沉浸式邊坡工程虛擬仿真實驗項目構建探討

吳曙光 王桂林

摘要：巖土類專業課程實踐性較強，以實際邊坡治理工程為基礎素材，從學生視角出發，設計11項實驗任務，采用游戲軟件常用鼠標鍵操作方法，在野外現實場地仿真系統引導提示下進行交互式自主綜合實驗學習。通過選擇不同位置和角度，觀察辨識場地穩定性、邊（滑）坡地表及其地下特征要素。根據地表變形破壞特征推斷主滑方向，自主設計布置剖面線及勘察鉆孔，繪制鉆孔柱狀圖、剖面圖及視傾角圖。通過對各種工況下邊坡穩定性及剩余下滑力進行計算，模擬分析抗滑樁及截水溝布置，加強學生對邊坡工程勘察和穩定性分析及設計過程的認知與理解。工程地質等課程引入實驗項目后，通過形象逼真的場景和震撼的效果，激發學生的學習興趣，實現巖土類系列課程之間的教學活動關聯，加強理論教學與實踐相結合，有效促進學生對知識點的理解，并增強了實踐動手能力。

關鍵詞：沉浸式;邊坡工程;虛擬仿真實驗;教學改革

中圖分類號：TU4 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2021）06-0054-07

隨著科技日益的發展，傳統課堂教學模式已不能滿足學生獲取知識的需要，一定程度限制了學生思維的開拓創新，不利于發揮他們的主觀能動性[1]。工程地質、土力學、基礎工程、邊坡工程等巖土類課程是土木工程專業核心課程，具有很強的應用性和實踐性。由于在校生對實際工程知識應用的能力不足，往往對實際工程概念和設計計算方法理解較為困難。在傳統教學中，巖土類課程具有內容連貫性差、實踐性強、經驗公式多等特點，同時系列課程之間較為獨立且關聯度不夠，學生對知識了解的系統性弱，都要求巖土類系列課程加強串聯型實踐教學[2]。

科學探究既是學生的學習目標，又是重要的教學方式之一。科學探究的流程包括提出問題、問題假設、制訂計劃、觀察實驗制作、搜集整理信息、思考與結論、表達與交流等。探究型學習可以極大程度地激發和培養學生善于思考以及解決問題的興趣，實現知識的意義建構。關于巖土工程問題，傳統真實性探究實驗往往因場所、材料等原因無法開展，而虛擬實驗中實驗裝置與環境具有虛擬性，能夠打破現實實驗的局限性，根據教師教學目的進行靈活的調整以及開放性搭配，得到了廣大教育工作者的持續關注[3]。以邊坡治理工程為基礎素材，從學生視角出發，設計各項實驗任務，采用游戲軟件常用鼠標鍵操作方法，在野外現實場地仿真系統引導提示下進行交互式的自主綜合實驗學習。通過選擇不同的位置和角度開展沉浸式體驗，觀察辨識場地穩定性、邊坡地表及其地下特征要素，根據地表變形破壞特征推斷主滑方向，自主設計布置剖面線及勘察鉆孔，繪制鉆孔柱狀圖、剖面圖及視傾角圖，通過對各種工況下的邊坡穩定性情況及剩余下滑力進行計算，模擬分析抗滑樁及截水溝布置，增強學生對邊坡工程的勘察及穩定性分析的能力，加深對設計過程的認知和理解。

一、 沉浸式虛擬現實技術

虛擬現實技術（Virtual Reality Techndogy，VR），是以計算機為核心的綜合集成技術，涉及3D圖形技術、多媒體技術、仿真技術、傳感技術、立體顯示等高新技術[4]。虛擬現實技術目前主要有4種類型，分別是桌面式、分布式、沉浸式和增強式[5]。其中，沉浸式虛擬現實技術，將用戶的視覺、聽覺、觸覺等“封裝”起來，完全沉浸在虛擬情境中，從而達到學習目的。根據情境認知理論，認為個體心理常常產生于構成、指導和支持認知過程的環境中，認知過程的本質是由情境決定的，情境是一切認知活動的基礎[6]。知識學習被放在特定的情境中時，學生能夠形成豐富的情感體驗，充分發揮主觀能動性，在交流討論的過程中，進行有意義的知識建構，將新的知識與經驗內化到認知結構中，最終實現有意義的學習。情境認知理論十分重視真實情境的創設，教師應當建立蘊含豐富學習資源的場景，滿足學生智力情感需求，使學生主動體驗，主動學習知識。

二、 邊坡工程虛擬仿真實驗項目構建

（一） 技術參數及基本功能設計

用戶硬件配置要求（如主頻、內存、顯存、存儲容量等）。

（1）計算機硬件配置要求，CPU： intel Core i5-5200以上，主頻2.2 GHz以上，內存4 g以上，顯存2 G，硬盤100 G以上，顯卡 Intel Graphics 5500 以上。

（2）其他計算機終端硬件配置要求，CPU： intel Core i5-5200以上，主頻2.2 GHz以上，內存4 g以上，顯存2 G，硬盤100 G以上，顯卡 Intel Graphics 5500 以上。

客戶端到服務器的帶寬要求：推薦上下行速率>1 Mbps，帶寬>100 M。用戶操作系統windows7 以上即可。

基本功能設計如下：

（1）采用B/S架構開發，保證平臺靈活、便捷、易交互;

（2）模擬真實實驗中用到的器材和設備，提供真實實驗體驗環境，學生既可體驗真實實驗效果，又可觀看在真實實驗條件下仿真實驗現象和結果模擬;

（4）軟件系統為管理員、教師、學生和校外人員等對象提供使用，多視角體驗三維仿真環境，可自主流暢操作;

（5）管理員主要職能及權限：包括可增刪改查班級，班級包括、班號、學院、專業信息，可增刪教師、學生和校外人員信息;

（6）系統登錄設置：教師可用教師編號，學生可用學生編號，作為用戶登錄賬號;

（7）教師常用功能及權限：人員增刪、作業查詢、成績統計分析、內容統計分析。

人員增刪：學生、校外人員增刪查改;作業查詢：支持條件過濾，查看學生，校外人員所有在做和已完成的實驗，列表呈現學生簡明信息和實驗信息，查看或下載每一條已完成實驗、結果和參考答案;成績統計分析：支持下載和導出總成績分布圖和各步驟成績分布（柱狀圖、餅狀圖），可通過點擊相應柱狀獲得該條件下的學生及成績對應信息。

（二）知識模塊劃分及實驗步驟設計

巖土類課程工程實踐性強，如何在教學過程中結合工程實例進行課堂教學，使學生在學習課程的同時，深入了解巖土工程設計的基本原理，能夠運用所學相關知識解決工程建設中實際問題成為判定教學成功與否的關鍵。

巖土類系列課程的教學目的和側重點不同，但又相互聯系，形成從基礎到專業、從簡單到復雜的有機整體，以保證學生不斷提高知識水平，達到培養學生綜合實踐能力的目的。由于傳統教學巖土工程的內容連貫性差、經驗公式多且知識點復雜，在進行虛擬仿真實驗項目設計時，采取以典型工程實例為主線，圍繞主線逐步展開，并進行不同知識模塊的劃分，從而使重難點在圍繞主線的發展過程中凸顯出來。遵循理論教學與實踐教學的規律，根據實際工程對各門課程理論與實踐的要求，優化整合理論教學體系，結合邊坡工程典型實例，分解各門課程相關知識模塊，使工程地質、土力學、巖石力學、基礎工程、邊坡工程等課程中看似分散無序的內容變得系統、連續和協調，有助于加強學生對知識體系的把握。

該項目涉及巖土類課程的知識點主要有：工程地質課程中的滑坡要素、工程地質勘察（含巖性描述、繪制勘察圖件、視傾角計算等）、巖石力學課程中的巖石物理力學性能指標、土力學課程中的邊坡穩定性分析、基礎工程、邊坡工程中邊坡支擋結構設計施工（含剩余下滑推力計算、樁間距確定、施工風險、截水溝布置等）等，結合完整的邊坡治理過程，將上述不同專業課程知識點串聯成一個完整體系。

開展新實驗，需為用戶創建一個實驗數據倉，包括開始時間和結束時間等信息;繼續未完成的實驗，系統會記錄并保存用戶數據，便于下一次實驗，并記錄最后的保存時間;已完成的實驗可查看實驗結果，實驗成績和參考答案。具體實驗步驟如下：

第一步：前期學習。實驗操作前，學生對于實驗目的、實驗預備知識、實驗內容、實驗步驟、考核要求等內容進行先行學習，復習與滑坡工程相關的理論知識，為開展實驗打下基礎。

第二步：登錄網址，注冊相關賬號信息，涉及學生學號以及密碼等。

第三步：選擇開始實驗，了解相應的操作說明，包括視角的移動、模型的放大縮小、模型的旋轉、模型的平移、第一人稱或第三人稱的選擇、全屏模式開關等。

第四步：標識滑坡要素。根據界面顯示的提示信息，明確本步驟的主要內容以及相關事項。通過移動視野和平移旋轉模型，按提示順序依次點擊標識出剪切裂縫位置、滑坡鼓丘位置、滑坡周界位置、滑坡體位置以及滑坡后壁位置。

第五步：標識主滑方向。根據提示，在滑坡牽引變形區域內標識出滑坡主滑方向。滑坡主滑方向在平面圖中進行標識，用藍色箭頭表示，箭頭的方向為滑坡主滑方向。

第六步：標識勘探線。根據提示，首先點選小旗來作為勘探線的起點，然后在平面圖中任意點擊一點以確定勘探線的終點。平面圖中有三枚小旗，共需布置三條勘探線。

第七步：布置勘察孔。將視圖調為三維視圖，移動視野，在標識勘探線的基礎之上，布置勘察孔，勘察孔應布置在勘探線上。

第八步：完善鉆孔柱狀圖。根據提示，明確本步驟的注意事項以及主要的內容。首先根據提示信息依次點擊鉆進、取芯、擺芯，觀看鉆機相關動畫并記錄當前鉆孔鉆進的深度（共需循環三次）。然后進行巖芯的編錄，輸入孔深、標高、厚度、選擇對應巖層的巖性花紋以及相關的地質描述。

第九步：繪制地質剖面圖。根據所給的鉆孔，選擇三個在一條直線上的勘察孔，繪制地質剖面圖，在地質剖面圖上標識出地形以及地層分界線，同時填寫視傾角計算結果。

第十步：實驗項目及參數確定。根據出現的十個實驗項目，選擇與之對應的物理力學性質指標。

第十一步：確定治理標準。根據提示信息，移動視野或旋轉縮放模型，在場景中找到村主任并根據村主任所給出的地災信息，查閱相關規范，確定地質災害防治工程等級。

第十二步：穩定性及剩余下滑推力計算。首先在沿土巖界面滑動的邊坡穩定性及剩余下滑力計算條塊劃分簡圖中選擇正確的條塊劃分，之后根據所給的條塊信息，計算滑坡穩定性系數以及剩余下滑推力。同理，按照相同的步驟，計算邊坡穩定性系數以及剩余下滑力。

第十三步：布置抗滑樁。根據提示信息，選擇布樁距離以及樁型布置抗滑樁，同時完成相應抗滑樁的習題，以加深對抗滑樁的認識。

第十四步：抗滑樁施工。根據提示信息，移動視野或旋轉縮放模型，找到抗滑樁施工的位置，觀看抗滑樁的施工過程動畫，同時明確在每一個施工過程中的可能出現的風險，并選擇相應的管理辦法。

第十五步：截排水施工。移動視野或旋轉縮放模型，在場景中所給的三種不同的截排水施工位置，選擇正確的截排水施工區域。

第十六步：提交實驗結果，生成實驗報告。

（三）考核方法和考核標準

完成各項實驗任務后，提交實驗報告，本實驗將對實驗操作進行記錄，并對每一步實驗任務嘗試次數及實驗結果的合理性進行評分。如通過場地穩定性、滑坡的要素辨識結果;主滑方向、剖面線及勘察鉆孔自主設計布置情況;鉆孔柱狀圖、剖面圖繪制及視傾角計算準確性;抗滑樁樁型、樁間距選擇;模擬分析人工挖孔樁施工風險及截水溝布置等試驗結果的合理性進行評分。

三、邊坡工程虛擬仿真實驗項目應用

工程地質、土力學、邊坡工程等課程引入本實驗項目后，以形象逼真的場景和震撼的實驗效果，激發了學生的學習興趣，使學生在野外現實邊坡場地再現的情況下，更好地理解邊坡對工程建設的影響，自覺加強對現行邊坡工程及地質災害的勘察、設計、施工規范的學習，以增強山地區域的防災減災意識，虛擬仿真實驗項目具體內容如圖1（1-11）所示。

（1）辨識場地穩定性

（2）標識滑坡要素

（3）布置勘探線及鉆孔

（4）繪制鉆孔柱狀圖

（5）繪制工程地質剖面圖

（6）確定治理工程試驗項目及參數

（7）確定治理標準

（8）計算穩定性系數及滑坡推力

（9）抗滑樁選型及布置

（10）認識抗滑樁風險

（11）布置排水溝

在實驗過程中，系統除了進行必要的提示，應充分發揮學生自主動手能力，允許“試錯”。學生完成每步工作提交后，進行系統方案評估，給出分數和評分標準，便于學生改正錯誤，如圖2所示。

五、 結語

軟件引導下的沉浸式、交互式自主實驗，強化了學生對于邊坡災變及邊坡治理的勘察設計施工的綜合認識，通過標識滑坡要素、布置勘察鉆孔、繪制鉆孔柱狀圖、繪制工程地質剖面、選擇勘察實驗項目及參數確定治理標準、計算穩定性系數及滑坡推力、抗滑樁選型及布置、抗滑樁施工順序、樁孔人工挖孔施工、截水溝布置等系列操作，增強了學生對邊坡工程的系統性認識。虛擬仿真實驗教學的項目建設和教學實踐，實現理論與實踐相結合，運用演示模擬等現代教學技術，形成了多樣化教學手段特色，使教學內容從抽象走向具體，為學生提供了一個開放的學習環境，營造主動學習的實踐氛圍，并把學習的主動權交給學生，從而有效提高教學效果。

參考文獻：

[1]王靦.基于VR展示與交互的教學系統設計與實現[D].上海交通大學，2013.

[2]吳曙光，王桂林，胡岱文.基于完整工程案例的“巖土類”系列課程實踐教學改革與實踐[J].中國建設教育，2017（5）：11-14.

[3]張莉，路虹劍.沉浸式虛擬現實技術在科學教學中的應用研究[J].計算機教育，2019（12）：11-15.

[4]李鳴華.人工智能及其教育應用[M].北京：科學出版社， 2008.

[5]胡小強.虛擬現實技術[M].北京：北京郵電大學出版社， 2005.

[6]王文靜：2-3基于情境認知與學習的教學模式研究[D].上海：華東師范大學， 2002.

Abstract： Geotechnical courses are highly practical. Based on the actual slope treatment engineering and from the perspective of students， 11 experimental tasks are designed. The mouse key operation method commonly used in game software is adopted to conduct interactive independent comprehensive experimental learning under the guidance and prompts of the field simulation system. By selecting a different position and angle to observe and identify site stability， surface and subsurface characteristics of the slope （landslip）， according to the characteristics of surface deformation to infer the main direction of sliding， independently designing section line and the survey borehole， drawing borehole histogram， section， and calculating the apparent dip， calculating slope stability and remaining sliding force under various working conditions， simulating and analyzing the arrangement of anti-slide piles and drainage ditch， to enhance students’ cognition and understanding of slope engineering investigation， stability analysis and design process. After the introduction of engineering geology， soil mechanics， slope engineering and other courses in experimental project， the vivid and realistic scenes and shocking effects have attracted and stimulated students’ interest in learning. At the same time， the teaching activity correlation and course interconnection of geotechnical series courses have been realized， and the combination of theoretical teaching and practice has been strengthened.

Key words： immersive; slope engineering; virtual simulation experiment; teaching reform

（責任編輯 崔守奎）

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