基于虛擬仿真技術(shù)的水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)設(shè)計(jì)

摘要：作者以虛擬仿真技術(shù)為依托，以水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，進(jìn)行了水文地質(zhì)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)研究；分析了水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，提出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和規(guī)劃，并以孔隙與水實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)介紹了典型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的構(gòu)建過程，以期能夠借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)，探索水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革的新路徑，促進(jìn)水文地質(zhì)學(xué)教學(xué)信息化的發(fā)展以及實(shí)現(xiàn)線上線下融合式教學(xué)，為水文地質(zhì)學(xué)教學(xué)改革提供更多的途徑。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；水文地質(zhì)學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)設(shè)計(jì)

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

問題的提出

水文地質(zhì)學(xué)是研究地下水的學(xué)科，也是一門實(shí)踐性、綜合性很強(qiáng)的學(xué)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(yīng)用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)中十分重要的組成部分，通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能深入掌握水文地質(zhì)學(xué)的基本原理和方法，強(qiáng)化對地下水的感性認(rèn)識，有利于提高學(xué)生分析和解決問題的能力。然而，目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀是實(shí)驗(yàn)課時偏少、實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊張、實(shí)驗(yàn)室開放性差、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊或設(shè)備落后等，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力普遍偏弱。

在計(jì)算機(jī)技術(shù)和科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天，推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，不斷加強(qiáng)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，是提高高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平的必由之路，也是順應(yīng)現(xiàn)代大學(xué)生成長的新特點(diǎn)、信息化時代教育教學(xué)的新規(guī)律。[1-3]虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)越來越廣泛地被運(yùn)用于高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，它在高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動中具有廣闊的應(yīng)用前景。[4-5]

筆者以虛擬仿真技術(shù)為依托，以水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，進(jìn)行了水文地質(zhì)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)研究，目的在于突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)場地和設(shè)備的限制、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、拓展實(shí)驗(yàn)思路，真正實(shí)現(xiàn)線上線下相結(jié)合的融合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，為水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革創(chuàng)新提供更多的可能途徑。

水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

水文地質(zhì)學(xué)是地質(zhì)類、地質(zhì)工程類等與地下水有關(guān)的專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)課程。近年來，在工程教育專業(yè)認(rèn)證和高等教育課程改革背景下，水文地質(zhì)學(xué)課程教學(xué)計(jì)劃學(xué)時不斷壓縮，由原來的38+10（實(shí)驗(yàn)）壓縮為24+8（實(shí)驗(yàn)）。因此，如何以小課時實(shí)現(xiàn)大容量、高質(zhì)量、高效率的課程目標(biāo)，并且更加注重實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)、思想素質(zhì)培養(yǎng)等問題，是筆者在多年的教學(xué)過程中一直不斷思索的問題。

目前，水文地質(zhì)學(xué)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容主要包括室內(nèi)實(shí)驗(yàn)部分和實(shí)習(xí)部分，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室是提供學(xué)生認(rèn)識概念化、理想化的水文地質(zhì)模型以及掌握小尺度水文地質(zhì)參數(shù)的測定方法的平臺，用來培養(yǎng)學(xué)生掌握基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)知識和實(shí)驗(yàn)方法技能。[6]開設(shè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)有孔隙與水實(shí)驗(yàn)、達(dá)西滲流實(shí)驗(yàn)、砂土中水的毛細(xì)運(yùn)動實(shí)驗(yàn)、潛水和承壓水模擬演示等，規(guī)定的實(shí)驗(yàn)學(xué)時為6～8學(xué)時，面向地質(zhì)工程、勘查技術(shù)與工程、資源勘查工程3個專業(yè)6個自然班的教學(xué)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀：一是實(shí)驗(yàn)室空間小、實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量有限，需要學(xué)生分批分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不能保證每位學(xué)生都能全程參與實(shí)驗(yàn)操作；二是實(shí)驗(yàn)學(xué)時和時長受限，學(xué)生需要在短時間內(nèi)完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，往往匆忙做實(shí)驗(yàn)而缺乏思考和創(chuàng)新；三是實(shí)驗(yàn)室開放性差，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室管理使得面向本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開放性實(shí)驗(yàn)難以全面開展；四是在開展線上課教學(xué)時，依賴于實(shí)驗(yàn)室場所和儀器的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都無法正常進(jìn)行。針對以上問題，筆者提出了水文地質(zhì)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建的方案。

基于虛擬仿真技術(shù)的水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)目標(biāo)

水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)以虛擬仿真技術(shù)為核心，以Web開發(fā)技術(shù)為手段進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)，系統(tǒng)頁面布局采用B/S結(jié)構(gòu)模式，并采用Jquery和JavaScript技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)交互效果。系統(tǒng)將應(yīng)用于水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)和分析評價(jià)過程，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及過程評價(jià)的信息化、智能化。系統(tǒng)開發(fā)的總體目標(biāo)主要有：優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)過程，以便于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建立；利用三維建模技術(shù)、編程技術(shù)和可視化動畫演示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的儀器展示及實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程、操作步驟等全方位演示；利用前端網(wǎng)頁設(shè)計(jì)技術(shù)，構(gòu)建水文地質(zhì)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，增強(qiáng)課堂教學(xué)表現(xiàn)力和教學(xué)效果；指導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，完成線上自主實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容，通過自主學(xué)習(xí)深度理解水文地質(zhì)學(xué)基本概念及基本原理，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)課教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課線上線下相結(jié)合的融合式教學(xué)。

2.系統(tǒng)開發(fā)規(guī)劃和分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)、使用用戶的需求以及達(dá)到的預(yù)期效果，進(jìn)行系統(tǒng)化的分析，確立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能模塊和邏輯架構(gòu)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是基于Web技術(shù)開發(fā)的，系統(tǒng)功能主要由前端和后端兩個功能模塊構(gòu)成。前端是以網(wǎng)頁形式展現(xiàn)的人機(jī)交互界面，是為教師和學(xué)生的使用服務(wù)的，分為登錄界面和系統(tǒng)主界面；后端是基于虛擬仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)庫而建立的系統(tǒng)后臺核心技術(shù)，是為管理人員提供對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和管理的功能。圖1所示是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)導(dǎo)圖，前端功能有用戶登錄、實(shí)驗(yàn)簡介、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)流程、相關(guān)資料下載等，后端主要功能是系統(tǒng)維護(hù)、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(shù)的核心內(nèi)容。

3.實(shí)驗(yàn)優(yōu)化與三維建模——以孔隙與水實(shí)驗(yàn)為例

地下水在巖土空隙中的運(yùn)動是一個復(fù)雜的地學(xué)現(xiàn)象和過程，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)提供的是概念化、理想化的水文地質(zhì)模型以及小尺度水文地質(zhì)參數(shù)的測定方法，要將這一過程和測定方法轉(zhuǎn)化為可視化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，就需要對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)過程做必要的優(yōu)化處理，以便于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建立。水文地質(zhì)學(xué)教學(xué)計(jì)劃中的實(shí)驗(yàn)課項(xiàng)目主要有達(dá)西滲流實(shí)驗(yàn)、孔隙與水實(shí)驗(yàn)、砂土中毛細(xì)水上升高度觀測實(shí)驗(yàn)及潛水和承壓水模擬演示。現(xiàn)以孔隙與水實(shí)驗(yàn)為例，介紹基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)過程。

（1）實(shí)驗(yàn)介紹

孔隙與水實(shí)驗(yàn)是利用給水度儀在實(shí)驗(yàn)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(zhì)參數(shù)是水文地質(zhì)學(xué)課程體系中十分重要的基礎(chǔ)理論，通過實(shí)驗(yàn)可使學(xué)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(shí)驗(yàn)室測定方法。實(shí)驗(yàn)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(xiàn)實(shí)的復(fù)雜與虛擬的簡化，是仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)必須考慮的關(guān)鍵問題。考慮到建模難度及對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度等因素，筆者結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對給水度儀進(jìn)行了儀器改進(jìn)和優(yōu)化處理。例如，將試驗(yàn)臺做凹槽改進(jìn)，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(jìn)出水管及閥門開關(guān)做了改進(jìn)；實(shí)驗(yàn)臺面增加了水箱以便砂樣筒及透水石標(biāo)定（如圖2）；水在砂樣中的滲流運(yùn)動只演示宏觀運(yùn)動現(xiàn)象而不展示微觀跡象；將實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)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(shù)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)是三維模型創(chuàng)建和虛擬動畫設(shè)計(jì)。選擇一款適合的建模軟件至關(guān)重要，鑒于Blender軟件建模與動畫設(shè)計(jì)等方面的便捷操作及開源的屬性，首選Blender為開發(fā)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(zhì)、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(diǎn)是：適應(yīng)多系統(tǒng)，有著跨平臺高兼容性；內(nèi)置Python的BPY工具包，擴(kuò)展性強(qiáng)；開放源碼，拓展性強(qiáng)，包含眾多使用插件；內(nèi)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(zhì)量的作品，能大大加快制作流程；軟件體積小巧，便于分發(fā)。[10]在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)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(jìn)行配合，多軟件協(xié)同創(chuàng)作增加了學(xué)習(xí)成本以及經(jīng)濟(jì)成本，這也是虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)的難點(diǎn)和痛點(diǎn)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(shí)驗(yàn)儀器和改進(jìn)設(shè)想，先將儀器拆分成許多獨(dú)立的元件，以便建立元件模型庫，然后在AutoCAD軟件中進(jìn)行儀器尺寸設(shè)計(jì)，繪制俯視圖、側(cè)視圖及前視圖等，以確定模型的空間尺寸坐標(biāo)，接著利用Blender直接導(dǎo)入CAD圖形，并在此基礎(chǔ)上對實(shí)驗(yàn)儀器及零部元件進(jìn)行布局和創(chuàng)建，最終完成建模。在Blender的Modeling選項(xiàng)卡中可直接進(jìn)行建模，在“編輯模式”下可以進(jìn)行“點(diǎn)線面”的繪制，使用復(fù)制、移動、縮放、旋轉(zhuǎn)、環(huán)切及布爾運(yùn)算等功能構(gòu)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(shí)驗(yàn)具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：①熟悉試樣給水度儀的結(jié)構(gòu)，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(biāo)定儀器透水石的負(fù)壓。這三個方面的仿真動畫開發(fā)實(shí)質(zhì)上包括了結(jié)構(gòu)動畫和工作流程動畫這兩個部分。

給水度儀的結(jié)構(gòu)及工作原理展示就是結(jié)構(gòu)動畫，即通過三維模型以動畫演示的形式全面展示實(shí)驗(yàn)儀器的外觀樣式大小及內(nèi)部構(gòu)造，使學(xué)生全面、細(xì)致地了解實(shí)驗(yàn)儀器的結(jié)構(gòu)及工作原理。孔隙與水實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)動畫制作比較簡單，在三維幾何模型基礎(chǔ)上，利用Blender進(jìn)行貼圖、烘焙和材質(zhì)渲染，構(gòu)建出逼真的三維仿真模型，通過使用旋轉(zhuǎn)、拆分、漫游、組合等多種動畫形式全方位演示實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)。

孔隙與水實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)流程動畫是用動作指令的動畫形式表現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)過程，即如何使用實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)材料，按照一定的順序連續(xù)進(jìn)行操作，最終完成實(shí)驗(yàn)的過程與方法。此部分的關(guān)鍵點(diǎn)是指令化工序一定要明確，因?yàn)樵诎凑展ば蛑R點(diǎn)制作動畫開始后，其動畫內(nèi)容操作不可逆將無法改動，否則就要重新開始制作。實(shí)驗(yàn)流程動畫制作的重點(diǎn)在于創(chuàng)建符合實(shí)驗(yàn)流程的演示效果，首先就是對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行指令化分解，形成可實(shí)現(xiàn)的動畫指令步驟，具體指令化分解過程如圖4所示。

依據(jù)以上動畫流程工序，使用Blender的Animation功能，采用關(guān)鍵幀制作動畫，設(shè)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(jié)束幀以及輸出屬性，通過路徑動畫、旋轉(zhuǎn)、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(dú)立的動畫片段進(jìn)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(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施涉及多個方面，包括需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、編碼開發(fā)、測試與部署等環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)根據(jù)教師團(tuán)隊(duì)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)確定系統(tǒng)的功能需求，初步開發(fā)出原型模型，在學(xué)生中挑選部分學(xué)生對原型模型進(jìn)行使用和反饋，根據(jù)反饋信息最終確定系統(tǒng)的功能、開發(fā)架構(gòu)和界面。

在技術(shù)選型上系統(tǒng)采用了B/S架構(gòu)并采用了前后端分離的開發(fā)方式。B/S架構(gòu)模式簡化了客戶端的操作，又降低了系統(tǒng)運(yùn)維的復(fù)雜度和成本支出，提高了系統(tǒng)安全性。同時，B/S架構(gòu)的集成度高，解決了網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)操作。[12]前端采用Vue實(shí)現(xiàn)，后端使用了Java語言實(shí)現(xiàn)，具體開發(fā)框架包括Redis、Spring、Spring Mvc、Mybatis和Spring Boot等，數(shù)據(jù)存儲采用Mysql數(shù)據(jù)庫。[13-14]實(shí)現(xiàn)了用戶認(rèn)證和權(quán)限管理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程控制、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)展示、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲和分析、實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成等功能。

學(xué)生通過PC端進(jìn)入水文地質(zhì)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，無需任何特殊輔助裝備，利用鼠標(biāo)、鍵盤即可在虛擬場景中完成對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的預(yù)覽、操作及各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的全過程操作；依據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)書的要求，學(xué)生可自主完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)儀器預(yù)覽與認(rèn)識、實(shí)驗(yàn)過程預(yù)覽及實(shí)驗(yàn)操作等，并按照任務(wù)書要求完成實(shí)驗(yàn)操作及問題解答。

結(jié)論與思考

水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)是一個多學(xué)科、多軟件、多手段交叉融合的系統(tǒng)工程，虛擬仿真技術(shù)是核心，Web開發(fā)技術(shù)是手段，系統(tǒng)頁面布局采用B/S結(jié)構(gòu)模式，并采用Jquery和JavaScript技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)交互效果。仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)，使得在時間、空間上受限的單一室內(nèi)實(shí)驗(yàn)向與現(xiàn)代信息技術(shù)深度融合的人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變，使得驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，并集成各種資源與技術(shù)，探索了水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革的新路徑，促進(jìn)了水文地質(zhì)學(xué)教學(xué)信息化的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了線上線下融合式教學(xué)，為水文地質(zhì)學(xué)教學(xué)改革提供了更多的途徑。

參考文獻(xiàn)：

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