土力學虛擬仿真實驗模塊的開發(fā)與建設

陳劍為 田君華 陳曦 儀萍 陳立宏 周長東

摘要：隨著信息化技術的快速發(fā)展，虛擬仿真技術在許多領域得到了應用。傳統(tǒng)的土木工程實驗教學受時間和空間、人力和物力等方面限制，教學效果受到影響。在實驗教學過程中結合使用虛擬仿真技術則能夠有效解決教學中的問題。以北京交通大學土木工程虛擬仿真實驗室的建設為例，采用公司開發(fā)和學生自主研發(fā)相結合的方式，實現土力學虛擬仿真實驗模塊的系統(tǒng)化建設。在土力學教學中，采用虛實相結合的方式，可有效彌補真實土力學實驗的各種局限，提高土木工程實驗教學質量和效果。

關鍵詞：土木工程;土力學;實驗教學;虛擬仿真;虛實結合

中圖分類號：G642423;TU43文獻標志碼：A文章編號：1005-2909（2018）06-0155-06

虛擬仿真技術是借助計算機生成虛擬系統(tǒng)來模仿另一個真實物理系統(tǒng)的技術，該技術具有沉浸性、交互性、虛幻性等基本特性。根據所依賴的硬件條件，虛擬仿真技術又可分為PC端虛擬仿真技術和具有可穿戴設備的虛擬現實（VR）技術。虛擬仿真技術通過對數據實現可視化和多維表達、智能化分析模型、真實模擬環(huán)境特性、提供多種交互，手段已日臻完善，并在不同領域得到了不同程度的應用，如道路橋梁、建筑工程、油田礦井、水利電力等工程領域。

在土木工程領域，虛擬仿真技術的應用也取得了飛躍式的發(fā)展，大到工程的規(guī)劃、施工，小到模型試驗、教學研究等方面，都開始引入虛擬仿真技術。例如，西南交通大學很早便將虛擬仿真技術應用于鐵路選線，并于2012年正式設立虛擬仿真試驗中心，實現了土木工程全部8個專業(yè)方向和6各學科的覆蓋[1];北京工業(yè)大學也很早便成立了國家級虛擬仿真實驗教學中心，并在虛擬實驗項目的建設方面堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”[2]。近年來，為克服自身物理實驗條件的局限性，提升實驗教學國際化水平[3]，北京交通大學也開始重視土木工程虛擬仿真技術，建立了土木工程虛擬仿真實驗室，開發(fā)了包括常規(guī)土力學實驗模塊、非飽和土力學實驗的虛擬仿真模塊、建材模塊、混凝土構件受力模塊、混凝土結構模塊、大跨度屋蓋結構與超高層結構繞流風場模擬模塊、車輛過橋及橋梁沖擊試驗動力仿真模塊，以及包括隧道+地鐵典型施工工法的VR模塊和道路鐵道工程實習現場（青龍橋人字形鐵路）VR模塊在內的多個虛擬仿真實驗模塊，并將其應用于土木工程實驗教學、現場實習和培訓等多方面。 本文主要以北京交通大學土力學實驗模塊開發(fā)和建設為例，對土木工程中應用虛擬增強現實技術的意義、土木工程領域虛擬仿真技術的應用及特點進行介紹，以期對同類高校土木工程虛擬仿真實驗建設提供借鑒。

一、 土木工程領域應用虛擬仿真技術的意義

土木工程是一門實踐性很強的學科，在其發(fā)展歷程中，工程實踐和實驗研究起到了重要的作用。實驗教學的目的是為學生創(chuàng)造一種科學探索和研究的環(huán)境，引導學生將理論知識與工程實踐相結合，培養(yǎng)學生的動手操作能力，提高學生的專業(yè)素養(yǎng)，激發(fā)學生對土木工程專業(yè)知識學習的興趣。但傳統(tǒng)的實驗教學由于自身特點及其存在的一些問題，限制了實驗教學的實際效果。在多媒體技術和計算機技術飛速發(fā)展的今天，虛擬仿真技術因其投入成本小、易操作、適用范圍大等優(yōu)點開始進入土木工程實驗教學領域，成為實驗教學的輔助手段。由于虛擬仿真實驗具有現實意義，“虛實結合”的實驗教學理念已經逐漸被廣大土木工程教育工作者所接受[4-6]。

（一）為高校資源緊張?zhí)峁┙鉀Q方案

在高校傳統(tǒng)土木工程實驗教學中，存在的一個突出問題就是學生人數眾多、實驗資源不足。在時間上，土木工程專業(yè)知識較多，課業(yè)較為繁重，基礎課堂教學壓力很大，以致實驗教學安排時間緊張而不靈活。在空間上，一方面，土木工程實驗設備數量較多、體量較大，占用空間也大，同時高校普遍實驗場地有限，沒有能力提供過多的空間。此外，土木工程現場實驗尤其是與大型工程相結合的實地考察實驗，場地要求比較嚴格，存在人為的不可控因素，無法保證每一個學生都能進入場地參與實驗。

綜合以上因素，針對傳統(tǒng)土木工程實驗中的時間和空間限制，將虛擬仿真技術引入實驗教學領域成為一個重要的解決方案，以有效緩解高校在實驗教學經費、設備和場地等方面的壓力。通過引入虛擬仿真實驗，虛實結合，使學生在足不出戶的情況下了解實驗和開展實驗，提高了實驗教學的靈活性和自由性，降低了實驗教學的成本和危險性。

（二）實現實驗手段和現場實習等教學模式的多樣化

傳統(tǒng)的實驗教學模式和實驗手段比較單一，而“虛實結合”可使學生先進行虛擬仿真實驗練習，了解實驗的各個環(huán)節(jié)，根據虛擬試驗結果為學生提供定制實驗操作手冊，對學生在虛擬實驗過程中的易錯點進行提醒和強調，為提高后續(xù)實際物理實驗的成功率提供保障。

虛擬仿真實驗為傳統(tǒng)土木工程實驗教學增添了一種嶄新的形式，促進了實驗教學模式、實驗手段、現場實習的多樣化發(fā)展。由于虛擬仿真實驗具有趣味性高等多種優(yōu)點，能夠激發(fā)學生的學習興趣，提高教學質量和效果，其發(fā)展和應用前景值得期待。

二、 虛擬仿真技術在土木工程教學中的應用及特點

（一）在課堂教學中的應用

隨著信息化技術的不斷發(fā)展和深入，教育信息化受到國家的高度重視[7]。作為一所以培養(yǎng)綜合型人才為宗旨的學校，北京交通大學土木建筑工程學院在課堂教學中應用虛擬仿真技術進行了一些探索，通過完善平臺建設，實現虛擬仿真技術的系統(tǒng)化和網絡化。目前，土木工程國家級實驗教學示范中心成立了虛擬仿真實驗室，建立了專業(yè)的虛擬實驗管理平臺，開發(fā)了“平臺 + 模塊”的課程體系，開設多門虛擬仿真實驗課程，實現虛擬仿真實驗課程的網絡化，考核和成績評定的客觀化。

在施工技術等課堂教學中引入虛擬仿真技術，能夠使學生更為直觀地了解橋梁隧道等工程的施工過程，了解不同施工工法的主要特點和差別。在土力學教學中引入虛擬仿真技術，能夠使學生了解直剪試驗和三軸試驗過程中土體的剪切破壞情況，擋墻位移墻后土壓力達到主動或被動土壓力的條件，以及地基達到不同剪切破壞時的視覺狀態(tài)。而對上述知識點，傳統(tǒng)的板書或多媒體Powerpoint都不能以空間場景的形式進行展示。

（二）在虛擬仿真實驗中的應用

虛擬仿真技術為用戶創(chuàng)造了一個反映實體對象的三維虛擬場景，基于虛擬仿真技術能夠開發(fā)各種虛擬仿真實驗來實現教學目的 [8]。

土木工程學科需要開設若干實驗課程，如土木工程材料、測量學、材料力學、工程結構試驗和土力學等，受時間、空間、人力和物力等條件的限制，往往難以保證物理實驗教學的質量和效果。虛擬仿真實驗作為物理實驗的必要補充，可以很大程度彌補物理實驗的不足作為物理實驗的必要補充。 可以預見，不久的將來，物理實驗與虛擬仿真實驗可以結合起來作為一門實驗課程。或者對沒有條件開展物理實驗的課程，虛擬仿真實驗可以單獨作為一門實驗課程，單獨進行教學和考核。

（三）在現場實習中的應用

土木工程現場實習是本科階段非常關鍵的實踐環(huán)節(jié)，現場實習的效果和質量對專業(yè)人才培養(yǎng)質量具有直接的影響。土木工程某些現場不具備參觀或實習的條件，或者不具備近距離觀察和學習的條件，以致影響實習效果。筆者曾帶領土木工程專業(yè)學生到北京近郊某鐵路隧道進行參觀和實習，一兩百學生同時進行實習，可能只有前面的學生能夠較好地了解隧道的情況和教師講解的內容。盡管虛擬仿真場景不能完全取代現場實習，但每個學生可以通過在線學習全方位地了解實習內容，并根據每個學生自身需要學習不同的知識點。

（四）在培訓中的應用

與虛擬的土木工程現場實習相類似，虛擬仿真技術在土木工程培訓（如土木工程安全培訓和逃生培訓）中也具有重要的應用價值。虛擬仿真培訓不受限制，只有通過培訓方可允許開展后續(xù)物理實驗等工作。

可見，虛擬仿真技術或實驗具有四方面的主要特征：

（1）互動式三維動畫場景。

以互動式三維動畫為主，輔以視頻、 圖片、文字等功能。

（2）不受時間和空間限制的特性。

學生可以根據自身需要，在任意時間和地點在線進行虛擬仿真實驗。

（3）不受人力和物力限制的特性。

虛擬仿真實驗可由教學模塊和考核模塊組成，不受教師的干預;實驗可以反復進行，沒有實驗物品和設備的損耗。

（4）集娛教于一體的特征。

基于Unity3D游戲開發(fā)軟件開發(fā)的虛擬仿真實驗輔以部分娛樂功能，能夠有效激發(fā)學生學習的興趣，提高學生學習效率和質量，使學生從被動學習轉變?yōu)橹鲃訉W習。

三、北京交通大學土力學虛擬仿真模塊的開發(fā)和建設情況

北京交通大學土木工程國家級實驗教學示范中心設立了土木工程虛擬仿真實驗室，并申請了專項經費用于虛擬仿真實驗室的建設，主要購置PC端虛擬仿真實驗所用的計算機和服務器、VR硬件設備，以及用于覆蓋多個學科的虛擬仿真實驗模塊的研發(fā)。虛擬仿真實驗模塊的開發(fā)采用委托公司開發(fā)實驗模塊和師生自主研發(fā)實驗模塊兩種方式。

（一）課程管理平臺建設情況

向公司采購課程管理平臺，由公司主要負責整個平臺的運營以及相關模塊的改善。購置的課程管理平臺經過長時間的使用和完善，可實現對虛擬仿真實驗模塊的高效管理。學生可以根據自身情況在線學習，或在線開展實驗，或在線進行實驗課程測試;教師可以在線設立課程，對學生選課情況和考核情況進行統(tǒng)計。

（二）土力學實驗模塊建設情況

虛擬仿真實驗室部分實驗模塊仍委托公司進行開發(fā)，而其他模塊采用自主研發(fā)的形式，通過本科生大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、研究生科研項目或實驗教學示范中心開放課題等方式來完成實驗模塊的自主研發(fā)任務。虛擬仿真技術不同于有限元等數值模擬分析技術，有限元等數值模擬分析技術具有更高的使用自由度和科研功能，要求使用者具備更加扎實的基礎知識[9]。虛擬仿真技術相對簡單，即使是本科生也很容易上手。虛擬仿真項目的開發(fā)主要采用三個基本工具：一是采用3D Max等軟件進行幾何建模;二是3D Max建立的幾何模型導入Unity3D 進行虛擬仿真場景開發(fā);三是采用C#等語言進行功能開發(fā)。學生通過自主學習軟件和開發(fā)語言，結合土木工程專業(yè)知識，從學生和教師角度開發(fā)實驗模塊。通過實驗項目開發(fā)訓練，學生的專業(yè)知識和科研能力都得到了顯著的提升。

所開發(fā)的土力學虛擬仿真實驗模塊分為常規(guī)土力學模塊和非飽和土力學模塊。根據土木類專業(yè)學生必修課程土力學原理課程大綱[10]和土力學實驗課程大綱，常規(guī)土力學模塊主要包括常規(guī)三軸實驗、直剪實驗、一維壓縮實驗、一維固結實驗、土的滲透特性實驗和土的壓實實驗等。圖1為學生開發(fā)的一維壓縮實驗模塊流程圖。該模塊包括學習模塊和考核模塊兩大模塊。學習模塊部分主要包括實驗室場景漫游、常用土力學儀器認知以及一維固結實驗初步認知。而考核模塊則是在學習模塊的基礎上加入評分機制。圖2分別為學生和公司研發(fā)的土的一維壓縮實驗場景圖。場景中具有一維壓縮實驗所需要的土樣、儀器和工具。非飽和土力學模塊用于研究生教學，主要包括土水特征曲線量測實驗、土柱降雨入滲實驗和非飽和土三軸試驗。通過研發(fā)針對本科生的常規(guī)土力學虛擬仿真實驗模塊，以及針對研究生的非飽和土力學虛擬仿真實驗模塊，學生的專業(yè)水平和和科研能力都得到顯著提升。

四、 結語

包括土力學實驗教學在內的傳統(tǒng)土木工程實驗教學模式受時間和空間、人力和物力等方面的限制，實驗教學的效果和質量往往難以得到保障。虛擬仿真技術具有互動式三維動畫場景、不受時間和空間限制、不受人力和物力限制，并集娛教于一體等特征，能夠應用于土木工程課堂教學、虛擬仿真實驗、現場實習和培訓。本文以北京交通大學土木工程虛擬仿真實驗室的建設為例，詳細介紹了土力學虛擬仿真模塊的開發(fā)和建設情況，闡述了實驗教學中“虛實結合”的重要性，對高校土木工程虛擬仿真實驗建設具有積極的作用。

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