地下工程災害防治虛擬仿真實驗實踐教學模式研究

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2025）21-0115-05

Abstract：Withthecontinuousdevelopmentofundergroundengineeringconstruction，disasterpreventionandcontrolin undergroundengineeringhasbecomeanimportantlinktoensureengineringsafetyHowever，thetraditionalteachingmodeof undergroundengineringhasmanydeficienciesinthepracticalaspectsofdisasterpreventionandcontrol，whichisdiicultto meettheneedsofmodernengineringeducation.Basedonvirtualreality（VR）and3Dmodeling technology，combinedwith numericalcalculationandvirtualsimulationtechnology，thisaperproposesavirtualsimulationexperimentalteachingmodefor disasterpreventionandcontrolinundergroundenginering.Throughtheresearchonthethree-dimensionalvirtualconstruction sceneofndergroundenginering，thevirtualsimulationoftheconstructionprocess，andtheteachingpracticemechanismofthe immersive-interactivevirtualsimulationsystem，thispaperaimstoimprovestudents‘experimentalandpracticalabilitiesndtheir abilities to solve complex engineering problems.

Keywords：undergroundengineeringdisasterprevention;vitualsimulation；3Dmodeling;practicalteaching;virtualreality

地下工程作為土木工程領域的重要組成部分，關系到國家安全與國計民生的諸多關鍵領域，包括川藏鐵路、大瑞鐵路高黎貢山隧道、西部陸海新通道和國家水網等一系列重大工程，這些項目的建設均涉及復雜的地下工程施工與運營，在“干四五\"規劃和“二O三五\"遠景目標建議、“三大工程\"建設決策、城市地下市政基礎設施建設等重要內容中，地下工程建設被賦予了重要的使命和責任，是城市現代化和可持續發展的重要支撐。隨著地下工程建設的規模和復雜程度不斷提高，隨之而來的地質災害與施工安全問題日益突出，給工程建設帶來了嚴峻挑戰。例如施工過程中常見的塌方、突涌水、巖爆等地質災害2-4，以及水害、火災等二次災害，這些災害不僅嚴重威脅著工程建設安全，也給人民生命和社會經濟財產安全帶來巨大威脅。因此，如何有效進行地下工程災害防治，保障工程的安全性與可靠性，已成為當前地下工程建設中的核心問題之一。同時，加強地下工程災害防治的教學，培養能夠解決復雜災害防治難題、具備高水平實踐技能的復合型工程技術人才至關重要[6-7]。

然而，傳統的地下工程教學模式存在明顯不足，尤其在災害防治教學方面，問題尤為突出。傳統教學主要依賴理論講解，雖然學生能夠在課堂中掌握基本的災害機制與防治措施，但受限于現場實踐條件、教學資源、工程安全等多方面因素，學生缺乏實踐操作與工程現場體驗。這種理論與實踐脫節的教學模式使得學生難以對地下工程災害防治過程進行全面理解和深度掌握，影響了工程問題的分析與解決能力[8。為了解決傳統教學的短板，本文提出了地下工程災害防治虛擬仿真實驗實踐教學模式，依托虛擬仿真技術、三維建模技術及數字孿生等先進技術，通過高度還原地下工程施工場景與災害防治過程，搭建集教學、實踐與反饋于一體的虛擬實驗平臺。該模式不僅能夠彌補現場實踐資源的不足，使學生在安全、低成本的虛擬環境中開展施工模擬與災害防治訓練，還能通過交互式操作與任務驅動等教學方法，有效提高學生的工程實踐能力、災害分析能力及復雜工程問題解決能力。這一創新教學模式有望打破傳統理論教學的局限，為培養高水平、創新型地下工程人才提供有力支撐。

一 地下工程三維虛擬施工場景教學模式研究（一）地下工程三維虛擬施工場景教學平臺構建

基于虛擬現實與三維建模技術，構建地下工程三維虛擬施工場景教學平臺是提升地下工程施工教學效果、增強災害防治認知的重要手段[9-。通過三維建模技術，對地下工程施工全過程進行精細化重構，包括地質環境、地下結構、施工設備及操作流程等多要素的高仿真模擬。學生可以通過虛擬現實設備，身臨其境地感受地下工程的施工環境，深入了解災害防治的各個環節。在構建三維虛擬施工場景教學平臺時，通過以下幾個方面的技術實現（圖1）。

圖1地下工程三維虛擬施工場景教學平臺構建思路

第一，三維建模技術：三維建模是構建虛擬場景的基礎環節，利用AutoCAD、3dsMax、Blender等專業三維建模軟件，對地下工程施工的各個關鍵要素進行精準建模，包括地質環境、地層結構、支護體系和施工設備等。通過參數化建模與精細化重構，真實還原地下工程的空間結構與地質特征，提供高精度的三維模型數據。同時，結合GIS（地理信息系統）技術與BIM（建筑信息模型）技術，可實現多維度數據融合，確保場景的真實性和數據準確性，為后續虛擬仿真提供可靠的數據支撐。

第二，虛擬現實技術：虛擬現實技術通過VR設備（如VR頭盔、數據手柄、空間傳感器等）實現對三維施工場景的沉浸式體驗與交互操作。三維模型被導入虛擬現實平臺后，學生可以在虛擬環境中自由移動、觀察和分析地下工程的施工過程及其所處的復雜地質環境。此外，交互功能的引入使得用戶能夠進行點選、拖拽、操作模擬等動態行為，如鉆孔勘測、注漿加固等施工工藝過程，直觀展示各個環節的工作原理及技術要點。通過虛擬現實設備，學生仿佛置身于真實的地下工程施工現場，有效提高學習的沉浸感和理解力。

第三，數據庫技術：數據庫是實現信息管理與資源調用的重要支撐。平臺需建立涵蓋地質災害、水害、火災和塌方等多種災害類型的專業數據庫，存儲與地下工程施工及災害防治相關的豐富數據資源，如圖2所示。并通過與三維虛擬場景相結合，實現數據的實時調用與展示。例如學生可根據需要查詢不同工況下的災害發生機理、處理措施，并在虛擬環境中進行對應的操作與演練。此外，結合物理建模與大數據分析技術，可實現災害模擬與預測，為教學和科研提供更具針對性的支持。

圖2地下工程災害防治相關的數據庫結構

（二）地下工程三維虛擬施工場景教學模式應用

在地下工程三維虛擬施工場景教學平臺構建完成后，其在地下工程災害防治教學中的應用具有顯著優勢。通過結合虛擬現實（VR）技術與工程實踐需求，形成自主學習、課堂教學與實踐教學相融合的多元化教學模式，有效提升教學效果與學生的綜合能力。具體教學模式如下。

第一，自主學習模式：學生可以利用虛擬現實設備，通過進入三維虛擬施工場景教學平臺，在課后開展自主學習。借助自由漫游功能與人機交互操作，學生能夠以沉浸式的體驗深人理解地下工程施工工序、技術要點及災害防治措施，真實感受工程現場的復雜環境。該模式彌補了傳統課程中由于安全風險、工程規模和場地限制導致的現場實踐缺失，幫助學生在虛擬環境中反復操作與驗證理論知識，加深對施工原理和災害防治技術的理解。

第二，課堂教學模式：教師可以充分利用三維虛擬施工場景教學平臺作為輔助教學工具，將復雜的地下工程施工過程和災害機制通過可視化的三維模型直觀展示。教師可以動態演示工程施工過程、地質災害發生與演化的機理，并結合施工案例詳細分析災害成因與防治措施。此外，通過交互式的操作與實時反饋，教師能夠更生動地講解理論知識，幫助學生直觀理解抽象的概念和過程，有效激發學生的學習興趣與課堂參與度，強化教學互動與知識傳授的效果。

第三，實踐教學模式：該平臺可以作為實踐操作的重要載體，幫助學生在虛擬環境中進行深度實踐訓練。教師可以基于工程實際，引導學生開展模擬施工過程、災害防治方案設計及優化等任務。學生通過平臺模擬地質勘察、掌子面支護、滲水處理和塌方治理等具體操作環節，深入了解工程現場決策與操作的全過程。此外，教師還可以設置不同的災害場景與工程難題，通過虛擬仿真讓學生制定應對方案，開展故障診斷與風險評估，鍛煉其工程實踐能力、團隊協作精神及解決復雜工程問題的能力。這種虛擬實踐教學能夠在安全、低成本的前提下，實現“教、學、做”三位一體的深度融合，培養出具備實踐能力與創新思維的復合型工程人才。

（三）地下工程三維虛擬施工場景教學模式效果評估

為了評估地下工程三維虛擬施工場景教學模式的效果，通過以下方式進行。

第一，學生問卷調查：通過向學生發放問卷，了解他們對三維虛擬施工場景教學模式的滿意度和反饋意見。問卷可以包括教學效果、學習興趣、實踐操作難度等方面的內容。

第二，考試成績分析：通過對比傳統教學模式和三維虛擬施工場景教學模式下學生的考試成績，評估教學模式的效果。可以比較不同教學模式下學生的平均分、優秀率等指標。

第三，實踐能力評估：通過實踐任務完成情況、災害防治方案制定質量等方面的評估，了解學生在三維虛擬施工場景教學模式下的實踐能力提升情況

二地下工程災害防治施工過程虛擬仿真教學模式研究

（一）地下工程災害防治施工過程虛擬仿真系統構建

基于數值計算、虛擬仿真以及數字孿生等前沿技術，構建地下工程災害防治施工過程虛擬仿真系統，是實現災害防治教學與實踐的重要工具。系統的核心是通過數值計算實現施工過程的精確模擬，通過虛擬仿真技術將結果可視化，并借助數字孿生技術實現虛實結合與反饋優化，最終形成一個集模擬、分析、反饋于一體的高效教學平臺。具體實現路徑如下（圖3）。

圖3地下工程災害防治施工過程虛擬仿真系統構建思路

第一，數值計算技術：系統采用有限元分析（FEM）離散元分析（DEM）等高精度計算方法，對施工過程中的地下結構受力狀態、變形行為以及應力分布等進行模擬分析，揭示地下工程災害發生的力學機制和動態演變過程。這些數值計算結果為災害防治措施提供了科學依據，并為虛擬仿真提供數據支持。

第二，虛擬仿真技術：將數值計算結果導人三維虛擬仿真平臺，利用精細化建模與實時渲染技術，將施工過程及災害場景以動態三維模型的形式直觀呈現。例如突水突泥、地面沉降、圍巖變形等復雜現象可以在虛擬環境中動態演示，使學生能夠直觀感知災害的發生、發展與防治過程，增強對抽象理論的理解。

第三，數字孿生技術：數字孿生技術進一步將虛擬仿真與實際施工過程深度融合，通過傳感器等數據采集手段實時獲取現場數據，并與虛擬仿真結果進行對比分析與反饋。通過這一技術，系統可以動態發現施工中的隱患與偏差，為災害防治提供預警機制與優化方案（圖4），保障施工安全與教學的實時互動效果。

（二）地下工程災害防治施工過程虛擬仿真教學模式應用

虛擬仿真系統的構建為地下工程災害防治教學提供了多維度的教學模式，包括任務式驅動、環境漫游及多源信息交互式操作，提升了學生的理論學習與實踐應用能力。具體教學模式如下。

第一，任務式驅動教學模式：以問題和任務為核心，教師根據教學目標設計一系列驅動式教學任務，學生需在虛擬仿真平臺中完成模擬施工、災害分析及防治方案的制定。例如系統可設置塌方治理、水害防控、隧道支護等工程任務，通過任務執行，培養學生的工程思維、問題診斷能力與方案實施能力，有效實現理論知識的應用轉化。

第二，環境漫游教學模式：通過虛擬現實技術，教師引導學生進人三維施工環境進行自由漫游與觀摩。學生能夠以第一視角直觀觀察地下施工工況，深入了解災害的發生機制及防治過程。同時，教師可在漫游過程中進行講解與引導，幫助學生結合理論知識分析施工環境中的風險因素和應對策略。

第三，多源信息交互式操作教學模式：充分發揮虛擬仿真的交互性優勢，學生可以通過點選、拖動和參數調整等操作，實時查看施工過程中的受力分布、變形狀態及災害影響。系統還支持多源數據輸入與結果可視化，通過改變工況參數（如支護材料、荷載條件等），直觀對比不同條件下的災害響應。學生之間還可以通過協作交流，共同分析問題并提出解決方案，培養團隊合作精神和創新思維。

（三）地下工程災害防治施工過程虛擬仿真教學模式效果評估

為了保障地下工程災害防治施工過程虛擬仿真教學模式的效果，通過以下方式進行評估。

第一，教學效果評估：通過對比傳統教學模式和虛擬仿真教學模式下學生的教學效果，評估教學模式的效果。可以比較不同教學模式下學生的理解程度、掌握程度等方面的指標。

第二，實踐能力提升評估：通過實踐任務完成情況、災害防治方案制定質量等方面的評估，了解學生在虛擬仿真教學模式下的實踐能力提升情況。可以比較不同教學模式下學生的實踐操作能力、問題解決能力等方面的指標。

圖4地下工程數字孿生教學案例示意圖

第三，學習積極性評估：通過學生的學習興趣、參與度等方面的評估，了解學生在虛擬仿真教學模式下的學習積極性情況。可以比較不同教學模式下學生的學習態度、學習動力等方面的指標。

三沉浸-交互式虛擬仿真系統教學實踐機制（一） 沉浸-交互式虛擬仿真系統構建

基于沉浸-交互式虛擬仿真技術，構建地下工程災害防治沉浸-交互式虛擬仿真系統，是實現地下工程災害防治教學的重要手段。該系統通過虛擬現實技術、三維建模技術等手段，將地下工程的施工過程和災害情況以沉浸式的形式呈現出來，使學生能夠身臨其境地感受和學習。

在構建沉浸-交互式虛擬仿真系統時，需要注重以下幾個方面的技術實現。

第一，虛擬現實技術：利用虛擬現實設備，如VR頭盔、手柄等，將地下工程的施工過程和災害情況以沉浸式的形式呈現出來。學生可以通過虛擬現實設備進入虛擬環境中進行學習和操作。

第二，三維建模技術：利用三維建模軟件對地下工程的地質環境、地下結構等進行精確建模。通過精細的建模和渲染技術，可以真實還原地下工程的施工環境和災害情況。

第三，交互技術：在虛擬環境中設置交互點或交互區域，使學生可以通過點選、拖動等操作與虛擬環境進行交互。同時，還可以設置語音交互、手勢交互等多種交互方式，提高系統的交互性和易用性。

（二） 沉浸-交互式虛擬仿真系統教學實踐機制

在構建完成沉浸-交互式虛擬仿真系統后，可以將其應用于地下工程災害防治的教學中。具體教學實踐機制如下。

第一，課堂講授與虛擬仿真環境自學實踐相結合：在課堂上，教師可以先對地下工程災害防治的基本理論和關鍵知識點進行講解，隨后引導學生進入沉浸-交互式虛擬仿真系統進行自學實踐。通過系統的虛擬環境，學生可以直觀地觀察和理解災害發生的過程、機理及防治措施，將理論知識與實際操作緊密結合。

第二，情境模擬與角色扮演教學：利用沉浸-交互式虛擬仿真系統，設計各種災害情境模擬任務，如地質災害應急處置、水害防控措施實施等。學生可以在虛擬環境中扮演不同的角色，如工程師、救援人員等，根據任務要求進行相應的操作和決策。通過情境模擬和角色扮演，學生能夠在接近真實的工作環境中鍛煉自己的應急反應能力和團隊協作能力。

第三，互動式問答與反饋機制：在虛擬仿真系統中設置互動式問答環節，針對災害防治的關鍵問題和難點，系統可以實時提出問題，要求學生作答。同時，系統還能根據學生的回答提供即時反饋，指出錯誤或給出正確的解答思路。這種互動式問答與反饋機制能夠有效激發學生的學習興趣，幫助他們及時糾正錯誤，加深對知識點的理解和記憶。

第四，團隊協作與項自式學習：在沉浸-交互式虛擬仿真系統中，可以組織學生進行團隊協作與項目式學習。將學生分成若干小組，每個小組負責一個具體的災害防治項目，如設計并實施一套地質災害預警系統。小組成員需要在虛擬環境中共同討論、分工合作，完成項目任務。通過團隊協作與項目式學習，學生不僅能夠提升個人技能和知識水平，還能培養團隊精神和項目管理能力。

（三）沉浸-交互式虛擬仿真系統教學實踐效果評估

為了保障沉浸-交互式虛擬仿真系統教學實踐的效果，采取以下方式進行評估。

第一，技能測試與操作考核：通過設計一系列與地下工程災害防治相關的技能測試和操作考核，評估學生在虛擬仿真系統學習后的技能掌握情況。測試內容可以包括災害識別、防治措施制定、應急處置等方面的技能。

第二，學習滿意度與反饋調查：通過問卷調查等方式，收集學生對沉浸-交互式虛擬仿真系統教學實踐的滿意度和反饋意見。調查內容可以涵蓋系統的易用性、學習效果、學習興趣等方面。

第三，綜合能力評價：結合學生在虛擬仿真系統中的表現，如項目完成情況、團隊協作情況、問題解決能力等，對學生的綜合能力進行評價。通過綜合能力評價，可以全面了解學生在沉浸-交互式虛擬仿真系統教學實踐中的成長和進步。

四結束語

通過構建地下工程災害防治虛擬仿真實驗實踐教學模式，并將沉浸-交互式虛擬仿真系統應用于教學實踐，地下工程教育得到了深度創新與優化。虛擬仿真技術突破了傳統教學的時空限制，通過虛擬現實（VR）數字孿生、三維建模等先進技術手段，實現了災害防治過程的可視化、互動化和沉浸化，為學生提供了一個高度仿真的實驗實踐平臺。在該系統中，學生可以通過模擬真實施工場景，深入理解地下工程災害的力學機制、發生過程與防治技術，彌補現場實踐條件受限的不足。

沉浸-交互式虛擬仿真系統不僅使學生能夠在虛擬環境中進行動態觀摩與自主操作，還通過任務驅動、情境模擬與多源信息交互等多種教學模式，培養了學生的工程實踐能力、應急響應能力與解決復雜工程問題的能力。同時，該系統還通過實時數據反饋與智能互動，幫助學生及時發現問題并優化方案，提升了學習的針對性與實效性。此外，團隊協作與項自式學習的引人，有效鍛煉了學生的團隊協同能力與創新思維，使其具備適應復雜工程環境的綜合素質。

虛擬仿真實驗實踐教學模式的構建與應用，為地下工程災害防治人才培養提供了有力支持。通過理論與實踐的高度融合，虛擬與現實的深度結合，不僅豐富了教學內容和手段，更為培養具備災害防治能力、實踐創新能力與復雜工程問題解決能力的高素質專業人才奠定了堅實基礎。未來，隨著技術的不斷進步與教學方法的持續完善，該模式將在地下工程教育領域發揮更大的作用，助力工程教育向智能化、現代化的方向邁進。

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