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工程地质野外实习虚拟仿真实验教学探索论文

发布时间:2021-04-22 14:00:33 文章来源:SCI论文网 我要评论














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摘要:工程地质野外实习虚拟仿真实验充分应用实景虚拟现实技术还原了现场工程地质环境,通过虚拟实践环节实现了从“认知-考察-实训-反馈”的一体化教学,具有可重复操作、数据拓展性强等特点,克服了传统野外实习时间短、实施难、成本高、风险大等困境,其不仅能实现与真实野外现场实习相同的认知实训目的,延伸实习教学时间与空间,拓展理论教学内容的广度和深度,有效激发学生学习兴趣与积极性,同时,学生也可通过虚拟仿真实验验证、巩固和深化岩体工程地质特征认知,训练现场地质调查与测量的动手能力,提高工程实践中地质编录与评价的分析能力,最终促进学生综合素质与实践能力的综合发展。

关键词:工程地质;野外实习;实验教学;虚拟仿真

本文引用格式:王盛年,等.工程地质野外实习虚拟仿真实验教学探索[J].教育现代化,2019,6(91):125–126.

一 引言

《工程地质实习》是面向地质类、土木类、交通类等方向本科生开设的核心专业课程。实习要求学生学会认知各种工程地质现象,掌握工程地质野外测量方法与地质调查技能,具备分析工程地质问题与判断工程稳定性的能力。工程地质野外实习内容包括:1)了解岩石类型、结构、构造等基本特征与分类;2)了解岩体结构面特征、类别与分级;3)掌握岩体结构面数字测量与调查方法与原理;4)掌握现场地质编录的基本流程与方法;5)掌握工程地质分析与工程地质稳定性评判方法。然而,当前实习普遍面临典型地质实习场地匮乏、实习组织与安全保障困难、实习开展受天气条件制约明显、实习过程中难以满足每个学生动手需求、实习经费成本高等诸多问题。“真情实景+顶峰体验”是实习教学的要义,也是培养学生实践能力的关键。如图1所示,虚拟仿真采用数字化仿真技术在计算机中创建数字虚拟世界,实现现实世界场景再现,可使用户在强烈的环境沉浸感中与虚拟世界进行互动与学习。因此,若采用虚拟仿真技术进行工程地质教学,实现实习场景的虚拟实景化、可操作化、可重复化、可拓展化,将不仅能克服传统野外实习时间短、实施难、成本高、风险大等困境,突破传统工程地质实习的局限性,实现实习资源的丰富性和强共享性,亦可在流程完整、操作灵活的实训环节中实现要点明确、反馈清晰的教辅指导,激发学生实习兴趣与积极性,有效提升学生实践能力。

本文将围绕虚拟仿真教学中“沉浸式全景观察、体验式数字测量、探究式知识综合”大目标,从教学内容、教学模块、技术构架和教学方法四方面介绍南京工业大学在工程地质野外实习课程中虚拟仿真教学的探索。
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二 教学内容

面向地质类、土木类、交通类等方向本科生开设的工程地质实习要求学生学会认知各种工程地质现象,掌握工程地质野外测量方法与地质调查技能,具备分析工程地质问题与判断工程稳定性的能力。教学内容与知识点主要包括:(1)岩石类型判别;(2)地质构造特征描述;(3)地质结构面类型、成因及受力分析;(4)岩体结构面特征测量;(5)地质罗盘的构造与使用;(6)地质编录与三维网络模拟;(7)极射赤平投影分析法;(8)工程岩体地质评价的理论与方法等。

三 教学模块

工程地质实习虚拟仿真实验教学主要围绕《工程地质学》《构造地质学》《岩石力学与工程》等课程知识点,依据《工程地质实习》教学环节,建立以下教学模块:

①地质观察;②数字测量;③现场编录;④分析评价;⑤实验报告。其中,教学模块①是认知环节;教学模块②是考察环节;教学模块③和④是实训环节;教学模块⑤是反馈环节。

四 技术构架

传统虚拟仿真实验多采用模拟虚景模式,实验操作则以演示操作为主,其用户体验感受与现场实习效果差距较大。工程地质实习虚拟仿真实验教学核心工作就是构建现场实习场景的实景虚拟化与还原现场实习操作的测量真实化,这样不仅能够营造强烈的环境沉浸感,亦可以加深仿真的用户体验。虚拟实景数据由UAV多源摄影测量与地面激光扫描技术采集,在Pix4D Mapper、CloudCompare、Meshlab系统中完成生产、编辑、数据转换,系统在Unity3D平台下自主开发。后续可升级至VR平台,实验者佩戴VR眼镜,实现漫游体验式的虚拟地质实习。

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五 教学方法

如图2所示,虚拟仿真实验教学环节分为:认知教学、实训教学、分析教学等3个部分,其中,认知教学上,以“实景三维”虚拟认知为途径,学生可以通过上网登录系统选择实习场景、实习时间和实习内容,变现场实地实习为虚拟实景实习,从视觉上完全能够达到传统实地实习的效果,而且能够弥补传统实地实习因视角限制不能从全局视角认知地质现象的局限;传统教学以老师实地讲授与现场实验为主要模式,不同程度上受到实习时间、实习场地、实习成本、危险性的影响,往往实习场地有限,“来也匆匆,去也匆匆”演化为学生游山玩水,同时不可重复,学生教学印象不深,本虚拟仿真实验可循环重复、可拓展新的实习场景,从而丰富实习内容务求达到实习效果。在训练实践教学上,以“能实不虚、虚实结合”为原则,一方面将传统知识要点贯穿实习训练活动中,另一方面,将实习训练活动串接入工程实践生产中,在虚拟实景中完成知识点的认知、实现实验操作、完成工程实践的数据分析与稳定性评价,巩固、训练与提高学生的课程知识与综合实践能力。因此,虚拟仿真实验教学平台的建立,改变了以往传统的实习教学模式,提供了逼真、多样、可选择、可操作的实习教学方法,丰富了实习内容,寓教于乐,有助于激发同学们的学习兴趣提升实践能力和综合素质,不仅可以替代传统野外工程地质实习教学环节,而且能够有效提高实习教学效果。


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六结语

工程地质实习虚拟仿真实验教学优势在于,充分应用实景虚拟现实技术还原了地质环境与工程现场的三维实景,实现了“认知-考察-实训-反馈”一体化的岩体工程地质实习教学过程,其不仅能延伸实习教学时间与空间、拓展理论教学内容的广度和深度,促进学生学习、验证、巩固和深化岩体工程地质特征的认知能力,训练现场地质调查与测量的动手能力,提高针对工程实践的地质编录与地质评价的分析能力,同时,亦可有效解决实习场地匮乏、经费成本与安全保障的困局,进而促进教师教学方法与教学效果、学生综合素质与实践能力的综合发展。

参考文献

[1]朱宗奎.地质专业虚拟仿真实验教学平台建设探析[J].高教学刊.2016(20):54–55.
[2]苏晓勇,徐送林.虚拟仿真实验教学中心建设的解读与思考[J].实验室科学.2018(01):188–190.
[3]刘亚丰,苏莉,吴元喜,等.虚拟仿真教学资源建设原则与标准[J].实验技术与管理.2017(05):8–10.
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[5]方坤,王晓延.地理信息虚拟仿真实验设计[J].教育现代化,2018,5(06):168–170.

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