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摘要：联系岩土工程实践，以及岩体的不可透视性、赋存环境复杂性等特征，提出了虚拟现实与数值模拟技术相结合的教学平台，并结合深部井巷工程介绍了该平台在教学实践中的应用。实践表明，基于该平台的教学方法改造提升了传统的教学模式，学生在安全轻松的虚拟环境中学习、感知实际工程，激发学生的学习兴趣，培养学生实际动手能力和创新思维能力，提高了学生对真实环境中实际工程问题的处理能力。
关键词：岩土工程；虚拟现实；数值模拟；深部岩体
中图分类号：G6420文献标志码：A文章编号：10052909（2014）06013804
以科研促教学，把新的科研成果及现代科学技术融于传统的教学活动中，不仅可为传统的课程注入活力，有利于提高教学质量和效果，而且能够扩展学生的视野，激发学生的学习热情，培养学生的动手能力和创新能力。
近年兴起的虚拟现实技术（Virtual Reality）即是一个很好的技术手段，已经逐步被应用于现代教育技术之中[1]。虚拟现实技术是将物体或信息与真实环境进行结合并对景象加以增强或扩充，呈现给用户一个感官效果真实的新环境，使用户从感官上确信虚拟物体是其周围真实环境的有机组成部分。在岩土工程、工程地质专业，特别是涉及深部岩石工程问题的教学实践中，该技术越来越显出其优越性[2]。
岩土工程是一门理论与实践紧密结合的学科，然而在校内实习中，面临着实验室模拟与现场出入大、直观认识不足等缺点。现场认识实习、培训，又存在成本高、周期长、危险因素多、对生产影响大、联系实习地点较难、学生积极性不高等缺点，往往导致实习内容和过程达不到要求。在现实的实验教学环节，由于实验室仪器组数受场地、经费和利用率等问题的限制，加之学生人数众多和师资配备不足等原因，学生缺乏实践锻炼机会，特别是对岩土工程中的深部岩体、深部井巷工程的实际场景、现场实际安全问题很难了解，导致学生走出校门工作后，短时间内对现场环境很难适应[3]。
虚拟现实技术具有平面投影不具备的优点，不仅有很好的沉浸感和交互感，还有较强的立体感，能够增强对深部井巷环境以及仪器使用的认知[2]，深化学生对井下作业环境及工作流程的认识，把握深部井巷的整体状况，减小教学实验与现场工作的差距，增强学生对深部井巷的适应能力。
但虚拟现实技术也仅仅是对深部岩石工程环境“表观”特征的一种真实再现，其本身不具备计算、分析能力[4-7]，对岩体内部的物理变化（包括应力、位移、损伤与破坏）不能做出实时表征，但这对岩石工程恰恰又是非常重要的，因为其关乎深部岩石工程的安全性。而现代数值模拟技术却可以实现岩体内部的物理变化的实时表征[8-9]。
受控于岩体本身的不可透视性（截至目前，尚没有任何技术手段能够大范围、准确地探明岩体的物理、构造特征）和赋存环境的复杂性（深部岩体具有高地温、高水压、高地应力的特点，室内试验及现场实时观测研究难度大）等客观因素，文章即尝试将虚拟现实与数值模拟技术有机结合，以深部岩石井巷工程为例，通过虚拟环境与物理实体信息的相互补充，将现实环境中一些不易或不能被感受的因素投影到现实环境中，增强学生对这些因素的感知和认识。
一、虚拟现实与数值模拟相结合的教学平台
笔者结合大连理工大学土木工程学院开设的本科生课程土木水利学科实验前沿和研究生课程岩石破坏力学数值试验的实际教学工作，将工程计算中的数值模拟技术与现代兴起的虚拟现实技术相结合，初步形成了针对土木工程专业课程的一个新的教学平台。
（一）平台硬件组成
教学平台的主要硬件由大连理工大学土木工程学院配置的曼恒虚拟现实系统和联想深腾1800高性能并行计算集群组成，如图1和图2。辅助硬件为普通PC机或学生自备的笔记本电脑。
（二）平台软件组成
平台的基本软件包括：（1）教学用岩土工程实例手册，如井巷工程设计手册等；（2）虚拟现实模型的开发与显示软件，如3DMAX、玛雅、Virtools等，这些均属于图片、视频和安全数据处理的常用软件；（3）基于数值计算方法的模拟软件，如ANSYS、FLAC、RFPA等，这些均属于岩土工程数值模拟分析的常用软件；（4）虚拟现实系统与数值模拟结果之间的数据转换接口。
以深部井巷工程为例，相关模块主要是通过模块设备商设计图纸和数据、真实深部井巷的设计、地质和开挖开采信息进行构造的。模块是通过5 m的分段（也可采用不同尺度分段）进行创建的，可以用来展现任意深部井巷的状况和设计，模型可以经过修改来展示任何其他深部井巷（包括水利水电工程的排水，导水地下硐室，深部金属矿、煤矿的掘进巷道以及采场等）。模型的分辨率和逼真度源于一线工人长期的工作经验与实际感知。
（三） 学生（学员）—虚拟现实—数值仿真之间的交互机制
在本教学平台中，学生处于中心位置，教师只是基本的引导，之后学生在PC机终端或自备的笔记本电脑上开始根据自己对实际工程（例如深部井巷工程）的理解，建立相应的模型，并进行模型内部物理信息（应力、变形、损伤破坏等）的模拟计算，计算结果再与虚拟现实系统结合，学生便可感知该实际工程的“表观”环境信息以及“内部”的实体物理信息。基于学生自己的“动手、动脑、动眼”的切身体会与实际感知，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。
关键词：岩土工程；虚拟现实；数值模拟；深部岩体
中图分类号：G6420文献标志码：A文章编号：10052909（2014）06013804
以科研促教学，把新的科研成果及现代科学技术融于传统的教学活动中，不仅可为传统的课程注入活力，有利于提高教学质量和效果，而且能够扩展学生的视野，激发学生的学习热情，培养学生的动手能力和创新能力。
近年兴起的虚拟现实技术（Virtual Reality）即是一个很好的技术手段，已经逐步被应用于现代教育技术之中[1]。虚拟现实技术是将物体或信息与真实环境进行结合并对景象加以增强或扩充，呈现给用户一个感官效果真实的新环境，使用户从感官上确信虚拟物体是其周围真实环境的有机组成部分。在岩土工程、工程地质专业，特别是涉及深部岩石工程问题的教学实践中，该技术越来越显出其优越性[2]。
岩土工程是一门理论与实践紧密结合的学科，然而在校内实习中，面临着实验室模拟与现场出入大、直观认识不足等缺点。现场认识实习、培训，又存在成本高、周期长、危险因素多、对生产影响大、联系实习地点较难、学生积极性不高等缺点，往往导致实习内容和过程达不到要求。在现实的实验教学环节，由于实验室仪器组数受场地、经费和利用率等问题的限制，加之学生人数众多和师资配备不足等原因，学生缺乏实践锻炼机会，特别是对岩土工程中的深部岩体、深部井巷工程的实际场景、现场实际安全问题很难了解，导致学生走出校门工作后，短时间内对现场环境很难适应[3]。
虚拟现实技术具有平面投影不具备的优点，不仅有很好的沉浸感和交互感，还有较强的立体感，能够增强对深部井巷环境以及仪器使用的认知[2]，深化学生对井下作业环境及工作流程的认识，把握深部井巷的整体状况，减小教学实验与现场工作的差距，增强学生对深部井巷的适应能力。
但虚拟现实技术也仅仅是对深部岩石工程环境“表观”特征的一种真实再现，其本身不具备计算、分析能力[4-7]，对岩体内部的物理变化（包括应力、位移、损伤与破坏）不能做出实时表征，但这对岩石工程恰恰又是非常重要的，因为其关乎深部岩石工程的安全性。而现代数值模拟技术却可以实现岩体内部的物理变化的实时表征[8-9]。
受控于岩体本身的不可透视性（截至目前，尚没有任何技术手段能够大范围、准确地探明岩体的物理、构造特征）和赋存环境的复杂性（深部岩体具有高地温、高水压、高地应力的特点，室内试验及现场实时观测研究难度大）等客观因素，文章即尝试将虚拟现实与数值模拟技术有机结合，以深部岩石井巷工程为例，通过虚拟环境与物理实体信息的相互补充，将现实环境中一些不易或不能被感受的因素投影到现实环境中，增强学生对这些因素的感知和认识。
一、虚拟现实与数值模拟相结合的教学平台
笔者结合大连理工大学土木工程学院开设的本科生课程土木水利学科实验前沿和研究生课程岩石破坏力学数值试验的实际教学工作，将工程计算中的数值模拟技术与现代兴起的虚拟现实技术相结合，初步形成了针对土木工程专业课程的一个新的教学平台。
（一）平台硬件组成
教学平台的主要硬件由大连理工大学土木工程学院配置的曼恒虚拟现实系统和联想深腾1800高性能并行计算集群组成，如图1和图2。辅助硬件为普通PC机或学生自备的笔记本电脑。
（二）平台软件组成
平台的基本软件包括：（1）教学用岩土工程实例手册，如井巷工程设计手册等；（2）虚拟现实模型的开发与显示软件，如3DMAX、玛雅、Virtools等，这些均属于图片、视频和安全数据处理的常用软件；（3）基于数值计算方法的模拟软件，如ANSYS、FLAC、RFPA等，这些均属于岩土工程数值模拟分析的常用软件；（4）虚拟现实系统与数值模拟结果之间的数据转换接口。
以深部井巷工程为例，相关模块主要是通过模块设备商设计图纸和数据、真实深部井巷的设计、地质和开挖开采信息进行构造的。模块是通过5 m的分段（也可采用不同尺度分段）进行创建的，可以用来展现任意深部井巷的状况和设计，模型可以经过修改来展示任何其他深部井巷（包括水利水电工程的排水，导水地下硐室，深部金属矿、煤矿的掘进巷道以及采场等）。模型的分辨率和逼真度源于一线工人长期的工作经验与实际感知。
（三） 学生（学员）—虚拟现实—数值仿真之间的交互机制
在本教学平台中，学生处于中心位置，教师只是基本的引导，之后学生在PC机终端或自备的笔记本电脑上开始根据自己对实际工程（例如深部井巷工程）的理解，建立相应的模型，并进行模型内部物理信息（应力、变形、损伤破坏等）的模拟计算，计算结果再与虚拟现实系统结合，学生便可感知该实际工程的“表观”环境信息以及“内部”的实体物理信息。基于学生自己的“动手、动脑、动眼”的切身体会与实际感知，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。