虚拟现实技术在井巷特殊施工课程教学中的应用*

汪学清，曹新玲，姬东晓，李星，单仁亮

（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京100083）

虚拟现实技术在井巷特殊施工课程教学中的应用*

汪学清，曹新玲，姬东晓，李星，单仁亮

（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京100083）

计算机技术、多媒体技术和计算机网络技术的出现给传统的教学模式带来了革命性的影响。虚拟现实VR（Virtual Reality)技术在井巷特殊施工教学中的有效应用，让学生在一个与现实环境十分逼真的虚拟环境中进行学习，增加了课堂教学的真实感，提高了教学质量，促进了学生能力的提高。

井巷特殊施工；虚拟现实；教学

一、虚拟现实技术概述

虚拟现实VR(Virtual Reality)技术是在20世纪末逐渐兴起的一门崭新的综合性信息技术，其整合了计算机仿真技术、计算机图形图像处理技术、人机接口技术、传感器技术、人工智能、多媒体技术、网络及并行处理技术等基础上发展起来的高新技术，能够借助于计算机等设备为人们创建与体验虚拟世界环境提供有力的支持。这种虚拟世界环境是把其他现实环境“虚拟”到计算机中并产生十分“逼真”的虚拟环境，让用户有一种“身临其境梦幻般的”的感觉[1]-[3]。

VR技术具有许多引人入胜的特点，但归纳起来主要有以下三个最为突出的特性[4]-[6]：①沉浸性：用户在纯自然的状态下由计算机所构建的三维虚拟世界中处于一种“全身心的投入状态”，给人一种身临其境的感觉。②构想性：借助于VR技术构建那些在现实中不存在或者是不易观察到的而只是出现在人们想象中的情景，从而让用户深化概念及萌发新意，启发用户的创造性思维，使抽象的概念具体化。③交互性：参与者可以通过使用专门的数据手套、数据衣和头盔等输入和输出设备以自身的语言、动作等自然的方式与虚拟世界中的对象进行交互操作及交流，而不是像观看三维动画那样，仅能是被动地接受信息或者是仅仅作为一个旁观者。

虚拟现实技术的这些特点非常适合其在教育中的应用[7]-[8]。VR技术可以使不同地域的学生享受到同一个课堂讲授的内容，可以模仿出更具特色的教学环境，使学生不受空间和时间的限制，完成授课目的。虚拟现实技术特有的逼真的特点，也能够给学生带来生动逼真的学习环境，使学生在这样的虚拟环境中不只是作为一个旁观者，而更是作为一个参与者，从而有利于调动学生的学习积极性，激发他们的学习兴趣，更加有利于突破教学中的重点、难点问题，特别是传授那些复杂技能方面，VR技术起着不可替代的作用。

二、井巷特殊施工课程简述

1.课程的性质、目的及任务

本课程是矿山建设工程专业一门专业必修课。通过本课程的学习使学生了解在松散不稳定的含水层，或稳定的但涌水量很大的裂隙岩层或破碎带中，预先采用特殊的技术措施或其他科学方法，来改善施工客观条件，而后进行施工；或者用机械破岩方法钻进井筒的基本理论，熟悉冻结法、注浆法、混凝土帷幕法、钻井法和沉井法在矿山建设工程、地下工程等领域的应用，基本掌握和了解冻结、注浆、混凝土帷幕、钻井和沉井工程设计及施工方法。

2.课程的教学内容

（1）冻结法：压缩制冷原理、冻土物理力学性质、冻结温度场、冻结施工法、冻结壁厚度的计算、井壁结构和井壁受力、冻结方案、冻结法设计计算及有待解决的几个问题。

（2）注浆法：注浆设备、地面及工作面预注浆、注浆材料及参数、注浆法设计计算及有待解决的几个问题。

（3）混凝土帷幕法：槽孔的施工、泥浆下灌注混凝土、井筒掘砌、混凝土帷幕设计及有待解决的几个问题。

（4）钻井法：钻井设备、井筒钻进、洗井及净化、永久支护、劳动组织与技术经济指标、钻进参数、钻井法施工设计计算及有待解决的几个问题。

（5）沉井法：沉井的结构、沉井下沉前的准备工作、减少侧面摩阻力的方法、水下掘进、井壁施工、封底与固井、防偏、测斜与纠偏、沉井施工设计及存在的问题与展望。

从井巷特殊施工课程的性质、目的任务和教学内容来看，结合VR技术，能够使该课程的教学效果得到极大的提高，能够极大地激发学生的学习兴趣。

三、VR技术在井巷特殊施工中的运用

1.VR技术有利于解决井巷特殊施工教学现实中的问题

（1）VR用于教学可以弥补现实教学条件的不足。在教学的过程中，常常会遇到实验场地、实验设备、教学经费等限制，导致一些必要的实验活动或教学环节无法进行。如在讲述冻结法的氨循环、冷却水和盐水循环三大循环系统时，虚拟现实可以虚拟氨循环系统、冷却水循环系统和盐水循环系统并形象地展示各个系统之间的相互作用。能够使课程教学摆脱课本说教的冷漠感，提高生动性，达到直观形象寓教于乐的教学效果。

（2）VR技术还可以模拟显示在现实中存在，但是在一般的实验中或者教学环境情况下难以甚至是无法显示的事物，比如浆液的扩散过程，温度场的形成过程，洗井液的循环过程等。针对这些问题，可以借助虚拟现实的方法，建立三维模型，对这些问题进行研究。这类内容一般都是通过施工作业现场或者实验室参观进行学习甚至是由于缺少井巷特殊施工方面的实验室或者经费的不足不能去施工作业现场进行参观学习而只能进行课堂讲解，学生作为学习的主体却只能以旁观者或者更确切地说是旁听者的角色被动地参与。相反，通过虚拟现实技术构建的冻结法、注浆法、沉井法、钻井法和混凝土帷幕法等沉浸性环境，使学生能够真正达到“身临其境”的感觉，甚至是能够融入到操作实验过程中。无论是课程教学或者是科普教育来说，虚拟现实的效果都是不言而喻的。

（3）VR技术有利于打破时间与空间对教学的限制，能够把冻结过程、注浆扩散过程、沉井下沉过程和钻井钻进过程等一些长时间变化过程压缩到可以接受的时间内为学生呈现。像这些内容的教学或者实验研究都可以得到形象逼真、生动直观、快速完整地进行。使学生能够形象直观地理解冻结法、注浆法、沉井法、钻井法和混凝土帷幕法等施工过程。

2.VR技术兼具科学性和经济性，实现教学理想与现实的统一

长期以来，我国教育的发展水平总是处在一种资金短缺的窘境，使教学设施等的投入资金严重不足，无法满足现有的教育需求。VR作为人类认知学习与相关能力发展的新方法具有安全、科学、简易、形象、经济、适应性强等诸多优点，能够有力的支持教育教学走向人性化、最优化和规模化，而且基于网络的虚拟现实技术正在趋向于主流。基于移动4G甚至是5G的移动宽带网络以及局域宽带网络平台和个人计算机的持续发展，虚拟现实的网络化重点在于移动APP和应用软件建设。这些软件的开发和使用，打破了空间和时间的限制，能够使学生随时随地地进行学习，缓解了学生的学习压力，并且能够满足学习者对更多课程的需求，保证教学的顺利实施和开展。此外，学习者还可根据自己的实际需要安排学习，可以充分利用社会资源，避免了社会资源的浪费。随着虚拟现实技术的逐步成熟，VR必将能够更加简易和经济，更加富有科学性与实效性，教育领域在教学的理想和经济现实两者之间所面临的矛盾和尴尬有望得到很好地解决。

四、VR技术的教学应用形式

目前，VR技术可以在教育教学领域的应用形式主要有如下几种：

1.VR技术应用于井巷特殊施工课件制作

目前，课件制作主要借助于视频、音频和动画等多媒体技术的应用以增强情境气氛，缺乏学习者的现实参与、动态更新和个性创造的乐趣。借助于VR技术进行课件的设计开发，不仅仅可以实现三维空间和物体的“真三维”展示，而且还可以支持学习者的自由浏览与沉浸式漫游，随意控制虚拟教学场景的显示和虚拟场景中元素的状态及其更新，进行个性化学习和体验。对于井巷特殊施工课程的教学课件制作，可以把冻结法中氨循环、冷却水循环和盐水循环，注浆法中的浆液扩散过程，沉井过程和泥浆护壁等虚拟现实，便于学生自主、自由地渲染式学习。当然，由于目前系统硬件设施的价格依然昂贵等各种条件的限制，制约了VR在教学中的应用普及。但是随着VR系统价格的不断降低和软件的深入开发，VR一定会作为一种新的教育技术手段而被广泛地应用于课程教学。

2.基于VR技术的网络协作学习

VR网络化教学系统重点强调在线学习的临场参与感。因此，一个完整的VR网络化教学系统，常常应该包括两个子系统：虚拟实验子系统和多媒体考试子系统。前者应该将冻结法、注浆法、沉井法、 钻井法和混凝土帷幕法等井巷特殊施工方法的原理、工艺流程等进行虚拟现实构建。后者重点是运用VR技术进行网上虚拟考试环境的组建，用于支持多种测评方式。

3.建立井巷特殊施工虚拟实验室

井巷特殊施工教学活动中有许多教学内容适合以VR的方式进行展示，借助于虚拟现实实验技术，构建冻结法、注浆法、沉井法、钻井法和混凝土帷幕法等井巷特殊施工网络化虚拟实验室。这些虚拟实验室能够让学生把枯燥的理论学习转化为生动的学习，想象的概念学习转化为现实的学习和体验的学习，从而更加轻松快乐和有效地获取知识。

五、结束语

VR技术能够增加井巷特殊施工课堂教学的真实感。学生借助于听觉、视觉和触觉等全方位的井巷建设认识虚拟现实环境，能够更好地进行冻结法、注浆法、沉井法、钻井法和混凝土帷幕法等井巷特殊施工新知识的学习和新技能的练习。目前，VR技术在井巷特殊施工课程教学中的应用逐步深入，有着巨大的应用前景。随着VR技术在教学应用程度上的逐步加强，教学环境和教学条件必将得到改善，教育理念必将得到更新，并将再一次促进我国教学质量的进一步提高。

[1]黄鑫.基于VR技术的虚拟教学应用研究[J].江西教育学院学报(综合),2008,29(3):50-52.

[2]王腼.基于VR展示与交互的教学系统设计与实现[D].上海:上海交通大学,2012.

[3]张泽旭.环境设计教学中虚拟现实技术的应用[J].质量探索,2016,04:85-86.

[4]王琳.3D虚拟现实技术在教育教学中的应用策略探析[J].中国教育技术装备,2016,06:3-5.

[5]张巧生.VR在教学中的应用研究[J].甘肃科技, 2009,25(24):160-162.

[6]况扬,汪欣.虚拟现实技术在教育教学中的应用[J].中国成人教育,2016,10:110-112.

[7]任能栋.虚拟现实技术在教学中应用的探讨[J].电子世界,2016,19:60-61.

[8]王慧婷.浅析虚拟现实技术及实践教学的虚拟化[J].课程教育研究,2016,02:22-23.

[9]杨芳.虚拟现实技术应用于建筑类设计课程教学的探讨[J].艺术品鉴,2016,08:269.

（编辑：郭桂真）

G434

：A

：1673-8454（2017）10-0038-03

中央高校基本科研业务费资助(2009QL11)。