、多軟件、多手段交叉融合的系統工程，虛擬仿真技術是核心，Web開發技術是手段，系統頁面布局采用B/S結構模式，并采用Jquery和JavaScript技術實現虛擬實驗交互效果。仿真實驗的實現，使得在時間、空間上受限的單一室內實驗向與現代信息技術深度融合的人機交互實驗轉變，使得驗證性實驗轉向創新性實驗，并集成各種資源與技術，探索了水文地質學實驗課教學改革的新路徑，促進了水文地質學教學信息化的發展，實現了線上線下融合式教學，為水文地質學教學改革提供了更多的途徑。

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