虚拟现实与数值模拟相结合的教学平台建设

体会与实际感知，最后才有可能与教师之间展开深度讨论与质疑。具体的互动机制如图3所示。

（四）课堂教学的实施模式

教学过程中摆脱了教师单一讲解的模式，课堂主要时间用于学生建模、计算模拟、实际感知。教学过程主要包括3大模块：（1）学生自己动手设计、建模与模拟；（2）学生与数值模拟和虚拟现实系统之间的互动，如图4所示；（3）学生与教师之间的互动。

在虚拟实验中，学生可以通过鼠标或各种交互设备去控制深部岩体岩层裂缝发生及运动的演示过程，同时在三维沉浸式环境中可以靠近虚拟环境中的岩层和流水，任意放大、拉伸岩层结构，可以近距离观察岩层缝隙、水流的情况。结合学校开发的基于OpenGL数据的分析可视化软件实现多通道的主被动立体显示。系统可实时获取基于OpenGL应用程序的渲染数据，实现对岩层模型的三维展示、虚拟交互漫游、动画编辑和播放功能。

同时，由于融入了井巷模型的数值模拟结果，学生可以一边改变岩体的卸荷开挖、边界条件，一边观察结果，并均可以进入岩层的内部进行观察。例如：学生可以进入岩层内部，从不同角度了解整个巷道围岩的应力集中、产生损伤及失稳破裂的情况，如图5、图6。

二、教学效果及评价分析

经过教学实践，初步达到了如下效果。

（1）学生可以体验到高分辨率的可视化深部井巷模型和在井巷中可能发生的灾害。

（2）学生自己动手建立井巷模型的力学模型，增强了学生对现场工程物理力学本质的认识。

（3）与模块的互动情况良好，并认识到必须在一起讨论状况和导致的结果，根据实际状况确定正确的操作流程。

（4）学生在安全轻松的虚拟环境中接受培训，培养起对深部井巷灾害预兆、灾害发生、灾后逃生的判断意识，培养对危险源识别的能力。

（5）到课程结束时，学生可以熟悉深部井巷环境，通过与场景的互动，建立基本的指示，学生开始积累深部井巷安全操作经验和在真实井巷环境处理实际问题的能力。

（6）教师在操作一个模块时，学生也可根据操作手册来进行同步操作，经过实际建模以及虚拟感知，学生与任课教师之间的互动讨论更为深入。

通过该教学平台，学生完全熟悉了深部井巷工程的实际环境，特别是遇到安全问题，学生可根据实际情况和选择项作决定。到达场景中一个决策点，选项呈现给学生，如果出现一个正确的决定，结果将呈现给学生；反之，如果选择了不正确的选项，由当前的这个错误决定带来的后果也将呈现给学生（后果的严重程度可以根据问题的严重程度和实际情况进行制定），并教会学生如何处理这样的后果。

综上所述，虚拟现实技术和数值模拟技术存在有利的结合点，教学平台的设计十分方便。在实践教学中，充分发挥虚拟现实技术和数值模拟技术在实践教学中的地位，挖掘虚拟现实和数值模拟技术各自的优势，两者相互补充、相互促进。精心组织实践教学，既可以加强学生基本功的训练，又能让学生掌握现代科学技术知识，可收到良好的实践教学效果。教学实践后，学生普遍反映：“该教学课程内容全、形式新，实验过程中独立思考的问题较多，动手的机会大大增加，收获极大。”经过这次综合实验的锻炼，学生在课程设计中能有条不紊地进行，设计进度明显加快，教师指导时也感到轻松。学生一般都能自己查资料、设计模型、模拟计算方案和感知场景分析，积极性大幅度提高，课堂气氛也十分活跃。实践证明，该教学平台可以锻炼学生对实际工程与设计的正规操作技能，培养其综合分析问题和解决问题的能力，从而提高了教学质量，深化了实验教学改革。该技术平台可以推广至其他行业教学，培训学习场景的主角可以是培训师、一线职工、学生或学员。

三、结语

虚拟现实技术和模拟计算技术日益普及，笔者提出把基于虚拟现实和数值模拟技术的软、硬件平台应用于岩土工程专业的教学，并鼓励学生自发设计模型进行数值模拟分析，实现对工程实例、实验模型和理论模型的精细数值表征，并将数值模拟结果融入虚拟现实系统之中，最终通过虚拟现实技术实现对工程实例表观现象和内部物理特征的感知。

教学实践表明，基于虚拟现实与数值模拟的教学平台，激发了学生的学习兴趣，提高了实验教学的质量，充分启发了学生的创造性思维，缓解了学时和实验室资源有限等矛盾，也使无法使用各种大型实验设备的学生对现代化的分析技术有了较为形象的感官认识和了解。虽然该手段不能完全取代现场实习与观测，却是对传统教学方式的一种有效补充与完善。

参考文献：

[1]周钱祥， 姜柿忠， 姜国华. 虚拟现实技术的研究现状与进展[J]. 计算机仿真， 2003， 7（7）： 1-4.

[2]唐春安，王述红.岩石破裂过程数值试验[M].北京： 科学出版社， 2003.

[3]赵自豪. 虚拟现实技术在采矿工程课程体系教学中的应用[J].中国科教创新导刊， 2011 （1）： 182-184.

[4]刘晓艳， 林珲， 张宏. 虚拟城市建设原理与方法[M].北京：科学出版社， 2003.

[5]汤众.复杂空间认知研究中的虚拟现实技术应用[J].实验室研究与探索， 2007， 26（9）： 9-11.

[6]王海根， 杨友东， 刘福庆.组合夹具虚拟设计实验与教学应用研究[J].现代教育技术， 2010， 20（10）： 141-144.

[7]庄惠阳.助力导游专业实训的虚拟现实系统[J].现代教育技术， 2013， 23（7）： 117-120.

[8]商翔宇，郑秀忠，梁恒昌.土力学本科教学有限元仿真软件的开发与应用[J].高等建筑教育，2014，23（2）：136-139.

[9]张永彬， 唐春安， 张怀， 等.岩石破裂过程分析系统中的应力并行求解[J].岩石力学与工程学报， 2006， 25 （3）： 479-483.

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