汪學(xué)清，曹新玲，姬東曉，李星，單仁亮

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在井巷特殊施工課程教學(xué)中的應(yīng)用*

汪學(xué)清，曹新玲，姬東曉，李星，單仁亮

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083）

計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)給傳統(tǒng)的教學(xué)模式帶來(lái)了革命性的影響。虛擬現(xiàn)實(shí)VR（Virtual Reality)技術(shù)在井巷特殊施工教學(xué)中的有效應(yīng)用，讓學(xué)生在一個(gè)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境十分逼真的虛擬環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)，增加了課堂教學(xué)的真實(shí)感，提高了教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)了學(xué)生能力的提高。

井巷特殊施工；虛擬現(xiàn)實(shí)；教學(xué)

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)VR(Virtual Reality)技術(shù)是在20世紀(jì)末逐漸興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)，其整合了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及并行處理技術(shù)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，能夠借助于計(jì)算機(jī)等設(shè)備為人們創(chuàng)建與體驗(yàn)虛擬世界環(huán)境提供有力的支持。這種虛擬世界環(huán)境是把其他現(xiàn)實(shí)環(huán)境“虛擬”到計(jì)算機(jī)中并產(chǎn)生十分“逼真”的虛擬環(huán)境，讓用戶有一種“身臨其境夢(mèng)幻般的”的感覺(jué)[1]-[3]。

VR技術(shù)具有許多引人入勝的特點(diǎn)，但歸納起來(lái)主要有以下三個(gè)最為突出的特性[4]-[6]：①沉浸性：用戶在純自然的狀態(tài)下由計(jì)算機(jī)所構(gòu)建的三維虛擬世界中處于一種“全身心的投入狀態(tài)”，給人一種身臨其境的感覺(jué)。②構(gòu)想性：借助于VR技術(shù)構(gòu)建那些在現(xiàn)實(shí)中不存在或者是不易觀察到的而只是出現(xiàn)在人們想象中的情景，從而讓用戶深化概念及萌發(fā)新意，啟發(fā)用戶的創(chuàng)造性思維，使抽象的概念具體化。③交互性：參與者可以通過(guò)使用專門的數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣和頭盔等輸入和輸出設(shè)備以自身的語(yǔ)言、動(dòng)作等自然的方式與虛擬世界中的對(duì)象進(jìn)行交互操作及交流，而不是像觀看三維動(dòng)畫那樣，僅能是被動(dòng)地接受信息或者是僅僅作為一個(gè)旁觀者。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的這些特點(diǎn)非常適合其在教育中的應(yīng)用[7]-[8]。VR技術(shù)可以使不同地域的學(xué)生享受到同一個(gè)課堂講授的內(nèi)容，可以模仿出更具特色的教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生不受空間和時(shí)間的限制，完成授課目的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特有的逼真的特點(diǎn)，也能夠給學(xué)生帶來(lái)生動(dòng)逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生在這樣的虛擬環(huán)境中不只是作為一個(gè)旁觀者，而更是作為一個(gè)參與者，從而有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，更加有利于突破教學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題，特別是傳授那些復(fù)雜技能方面，VR技術(shù)起著不可替代的作用。

二、井巷特殊施工課程簡(jiǎn)述

1.課程的性質(zhì)、目的及任務(wù)

本課程是礦山建設(shè)工程專業(yè)一門專業(yè)必修課。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生了解在松散不穩(wěn)定的含水層，或穩(wěn)定的但涌水量很大的裂隙巖層或破碎帶中，預(yù)先采用特殊的技術(shù)措施或其他科學(xué)方法，來(lái)改善施工客觀條件，而后進(jìn)行施工；或者用機(jī)械破巖方法鉆進(jìn)井筒的基本理論，熟悉凍結(jié)法、注漿法、混凝土帷幕法、鉆井法和沉井法在礦山建設(shè)工程、地下工程等領(lǐng)域的應(yīng)用，基本掌握和了解凍結(jié)、注漿、混凝土帷幕、鉆井和沉井工程設(shè)計(jì)及施工方法。

2.課程的教學(xué)內(nèi)容

（1）凍結(jié)法：壓縮制冷原理、凍土物理力學(xué)性質(zhì)、凍結(jié)溫度場(chǎng)、凍結(jié)施工法、凍結(jié)壁厚度的計(jì)算、井壁結(jié)構(gòu)和井壁受力、凍結(jié)方案、凍結(jié)法設(shè)計(jì)計(jì)算及有待解決的幾個(gè)問(wèn)題。

（2）注漿法：注漿設(shè)備、地面及工作面預(yù)注漿、注漿材料及參數(shù)、注漿法設(shè)計(jì)計(jì)算及有待解決的幾個(gè)問(wèn)題。

（3）混凝土帷幕法：槽孔的施工、泥漿下灌注混凝土、井筒掘砌、混凝土帷幕設(shè)計(jì)及有待解決的幾個(gè)問(wèn)題。

（4）鉆井法：鉆井設(shè)備、井筒鉆進(jìn)、洗井及凈化、永久支護(hù)、勞動(dòng)組織與技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、鉆進(jìn)參數(shù)、鉆井法施工設(shè)計(jì)計(jì)算及有待解決的幾個(gè)問(wèn)題。

（5）沉井法：沉井的結(jié)構(gòu)、沉井下沉前的準(zhǔn)備工作、減少側(cè)面摩阻力的方法、水下掘進(jìn)、井壁施工、封底與固井、防偏、測(cè)斜與糾偏、沉井施工設(shè)計(jì)及存在的問(wèn)題與展望。

從井巷特殊施工課程的性質(zhì)、目的任務(wù)和教學(xué)內(nèi)容來(lái)看，結(jié)合VR技術(shù)，能夠使該課程的教學(xué)效果得到極大的提高，能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、VR技術(shù)在井巷特殊施工中的運(yùn)用

1.VR技術(shù)有利于解決井巷特殊施工教學(xué)現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題

（1）VR用于教學(xué)可以彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)教學(xué)條件的不足。在教學(xué)的過(guò)程中，常常會(huì)遇到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)經(jīng)費(fèi)等限制，導(dǎo)致一些必要的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)或教學(xué)環(huán)節(jié)無(wú)法進(jìn)行。如在講述凍結(jié)法的氨循環(huán)、冷卻水和鹽水循環(huán)三大循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)可以虛擬氨循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和鹽水循環(huán)系統(tǒng)并形象地展示各個(gè)系統(tǒng)之間的相互作用。能夠使課程教學(xué)擺脫課本說(shuō)教的冷漠感，提高生動(dòng)性，達(dá)到直觀形象寓教于樂(lè)的教學(xué)效果。

（2）VR技術(shù)還可以模擬顯示在現(xiàn)實(shí)中存在，但是在一般的實(shí)驗(yàn)中或者教學(xué)環(huán)境情況下難以甚至是無(wú)法顯示的事物，比如漿液的擴(kuò)散過(guò)程，溫度場(chǎng)的形成過(guò)程，洗井液的循環(huán)過(guò)程等。針對(duì)這些問(wèn)題，可以借助虛擬現(xiàn)實(shí)的方法，建立三維模型，對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行研究。這類內(nèi)容一般都是通過(guò)施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)或者實(shí)驗(yàn)室參觀進(jìn)行學(xué)習(xí)甚至是由于缺少井巷特殊施工方面的實(shí)驗(yàn)室或者經(jīng)費(fèi)的不足不能去施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)而只能進(jìn)行課堂講解，學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體卻只能以旁觀者或者更確切地說(shuō)是旁聽者的角色被動(dòng)地參與。相反，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的凍結(jié)法、注漿法、沉井法、鉆井法和混凝土帷幕法等沉浸性環(huán)境，使學(xué)生能夠真正達(dá)到“身臨其境”的感覺(jué)，甚至是能夠融入到操作實(shí)驗(yàn)過(guò)程中。無(wú)論是課程教學(xué)或者是科普教育來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)的效果都是不言而喻的。

（3）VR技術(shù)有利于打破時(shí)間與空間對(duì)教學(xué)的限制，能夠把凍結(jié)過(guò)程、注漿擴(kuò)散過(guò)程、沉井下沉過(guò)程和鉆井鉆進(jìn)過(guò)程等一些長(zhǎng)時(shí)間變化過(guò)程壓縮到可以接受的時(shí)間內(nèi)為學(xué)生呈現(xiàn)。像這些內(nèi)容的教學(xué)或者實(shí)驗(yàn)研究都可以得到形象逼真、生動(dòng)直觀、快速完整地進(jìn)行。使學(xué)生能夠形象直觀地理解凍結(jié)法、注漿法、沉井法、鉆井法和混凝土帷幕法等施工過(guò)程。

2.VR技術(shù)兼具科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)教學(xué)理想與現(xiàn)實(shí)的統(tǒng)一

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)教育的發(fā)展水平總是處在一種資金短缺的窘境，使教學(xué)設(shè)施等的投入資金嚴(yán)重不足，無(wú)法滿足現(xiàn)有的教育需求。VR作為人類認(rèn)知學(xué)習(xí)與相關(guān)能力發(fā)展的新方法具有安全、科學(xué)、簡(jiǎn)易、形象、經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠有力的支持教育教學(xué)走向人性化、最優(yōu)化和規(guī)?；一诰W(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正在趨向于主流?；谝苿?dòng)4G甚至是5G的移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)以及局域?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和個(gè)人計(jì)算機(jī)的持續(xù)發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)化重點(diǎn)在于移動(dòng)APP和應(yīng)用軟件建設(shè)。這些軟件的開發(fā)和使用，打破了空間和時(shí)間的限制，能夠使學(xué)生隨時(shí)隨地地進(jìn)行學(xué)習(xí)，緩解了學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力，并且能夠滿足學(xué)習(xí)者對(duì)更多課程的需求，保證教學(xué)的順利實(shí)施和開展。此外，學(xué)習(xí)者還可根據(jù)自己的實(shí)際需要安排學(xué)習(xí)，可以充分利用社會(huì)資源，避免了社會(huì)資源的浪費(fèi)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的逐步成熟，VR必將能夠更加簡(jiǎn)易和經(jīng)濟(jì)，更加富有科學(xué)性與實(shí)效性，教育領(lǐng)域在教學(xué)的理想和經(jīng)濟(jì)現(xiàn)實(shí)兩者之間所面臨的矛盾和尷尬有望得到很好地解決。

四、VR技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用形式

目前，VR技術(shù)可以在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用形式主要有如下幾種：

1.VR技術(shù)應(yīng)用于井巷特殊施工課件制作

目前，課件制作主要借助于視頻、音頻和動(dòng)畫等多媒體技術(shù)的應(yīng)用以增強(qiáng)情境氣氛，缺乏學(xué)習(xí)者的現(xiàn)實(shí)參與、動(dòng)態(tài)更新和個(gè)性創(chuàng)造的樂(lè)趣。借助于VR技術(shù)進(jìn)行課件的設(shè)計(jì)開發(fā)，不僅僅可以實(shí)現(xiàn)三維空間和物體的“真三維”展示，而且還可以支持學(xué)習(xí)者的自由瀏覽與沉浸式漫游，隨意控制虛擬教學(xué)場(chǎng)景的顯示和虛擬場(chǎng)景中元素的狀態(tài)及其更新，進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)和體驗(yàn)。對(duì)于井巷特殊施工課程的教學(xué)課件制作，可以把凍結(jié)法中氨循環(huán)、冷卻水循環(huán)和鹽水循環(huán)，注漿法中的漿液擴(kuò)散過(guò)程，沉井過(guò)程和泥漿護(hù)壁等虛擬現(xiàn)實(shí)，便于學(xué)生自主、自由地渲染式學(xué)習(xí)。當(dāng)然，由于目前系統(tǒng)硬件設(shè)施的價(jià)格依然昂貴等各種條件的限制，制約了VR在教學(xué)中的應(yīng)用普及。但是隨著VR系統(tǒng)價(jià)格的不斷降低和軟件的深入開發(fā)，VR一定會(huì)作為一種新的教育技術(shù)手段而被廣泛地應(yīng)用于課程教學(xué)。

2.基于VR技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作學(xué)習(xí)

VR網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)在線學(xué)習(xí)的臨場(chǎng)參與感。因此，一個(gè)完整的VR網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)，常常應(yīng)該包括兩個(gè)子系統(tǒng)：虛擬實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)和多媒體考試子系統(tǒng)。前者應(yīng)該將凍結(jié)法、注漿法、沉井法、 鉆井法和混凝土帷幕法等井巷特殊施工方法的原理、工藝流程等進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)建。后者重點(diǎn)是運(yùn)用VR技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)上虛擬考試環(huán)境的組建，用于支持多種測(cè)評(píng)方式。

3.建立井巷特殊施工虛擬實(shí)驗(yàn)室

井巷特殊施工教學(xué)活動(dòng)中有許多教學(xué)內(nèi)容適合以VR的方式進(jìn)行展示，借助于虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，構(gòu)建凍結(jié)法、注漿法、沉井法、鉆井法和混凝土帷幕法等井巷特殊施工網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)室。這些虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠讓學(xué)生把枯燥的理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為生動(dòng)的學(xué)習(xí)，想象的概念學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)和體驗(yàn)的學(xué)習(xí)，從而更加輕松快樂(lè)和有效地獲取知識(shí)。

五、結(jié)束語(yǔ)

VR技術(shù)能夠增加井巷特殊施工課堂教學(xué)的真實(shí)感。學(xué)生借助于聽覺(jué)、視覺(jué)和觸覺(jué)等全方位的井巷建設(shè)認(rèn)識(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，能夠更好地進(jìn)行凍結(jié)法、注漿法、沉井法、鉆井法和混凝土帷幕法等井巷特殊施工新知識(shí)的學(xué)習(xí)和新技能的練習(xí)。目前，VR技術(shù)在井巷特殊施工課程教學(xué)中的應(yīng)用逐步深入，有著巨大的應(yīng)用前景。隨著VR技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用程度上的逐步加強(qiáng)，教學(xué)環(huán)境和教學(xué)條件必將得到改善，教育理念必將得到更新，并將再一次促進(jìn)我國(guó)教學(xué)質(zhì)量的進(jìn)一步提高。

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（編輯：郭桂真）

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