三維可視化技術在工程地質教學中的應用及效果評價

杜明亮++吳彬

摘要：工程地質教學中的重點與難點之一是地質體的空間重構與分析，而這正是三維可視化技術的強項。針對以往教學中平面圖無法充分地展示地質體的三維特征及三維空間分析的問題，基于地質學基本理論，結合三維建模技術，建立滿足于教學實際需求的三維模型，并將該模型應用于教學中的地質基本概念、工程勘察、地質體空間分析計算、圖件繪制等方面。通過不記名問卷調查的反饋結果，表明教學效果較好，對工程地質課程中相關知識的學習及相關技能的提升具有較大的幫助。

關鍵詞：工程地質；教學；三維可視化

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）37-0200-04

三維可視化技術是目前科技發(fā)展的代表性產物，是各行各業(yè)爭先發(fā)展的核心競爭手段。該技術目前已廣泛應用于實踐中，并取得了大量的應用成果。但在教學中的應用目前還沒有得到普及，只要少量地應用于醫(yī)學類[1-2]、地礦類[3-5]、水利工程類[6-7]等的教學當中。

工程地質是工程類專業(yè)的專業(yè)基礎必修課，重要性不言而喻。以往教學中涉及三維地質體及空間分析時，往往采用實物模型或者二維圖件輔助教學，但是實物模型比較笨重并且無法查看內部地質結構；二維圖件能夠反映各類地質現(xiàn)象，但空間立體感較差，尤其對于初學專業(yè)課程的學生來說，理解難度較大。三維可視化技術可以很好地解決上述的問題，而且通過實踐證明具有明顯的教學效果，同時也為相關類課程提供了一種有效的教學手段。

一、三維可視化技術在教學應用中的意義

（一）工程地質課程教學中二維設計的某些不足

工程地質課程的傳統(tǒng)教學模式中，所有地質體的表達基本都采用二維形式，而空間中的各類地質體是以三維形式存在的，這就需要教師通過一定的方法將二維轉化為三維形式，尤其對于復雜地質體而言，教師花費的時間和精力較多，但是相對較少的課堂教學時間無法很好地完成教學任務，最終造成教學效果不太理想。

（二）利用三維地質可視化模型進行相關的計算分析

以往，我們只能通過二維圖來說明三維空間的地質問題，比如塊體空間關系、地質構造的交切關系、溶洞和脈體的空間展布等，常常要結合平面圖、剖面圖和平切圖一起來表現(xiàn)。三維地質可視化模型是這樣一個平臺，提供多種實時分析工具，能夠隨時獲取任意位置的地質剖面圖或平切圖，還可以是任意位置的三維剖切模型。模型三維空間分析功能不僅改進了傳統(tǒng)表現(xiàn)方式的實現(xiàn)途徑，比如生成地質曲面等值線更加直觀，而且彌補了傳統(tǒng)方法的不足，比如方量計算由剖面近似法轉變?yōu)橹苯忧笕S模型的體積。

（三）培養(yǎng)學生與時俱進的工作技能

三維協(xié)同設計目前已是各個設計單位的基本工作流程，大大提高了工作效率，也避免了以往工作中容易產生的人為錯誤。而目前大部分高校對三維設計講授的普及率還不高，這就造成了學生工作后需要重新學習該項技能，增加了用人單位的人才培養(yǎng)成本。因此將三維可視化技術應用在教學中，不僅對工程地質課程有所幫助，同樣對提升學生的工作技能、適應社會的需求、促進就業(yè)等方面都具有明顯的積極作用。

二、三維可視化技術在教學中的應用

（一）地質圖的綜合閱讀

地質圖是工程地質勘察的主要成果之一，在工程實踐中占有非常重要的作用。目前在生產實踐中使用的地質圖主要都是二維圖件，而地質體是三維的概念，因此學生在剛開始接觸地質圖件時，較難在腦海中將二維圖轉化為空間三維模型，以往都是通過不斷地講授、訓練以達到目的，往往需要耗費較長的時間，而且教學效果也不太明顯。而借助三維可視化模型，這種現(xiàn)象可以得到大大的改善。

平面地質圖的閱讀是工程地質課程講授中較為重要的章節(jié)，地質圖反映的各類地質條件較多而且比較復雜，主要包括：地形地貌、地層巖性、地質構造、物理地質現(xiàn)象、勘探等。教學過程中首先介紹二維圖件的讀圖方法，并將各類地質條件進行分解并逐一講解，讓學生在腦海中有一個大概的空間形象，再結合三維可視化模型，讓學生有直觀的視覺感受，之后再返回二維地質圖的講解，使學生在腦海中建立二維平面到三維的空間轉換的概念，最終完成地質圖的閱讀。三維可視化教學過程見圖1。

（二）各類方量計算

各類土石方量的計算是工程地質勘察的主要內容，也是工程地質教學中的重點之一。目前計算方量的方法有算術平均法、平行斷面法和三角形法等。以上三種方法都是一種近似的方法，與實際的方量或多或少會有些許差異，而且由于計算方法復雜，學生往往理解起來較為困難，教學效果不理想。而三維計算技術的發(fā)展，為準確地計算方量提供了技術的可行性。三維模型計算方量時是把三維實體劃分為有限個立方體，通過計算每個立方體的體積再求和，即可得到地質體的體積，網格劃分得越密計算的結果也就越準確。因此只要建立了三維模型，就可以任意切割三維實體，并計算該實體的具體方量。具體如下圖所示：

（三）各類地質圖件的繪制

以往各類工程地質圖件繪制的教學過程中，往往需要花費較多的課堂時間，尤其是對于地質條件較為復雜的區(qū)域，花費的時間更多，而且學生理解起來也較為困難。而通過三模型可以快速地繪制常見的幾類工程地質圖件，而且不會產生人為的錯誤，大大地提高了工作的效率，這也是建立三維模型的重要目的之一。例如，剖面圖是工程地質中最重要的二維圖件之一。通過剖面圖可以掌握地面以下地質體的分布情況及其規(guī)律，通過三維模型，可以快速地繪制任意的剖面，而且不會產生剖面相交時交點對不上的錯誤，大大地提高了工作效率，如圖3所示：

平切圖一般作為地基質量評價的重要圖件，尤其是對建基面的評價具有至關重要的作用。通過三維模型可以快速地繪制出任意高程的平切圖件，而且可以任意地添加需要的地質信息，如圖4所示：

三、教學效果評價

（一）基本情況

參加本次三維地質可視化教學應用的班級主要為新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院農水111、農水122、水管122，共計114人，全數(shù)來自大學二年級，對三維地質可視化大部分學生都沒有接觸過，只有部分學生有過簡單的接觸或者聽說過。經詳細統(tǒng)計，73%的學生從未接觸過三維地質可視化模型，對該方面的知識完全空白；27%的學生對三維地質可視化模型有過簡單的接觸，或者有一定的概念，但不熟悉；沒有一個學生有過三維地質建模的經歷。具體如下圖所示：endprint

（二）效果評價

通過問卷調查86%的學生認為本次案例庫授課對自己的專業(yè)知識是有幫助的，14%的學生認為幫助一般或者沒有幫助。這表明了大部分同學都認同本次三維地質案例庫教學發(fā)揮的作用。

有54%的學生認為通過案例庫教學對某些地質問題的分析認識更深了，30%的學生認為對地質平面圖的認識更深了，16%的學生認為對地質概念認識更深了。總之，作為《工程地質》課程教學過程中的一種輔助手段，三維地質可視化教學發(fā)揮了應有的作用，在今后的教學過程中應繼續(xù)發(fā)揮案例庫的優(yōu)勢，促進學生更好地掌握工程地質相關知識。

四、存在的不足及建議

（一）存在的不足

三維可視化教學雖然效果比較顯著，但在教學過程中也發(fā)現(xiàn)了部分問題，具體如下：

1.需進一步將三維可視化模型與工程地質教學相關知識點聯(lián)結。由于時間以及資料有限，還有部分地質現(xiàn)象沒有完全反映在可視化模型當中，例如水文地質條件等，這需要在今后的教學中不斷完善。

2.學生缺少三維可視化實踐經驗。雖然三維可視化的視覺感官比較強烈，便于學生理解，但是具體模型的建立是個比較系統(tǒng)、復雜的工程，學生如果只是在課堂上聽老師的講解而不能親自操作建模，這對工程地質相關的知識還是不能夠完全理解透徹。

3.教學模式需相應地進行調整。如果只是通過傳統(tǒng)教學模式講授三維可視化模型，學生完全是被動接受，雖然開始階段興趣較大，但是隨著教學難度、深度加大，學生往往會失去興趣。這就需要增加新的教學手段，例如翻轉課堂，讓學生在課后通過上機實際操作，然后課堂上對相關知識點進行講解，這樣會大大提高教學效率。

（二）建議

為有效解決工程地質教學中的難點問題，并不斷更新和提高學生的知識技能，高效高質地培養(yǎng)符合時代需求的大學畢業(yè)生，同時也為了日后更好地完成工程地質課程的教學，為教師提供新的教學手段，為學生提供新的學習方法，特有以下幾點建議：

1.繼續(xù)完善三維可視化模型。為了將三維可視化模型與工程地質課程教學更好地結合起來，還需進一步完善模型，盡可能將更多的知識點與三維可視化模型相結合，起到事半功倍的效果。

2.增加與三維可視化教學相配套的教學方法。三維可視化教學具有可視化強、難度高、知識點多、實踐經驗強等特點。正是由于這些特點決定了傳統(tǒng)教學方法不能很好地服務于教學，因此建議將一些新興的教學手段應用于課堂中，例如翻轉課堂等，這需要教師在教學的過程中不斷完善與三維可視化教學相適應的教學方法。

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