基于VR的《樁基測試技術(shù)》可視化教學(xué)研究

彭曙光

（安徽建筑工業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

基于VR的《樁基測試技術(shù)》可視化教學(xué)研究

彭曙光

（安徽建筑工業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

針對《樁基測試技術(shù)》課程特點，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行教學(xué)方式改革，建立具有交互性、沉浸性和想像力的三維仿真虛擬教學(xué)環(huán)境，解決課程教學(xué)與實踐脫節(jié)的缺陷，提高教學(xué)效果.

樁基測試；可視化；虛擬現(xiàn)實

1 引言

《樁基測試技術(shù)》是勘察工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，通過這門課的教學(xué)，使學(xué)生掌握樁基測試的基本原理、儀器設(shè)備、操作規(guī)程、資料整理及其成果應(yīng)用等方面知識，在此基礎(chǔ)上使學(xué)生對檢測結(jié)果具有一定分析和解決問題的能力，為工程建設(shè)和科學(xué)研究工作打下基礎(chǔ).這門課的特點是實踐性很強，操作起來也很復(fù)雜，而現(xiàn)在的課堂講授限于常規(guī)多媒體教學(xué)方式的局限，很難使學(xué)生理解和掌握，而其中一些檢測設(shè)備比較昂貴，一些院校很難配置，學(xué)生無法動手操作，從而不能達到較好的教學(xué)效果，為改善這種局面，引入新的教學(xué)手段，進行教學(xué)方式的變革，十分必要.

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality,簡稱VR）技術(shù)是一門隨著計算機技術(shù)發(fā)展起來的三維虛擬環(huán)境創(chuàng)建技術(shù)，通過三維建模、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等技術(shù)，在計算機中建立與真實環(huán)境相同或相似的虛擬環(huán)境，使用戶在虛擬環(huán)境中有身臨其境之感，并能與虛擬環(huán)境進行互動，從定性和定量的綜合集成的環(huán)境中獲取感性和理性的認(rèn)識，具有沉浸性、交互性和想像力的特點.現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，在教育方面由于其交互性和生動的表現(xiàn)效果，多用于教學(xué)課件的模擬制作和模擬操作，具有傳統(tǒng)多媒體教學(xué)無可比擬的優(yōu)越性[1].

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在《樁基測試技術(shù)》教學(xué)上的運用

《樁基測試技術(shù)》是一種實踐性很強的課程，包括理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩部分課程內(nèi)容.在理論教學(xué)中，一些樁基測試方法步驟和設(shè)備復(fù)雜，知識點多，用傳統(tǒng)的多媒體如圖片、動畫、視頻很難達到理想的效果；而在實踐教學(xué)環(huán)境，要求學(xué)生動手操作，由于測試設(shè)備昂貴、臺數(shù)少、或者不具備真實的測試條件（如工地有一定的危險性或缺少實習(xí)的基地），實踐環(huán)節(jié)很難全面開展.而引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立高度仿真的虛擬樁基測試平臺，用交互性的三維動態(tài)模型演示樁基測試原理和過程，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，增加了教學(xué)方式的感染力和吸引力，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動性，并且不受教學(xué)次數(shù)的限制.在實習(xí)條件有限的情況下，不需要增加教學(xué)成本，就可極大地改善了教學(xué)的效果.

創(chuàng)建可視化虛擬樁基測試教學(xué)平臺，是開展虛擬化教學(xué)的前提.現(xiàn)在流行的大量成熟的商業(yè)化VR軟件給我們提供了極大的便利.我們根據(jù)樁基測試設(shè)備比較復(fù)雜，互動性水平要求較高的特點，選擇了Virtools軟件.Virtools是一套整合軟件，可以將現(xiàn)有常用的檔案格式整合在一起，如3D的模型、2D圖形或音效等，這樣可以充分利用現(xiàn)有的一些多媒體素材.利用這樣一套具備豐富的互動行為模塊的實時3D環(huán)境虛擬實境編輯能力，可制作出符合需要的虛擬現(xiàn)實樁基測試的教學(xué)平臺[2].平臺創(chuàng)建的流程是：首先根據(jù)教學(xué)內(nèi)容利用三維建模軟件如3Dmax的BB功能模塊實現(xiàn)物體的識別，然后用BB和VSL腳本共同實現(xiàn)測試過程的交互，最后在建立樁基測試的三維模型（包括測試儀器和環(huán)境如基樁、土體、承臺等），再利用Virtools提供Vir-tools編輯環(huán)境中輸出為最終的虛擬教學(xué)平臺系統(tǒng)文件.教學(xué)過程中，我們既可以單獨運行虛擬測試平臺文件，利用鼠標(biāo)或鍵盤進行演示和交互式教學(xué)，也可以將其嵌入到傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)文件如PPT、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的網(wǎng)頁進行教學(xué)[3].

3 基于VR的樁身工作狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變的虛擬測試教學(xué)系統(tǒng)

測量樁基在工作狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變是樁基測試技術(shù)中重要的內(nèi)容之一.實際檢測時，首先要在樁身安裝多個傳感器，包括鋼筋應(yīng)力傳感器、位移傳感器，必要時還需要在樁側(cè)安裝土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器[4]，測試周期一般要持續(xù)很長的時間.而在實際教學(xué)中，由于教學(xué)條件的限制，這些都很難具備.我們可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立三維的虛擬測試環(huán)境和設(shè)備，如圖1所示.虛擬環(huán)境中創(chuàng)建了測試的基樁和安裝好的傳感器（圖2），甚至虛擬荷載、線纜、樁側(cè)和樁端的土體、測試終端（如頻率計）等.教學(xué)時，學(xué)生可以利用鼠標(biāo)或其它控制設(shè)備任意地移動、縮放、旋轉(zhuǎn)模型，從而從多角度、全方位地觀察測試儀器設(shè)備情況，同時可以在虛擬基樁上進行模擬加載，根據(jù)虛擬環(huán)境中各傳感器對加載預(yù)置的行為反應(yīng)，傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)生相應(yīng)的變化，這些會從虛擬的測試終端上顯示出來.

為了充分發(fā)揮虛擬教學(xué)的優(yōu)點，我們將在實際檢測儀器上不能直接顯示的鋼筋應(yīng)力和土壓力（實際的測試終端只能顯示頻率值，要人工計算轉(zhuǎn)換為實際的應(yīng)力、應(yīng)變）在虛擬系統(tǒng)中直接轉(zhuǎn)換為應(yīng)力值和應(yīng)變值，在虛擬終端上顯示出來，并可以通過點擊選擇的方式，縮放虛擬儀器的顯示終端，以觀看儀器的細節(jié)和顯示數(shù)值的變化，以了解虛擬測試的結(jié)果（圖 3）.

圖1

圖2

圖3

4 結(jié)論

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)制作的樁基測試的教學(xué)平臺，解決了這門課程固有的設(shè)備復(fù)雜、昂貴、實習(xí)困難的缺點，改進了學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展，相對于傳統(tǒng)的課堂語言文字講授的方式和普通的多媒體教學(xué)課件輔助教學(xué)方式，具有真實感強、三維互動、啟發(fā)性好，有利于發(fā)揮學(xué)生的主動性，提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率.在我們的教學(xué)實踐中，也很好地證明了這一點.隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，我們可以將其更多地用于各種課程的課堂教學(xué)和實踐教學(xué)中，充分發(fā)揮VR技術(shù)在工程類高等教育方面的教學(xué)優(yōu)勢，具有良好的發(fā)展前景.

〔1〕郭磊，王力.基于VR技術(shù)的《環(huán)境設(shè)施設(shè)計》課程教學(xué)實踐 [J].計算機光盤軟件與應(yīng)用，201（9）：241.

〔2〕劉建軍，路彥鋒.《固體物理》課程虛擬現(xiàn)實可視化教學(xué)的研究與實踐[J].淮北煤碳師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，31（4）：91-93.

〔3〕李國成,黎丹，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用簡述[J].建筑技術(shù)，2006,37(3):209-211.

〔4〕中國建筑科學(xué)研究院.建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范(JGJ 106-2003)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社2003.

〔5〕嚴(yán)鈞,李洪.運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)編制多媒體課件的研究與實踐 [J].高等建筑教育，2008,17(5)147-149.

G642

A

1673-260X（2012）07-0227-02

安徽省高校省級自然科學(xué)基金研究項目(KJ2009A101)