吳曙光 王桂林

摘要：巖土類專業(yè)課程實(shí)踐性較強(qiáng)，以實(shí)際邊坡治理工程為基礎(chǔ)素材，從學(xué)生視角出發(fā)，設(shè)計(jì)11項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，采用游戲軟件常用鼠標(biāo)鍵操作方法，在野外現(xiàn)實(shí)場地仿真系統(tǒng)引導(dǎo)提示下進(jìn)行交互式自主綜合實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。通過選擇不同位置和角度，觀察辨識(shí)場地穩(wěn)定性、邊（滑）坡地表及其地下特征要素。根據(jù)地表變形破壞特征推斷主滑方向，自主設(shè)計(jì)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(duì)各種工況下邊坡穩(wěn)定性及剩余下滑力進(jìn)行計(jì)算，模擬分析抗滑樁及截水溝布置，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)邊坡工程勘察和穩(wěn)定性分析及設(shè)計(jì)過程的認(rèn)知與理解。工程地質(zhì)等課程引入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，通過形象逼真的場景和震撼的效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)巖土類系列課程之間的教學(xué)活動(dòng)關(guān)聯(lián)，加強(qiáng)理論教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合，有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，并增強(qiáng)了實(shí)踐動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：沉浸式;邊坡工程;虛擬仿真實(shí)驗(yàn);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TU4 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：1005-2909（2021）06-0054-07

隨著科技日益的發(fā)展，傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式已不能滿足學(xué)生獲取知識(shí)的需要，一定程度限制了學(xué)生思維的開拓創(chuàng)新，不利于發(fā)揮他們的主觀能動(dòng)性[1]。工程地質(zhì)、土力學(xué)、基礎(chǔ)工程、邊坡工程等巖土類課程是土木工程專業(yè)核心課程，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性和實(shí)踐性。由于在校生對(duì)實(shí)際工程知識(shí)應(yīng)用的能力不足，往往對(duì)實(shí)際工程概念和設(shè)計(jì)計(jì)算方法理解較為困難。在傳統(tǒng)教學(xué)中，巖土類課程具有內(nèi)容連貫性差、實(shí)踐性強(qiáng)、經(jīng)驗(yàn)公式多等特點(diǎn)，同時(shí)系列課程之間較為獨(dú)立且關(guān)聯(lián)度不夠，學(xué)生對(duì)知識(shí)了解的系統(tǒng)性弱，都要求巖土類系列課程加強(qiáng)串聯(lián)型實(shí)踐教學(xué)[2]。

科學(xué)探究既是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，又是重要的教學(xué)方式之一?？茖W(xué)探究的流程包括提出問題、問題假設(shè)、制訂計(jì)劃、觀察實(shí)驗(yàn)制作、搜集整理信息、思考與結(jié)論、表達(dá)與交流等。探究型學(xué)習(xí)可以極大程度地激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生善于思考以及解決問題的興趣，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的意義建構(gòu)。關(guān)于巖土工程問題，傳統(tǒng)真實(shí)性探究實(shí)驗(yàn)往往因場所、材料等原因無法開展，而虛擬實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)裝置與環(huán)境具有虛擬性，能夠打破現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的局限性，根據(jù)教師教學(xué)目的進(jìn)行靈活的調(diào)整以及開放性搭配，得到了廣大教育工作者的持續(xù)關(guān)注[3]。以邊坡治理工程為基礎(chǔ)素材，從學(xué)生視角出發(fā)，設(shè)計(jì)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，采用游戲軟件常用鼠標(biāo)鍵操作方法，在野外現(xiàn)實(shí)場地仿真系統(tǒng)引導(dǎo)提示下進(jìn)行交互式的自主綜合實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。通過選擇不同的位置和角度開展沉浸式體驗(yàn)，觀察辨識(shí)場地穩(wěn)定性、邊坡地表及其地下特征要素，根據(jù)地表變形破壞特征推斷主滑方向，自主設(shè)計(jì)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(duì)各種工況下的邊坡穩(wěn)定性情況及剩余下滑力進(jìn)行計(jì)算，模擬分析抗滑樁及截水溝布置，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)邊坡工程的勘察及穩(wěn)定性分析的能力，加深對(duì)設(shè)計(jì)過程的認(rèn)知和理解。

一、 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Techndogy，VR），是以計(jì)算機(jī)為核心的綜合集成技術(shù)，涉及3D圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、立體顯示等高新技術(shù)[4]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前主要有4種類型，分別是桌面式、分布式、沉浸式和增強(qiáng)式[5]。其中，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，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(dá)到學(xué)習(xí)目的。根據(jù)情境認(rèn)知理論，認(rèn)為個(gè)體心理常常產(chǎn)生于構(gòu)成、指導(dǎo)和支持認(rèn)知過程的環(huán)境中，認(rèn)知過程的本質(zhì)是由情境決定的，情境是一切認(rèn)知活動(dòng)的基礎(chǔ)[6]。知識(shí)學(xué)習(xí)被放在特定的情境中時(shí)，學(xué)生能夠形成豐富的情感體驗(yàn)，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，在交流討論的過程中，進(jìn)行有意義的知識(shí)建構(gòu)，將新的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)內(nèi)化到認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，最終實(shí)現(xiàn)有意義的學(xué)習(xí)。情境認(rèn)知理論十分重視真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)，教師應(yīng)當(dāng)建立蘊(yùn)含豐富學(xué)習(xí)資源的場景，滿足學(xué)生智力情感需求，使學(xué)生主動(dòng)體驗(yàn)，主動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)。

二、 邊坡工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)建

（一） 技術(shù)參數(shù)及基本功能設(shè)計(jì)

用戶硬件配置要求（如主頻、內(nèi)存、顯存、存儲(chǔ)容量等）。

（1）計(jì)算機(jī)硬件配置要求，CPU： intel Core i5-5200以上，主頻2.2 GHz以上，內(nèi)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(jì)算機(jī)終端硬件配置要求，CPU： intel Core i5-5200以上，主頻2.2 GHz以上，內(nèi)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(wù)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(tǒng)windows7 以上即可。

基本功能設(shè)計(jì)如下：

（1）采用B/S架構(gòu)開發(fā)，保證平臺(tái)靈活、便捷、易交互;

（2）模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)中用到的器材和設(shè)備，提供真實(shí)實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生既可體驗(yàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)效果，又可觀看在真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件下仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果模擬;

（4）軟件系統(tǒng)為管理員、教師、學(xué)生和校外人員等對(duì)象提供使用，多視角體驗(yàn)三維仿真環(huán)境，可自主流暢操作;

（5）管理員主要職能及權(quán)限：包括可增刪改查班級(jí)，班級(jí)包括、班號(hào)、學(xué)院、專業(yè)信息，可增刪教師、學(xué)生和校外人員信息;

（6）系統(tǒng)登錄設(shè)置：教師可用教師編號(hào)，學(xué)生可用學(xué)生編號(hào)，作為用戶登錄賬號(hào);

（7）教師常用功能及權(quán)限：人員增刪、作業(yè)查詢、成績統(tǒng)計(jì)分析、內(nèi)容統(tǒng)計(jì)分析。

人員增刪：學(xué)生、校外人員增刪查改;作業(yè)查詢：支持條件過濾，查看學(xué)生，校外人員所有在做和已完成的實(shí)驗(yàn)，列表呈現(xiàn)學(xué)生簡明信息和實(shí)驗(yàn)信息，查看或下載每一條已完成實(shí)驗(yàn)、結(jié)果和參考答案;成績統(tǒng)計(jì)分析：支持下載和導(dǎo)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(diǎn)擊相應(yīng)柱狀獲得該條件下的學(xué)生及成績對(duì)應(yīng)信息。

（二）知識(shí)模塊劃分及實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

巖土類課程工程實(shí)踐性強(qiáng)，如何在教學(xué)過程中結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行課堂教學(xué)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)課程的同時(shí)，深入了解巖土工程設(shè)計(jì)的基本原理，能夠運(yùn)用所學(xué)相關(guān)知識(shí)解決工程建設(shè)中實(shí)際問題成為判定教學(xué)成功與否的關(guān)鍵。

巖土類系列課程的教學(xué)目的和側(cè)重點(diǎn)不同，但又相互聯(lián)系，形成從基礎(chǔ)到專業(yè)、從簡單到復(fù)雜的有機(jī)整體，以保證學(xué)生不斷提高知識(shí)水平，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力的目的。由于傳統(tǒng)教學(xué)巖土工程的內(nèi)容連貫性差、經(jīng)驗(yàn)公式多且知識(shí)點(diǎn)復(fù)雜，在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，采取以典型工程實(shí)例為主線，圍繞主線逐步展開，并進(jìn)行不同知識(shí)模塊的劃分，從而使重難點(diǎn)在圍繞主線的發(fā)展過程中凸顯出來。遵循理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的規(guī)律，根據(jù)實(shí)際工程對(duì)各門課程理論與實(shí)踐的要求，優(yōu)化整合理論教學(xué)體系，結(jié)合邊坡工程典型實(shí)例，分解各門課程相關(guān)知識(shí)模塊，使工程地質(zhì)、土力學(xué)、巖石力學(xué)、基礎(chǔ)工程、邊坡工程等課程中看似分散無序的內(nèi)容變得系統(tǒng)、連續(xù)和協(xié)調(diào)，有助于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)體系的把握。

該項(xiàng)目涉及巖土類課程的知識(shí)點(diǎn)主要有：工程地質(zhì)課程中的滑坡要素、工程地質(zhì)勘察（含巖性描述、繪制勘察圖件、視傾角計(jì)算等）、巖石力學(xué)課程中的巖石物理力學(xué)性能指標(biāo)、土力學(xué)課程中的邊坡穩(wěn)定性分析、基礎(chǔ)工程、邊坡工程中邊坡支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工（含剩余下滑推力計(jì)算、樁間距確定、施工風(fēng)險(xiǎn)、截水溝布置等）等，結(jié)合完整的邊坡治理過程，將上述不同專業(yè)課程知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)成一個(gè)完整體系。

開展新實(shí)驗(yàn)，需為用戶創(chuàng)建一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)倉，包括開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間等信息;繼續(xù)未完成的實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)會(huì)記錄并保存用戶數(shù)據(jù)，便于下一次實(shí)驗(yàn)，并記錄最后的保存時(shí)間;已完成的實(shí)驗(yàn)可查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)成績和參考答案。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

第一步：前期學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)操作前，學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)預(yù)備知識(shí)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟、考核要求等內(nèi)容進(jìn)行先行學(xué)習(xí)，復(fù)習(xí)與滑坡工程相關(guān)的理論知識(shí)，為開展實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

第二步：登錄網(wǎng)址，注冊相關(guān)賬號(hào)信息，涉及學(xué)生學(xué)號(hào)以及密碼等。

第三步：選擇開始實(shí)驗(yàn)，了解相應(yīng)的操作說明，包括視角的移動(dòng)、模型的放大縮小、模型的旋轉(zhuǎn)、模型的平移、第一人稱或第三人稱的選擇、全屏模式開關(guān)等。

第四步：標(biāo)識(shí)滑坡要素。根據(jù)界面顯示的提示信息，明確本步驟的主要內(nèi)容以及相關(guān)事項(xiàng)。通過移動(dòng)視野和平移旋轉(zhuǎn)模型，按提示順序依次點(diǎn)擊標(biāo)識(shí)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(biāo)識(shí)主滑方向。根據(jù)提示，在滑坡牽引變形區(qū)域內(nèi)標(biāo)識(shí)出滑坡主滑方向?；轮骰较蛟谄矫鎴D中進(jìn)行標(biāo)識(shí)，用藍(lán)色箭頭表示，箭頭的方向?yàn)榛轮骰较颉?/p>

第六步：標(biāo)識(shí)勘探線。根據(jù)提示，首先點(diǎn)選小旗來作為勘探線的起點(diǎn)，然后在平面圖中任意點(diǎn)擊一點(diǎn)以確定勘探線的終點(diǎn)。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(diào)為三維視圖，移動(dòng)視野，在標(biāo)識(shí)勘探線的基礎(chǔ)之上，布置勘察孔，勘察孔應(yīng)布置在勘探線上。

第八步：完善鉆孔柱狀圖。根據(jù)提示，明確本步驟的注意事項(xiàng)以及主要的內(nèi)容。首先根據(jù)提示信息依次點(diǎn)擊鉆進(jìn)、取芯、擺芯，觀看鉆機(jī)相關(guān)動(dòng)畫并記錄當(dāng)前鉆孔鉆進(jìn)的深度（共需循環(huán)三次）。然后進(jìn)行巖芯的編錄，輸入孔深、標(biāo)高、厚度、選擇對(duì)應(yīng)巖層的巖性花紋以及相關(guān)的地質(zhì)描述。

第九步：繪制地質(zhì)剖面圖。根據(jù)所給的鉆孔，選擇三個(gè)在一條直線上的勘察孔，繪制地質(zhì)剖面圖，在地質(zhì)剖面圖上標(biāo)識(shí)出地形以及地層分界線，同時(shí)填寫視傾角計(jì)算結(jié)果。

第十步：實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及參數(shù)確定。根據(jù)出現(xiàn)的十個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，選擇與之對(duì)應(yīng)的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

第十一步：確定治理標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)提示信息，移動(dòng)視野或旋轉(zhuǎn)縮放模型，在場景中找到村主任并根據(jù)村主任所給出的地災(zāi)信息，查閱相關(guān)規(guī)范，確定地質(zhì)災(zāi)害防治工程等級(jí)。

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

第十三步：布置抗滑樁。根據(jù)提示信息，選擇布樁距離以及樁型布置抗滑樁，同時(shí)完成相應(yīng)抗滑樁的習(xí)題，以加深對(duì)抗滑樁的認(rèn)識(shí)。

第十四步：抗滑樁施工。根據(jù)提示信息，移動(dòng)視野或旋轉(zhuǎn)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(dòng)畫，同時(shí)明確在每一個(gè)施工過程中的可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，并選擇相應(yīng)的管理辦法。

第十五步：截排水施工。移動(dòng)視野或旋轉(zhuǎn)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(qū)域。

第十六步：提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（三）考核方法和考核標(biāo)準(zhǔn)

完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，本實(shí)驗(yàn)將對(duì)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行記錄，并對(duì)每一步實(shí)驗(yàn)任務(wù)嘗試次數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性進(jìn)行評(píng)分。如通過場地穩(wěn)定性、滑坡的要素辨識(shí)結(jié)果;主滑方向、剖面線及勘察鉆孔自主設(shè)計(jì)布置情況;鉆孔柱狀圖、剖面圖繪制及視傾角計(jì)算準(zhǔn)確性;抗滑樁樁型、樁間距選擇;模擬分析人工挖孔樁施工風(fēng)險(xiǎn)及截水溝布置等試驗(yàn)結(jié)果的合理性進(jìn)行評(píng)分。

三、邊坡工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)用

工程地質(zhì)、土力學(xué)、邊坡工程等課程引入本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，以形象逼真的場景和震撼的實(shí)驗(yàn)效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在野外現(xiàn)實(shí)邊坡場地再現(xiàn)的情況下，更好地理解邊坡對(duì)工程建設(shè)的影響，自覺加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)行邊坡工程及地質(zhì)災(zāi)害的勘察、設(shè)計(jì)、施工規(guī)范的學(xué)習(xí)，以增強(qiáng)山地區(qū)域的防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具體內(nèi)容如圖1（1-11）所示。

（1）辨識(shí)場地穩(wěn)定性

（2）標(biāo)識(shí)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(zhì)剖面圖

（6）確定治理工程試驗(yàn)項(xiàng)目及參數(shù)

（7）確定治理標(biāo)準(zhǔn)

（8）計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)及滑坡推力

（9）抗滑樁選型及布置

（10）認(rèn)識(shí)抗滑樁風(fēng)險(xiǎn)

（11）布置排水溝

在實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)除了進(jìn)行必要的提示，應(yīng)充分發(fā)揮學(xué)生自主動(dòng)手能力，允許“試錯(cuò)”。學(xué)生完成每步工作提交后，進(jìn)行系統(tǒng)方案評(píng)估，給出分?jǐn)?shù)和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，便于學(xué)生改正錯(cuò)誤，如圖2所示。

五、 結(jié)語

軟件引導(dǎo)下的沉浸式、交互式自主實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)于邊坡災(zāi)變及邊坡治理的勘察設(shè)計(jì)施工的綜合認(rèn)識(shí)，通過標(biāo)識(shí)滑坡要素、布置勘察鉆孔、繪制鉆孔柱狀圖、繪制工程地質(zhì)剖面、選擇勘察實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及參數(shù)確定治理標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)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(qiáng)了學(xué)生對(duì)邊坡工程的系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的項(xiàng)目建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合，運(yùn)用演示模擬等現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)，形成了多樣化教學(xué)手段特色，使教學(xué)內(nèi)容從抽象走向具體，為學(xué)生提供了一個(gè)開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，營造主動(dòng)學(xué)習(xí)的實(shí)踐氛圍，并把學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，從而有效提高教學(xué)效果。

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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(zé)任編輯 崔守奎）

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