基于虚拟仿真技术的水文地质学实验课教学设计

摘要：作者以虚拟仿真技术为依托，以水文地质学实验教学项目为基础，进行了水文地质学虚拟仿真实验教学系统的开发研究；分析了水文地质学实验教学现状，提出了虚拟仿真实验系统的设计思路和规划，并以孔隙与水实验为例，详细介绍了典型虚拟仿真实验项目的构建过程，以期能够借助虚拟仿真实验项目开发，探索水文地质学实验课教学改革的新路径，促进水文地质学教学信息化的发展以及实现线上线下融合式教学，为水文地质学教学改革提供更多的途径。

关键词：虚拟仿真技术；水文地质学；实验教学；教学设计

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）06-0100-05

问题的提出

水文地质学是研究地下水的学科，也是一门实践性、综合性很强的学科，其基本概念和原理容易理解而不容易深入掌握和灵活应用。实验教学是水文地质学基础课程实践环节中十分重要的组成部分，通过实验使学生能深入掌握水文地质学的基本原理和方法，强化对地下水的感性认识，有利于提高学生分析和解决问题的能力。然而，目前大多数实验教学的现状是实验课时偏少、实验设备紧张、实验室开放性差、实验内容陈旧或设备落后等，导致学生的学习兴趣不高，实践能力和创新思维能力普遍偏弱。

在计算机技术和科学技术快速发展的今天，推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，是提高高等教育实验教学质量和实践育人水平的必由之路，也是顺应现代大学生成长的新特点、信息化时代教育教学的新规律。[1-3]虚拟实验技术越来越广泛地被运用于高校的实验教学，它在高校的实验教学活动中具有广阔的应用前景。[4-5]

笔者以虚拟仿真技术为依托，以水文地质学实验教学项目为基础，进行了水文地质学虚拟仿真实验教学系统的开发研究，目的在于突破实验教学场地和设备的限制、创新实验内容、拓展实验思路，真正实现线上线下相结合的融合式实验教学，以提高学生实践能力和创新精神，为水文地质学实验课教学改革创新提供更多的可能途径。

水文地质学实验教学现状

水文地质学是地质类、地质工程类等与地下水有关的专业的一门重要的基础课程。近年来，在工程教育专业认证和高等教育课程改革背景下，水文地质学课程教学计划学时不断压缩，由原来的38+10（实验）压缩为24+8（实验）。因此，如何以小课时实现大容量、高质量、高效率的课程目标，并且更加注重实践与创新能力培养、思想素质培养等问题，是笔者在多年的教学过程中一直不断思索的问题。

目前，水文地质学实践教学内容主要包括室内实验部分和实习部分，室内实验室是提供学生认识概念化、理想化的水文地质模型以及掌握小尺度水文地质参数的测定方法的平台，用来培养学生掌握基础实验知识和实验方法技能。[6]开设的基础实验有孔隙与水实验、达西渗流实验、砂土中水的毛细运动实验、潜水和承压水模拟演示等，规定的实验学时为6～8学时，面向地质工程、勘查技术与工程、资源勘查工程3个专业6个自然班的教学。室内实验教学的现状：一是实验室空间小、实验仪器数量有限，需要学生分批分组进行实验，不能保证每位学生都能全程参与实验操作；二是实验学时和时长受限，学生需要在短时间内完成规定的实验任务，往往匆忙做实验而缺乏思考和创新；三是实验室开放性差，传统的实验室管理使得面向本科生实验教学的开放性实验难以全面开展；四是在开展线上课教学时，依赖于实验室场所和仪器的实验内容都无法正常进行。针对以上问题，笔者提出了水文地质学虚拟仿真实验系统构建的方案。

基于虚拟仿真技术的水文地质学实验教学系统的设计

1.设计目标

水文地质学实验教学系统开发以虚拟仿真技术为核心，以Web开发技术为手段进行系统研发，系统页面布局采用B/S结构模式，并采用Jquery和JavaScript技术实现虚拟实验交互效果。系统将应用于水文地质学实验课的教学和分析评价过程，实现实验教学及过程评价的信息化、智能化。系统开发的总体目标主要有：优化实验项目和实验过程，以便于虚拟仿真实验项目的建立；利用三维建模技术、编程技术和可视化动画演示技术，实现实验项目的仪器展示及实验原理、实验过程、操作步骤等全方位演示；利用前端网页设计技术，构建水文地质学虚拟仿真实验系统，完成实验教学过程，增强课堂教学表现力和教学效果；指导学生自主学习，完成线上自主实验课的内容，通过自主学习深度理解水文地质学基本概念及基本原理，强化实验课教学效果，实现实验课线上线下相结合的融合式教学。

2.系统开发规划和分析

根据实验教学系统设计目标、使用用户的需求以及达到的预期效果，进行系统化的分析，确立实验系统的功能模块和逻辑架构。

虚拟仿真实验系统是基于Web技术开发的，系统功能主要由前端和后端两个功能模块构成。前端是以网页形式展现的人机交互界面，是为教师和学生的使用服务的，分为登录界面和系统主界面；后端是基于虚拟仿真技术、数据库而建立的系统后台核心技术，是为管理人员提供对系统进行维护和管理的功能。图1所示是虚拟仿真实验系统功能结构导图，前端功能有用户登录、实验简介、实验项目、实验流程、相关资料下载等，后端主要功能是系统维护、课程管理、成绩管理，其中课程管理包含了三维建模和虚拟仿真技术的核心内容。

3.实验优化与三维建模——以孔隙与水实验为例

地下水在岩土空隙中的运动是一个复杂的地学现象和过程，室内实验提供的是概念化、理想化的水文地质模型以及小尺度水文地质参数的测定方法，要将这一过程和测定方法转化为可视化的虚拟仿真实验，就需要对实验内容、实验仪器、实验过程做必要的优化处理，以便于虚拟仿真实验的建立。水文地质学教学计划中的实验课项目主要有达西渗流实验、孔隙与水实验、砂土中毛细水上升高度观测实验及潜水和承压水模拟演示。现以孔隙与水实验为例，介绍基于虚拟仿真技术的实验系统开发过程。

（1）实验介绍

孔隙与水实验是利用给水度仪在实验室通过观测水在砂柱中缓慢渗流，使砂柱饱和从而测定砂样的孔隙度、给水度和持水度的方法。孔隙度是表征岩土体中孔隙多少的量；给水度和持水度是表征地下水位下降时，岩土体在重力作用下释出和滞留水分的能力。岩土空隙是地下水赋存的场所和流动的通道，空隙的大小、多少、连通程度及其空间分布情况，都会影响其储容、滞留、释出及传输水分的能力。这些水文地质参数是水文地质学课程体系中十分重要的基础理论，通过实验可使学生深入理解松散岩土的孔隙度、给水度和持水度的基本概念，熟练掌握实验室测定方法。实验仪器主要有给水度仪（砂样筒、透水石、底部漏斗、滴定管A、滴定管B、链接软管、支架等）、秒表、量筒、量杯等。[7-8]

但是现实的复杂与虚拟的简化，是仿真实验设计必须考虑的关键问题。考虑到建模难度及对实验结果的影响程度等因素，笔者结合实验教学经验，对给水度仪进行了仪器改进和优化处理。例如，将试验台做凹槽改进，以方便上下移动滴定管不受阻；简化了砂样筒与软管连接装置；进出水管及阀门开关做了改进；实验台面增加了水箱以便砂样筒及透水石标定（如图2）；水在砂样中的渗流运动只演示宏观运动现象而不展示微观迹象；将实验流程进行指令化分解，形成一系列流程步骤等。

（2）三维建模工具和技术

虚拟仿真实验构建的关键技术是三维模型创建和虚拟动画设计。选择一款适合的建模软件至关重要，鉴于Blender软件建模与动画设计等方面的便捷操作及开源的属性，首选Blender为开发主要软件，以AutoCAD软件为辅助。

Blender是一款开源的三维建模和动画制作软件，提供从建模、动画、材质、渲染，到后期处理等一系列动画短片制作解决方案。[9]Blender的特点是：适应多系统，有着跨平台高兼容性；内置Python的BPY工具包，扩展性强；开放源码，拓展性强，包含众多使用插件；内置的Eevee渲染器，只需极少的硬件及时间资源即可渲染出高质量的作品，能大大加快制作流程；软件体积小巧，便于分发。[10]在虚拟仿真实验建设的整个过程中需要建模、渲染、动画制作、后期处理等多种软件进行配合，多软件协同创作增加了学习成本以及经济成本，这也是虚拟实验开发的难点和痛点问题。Blender提供的功能正好可以综合解决以上问题。[11]

依照原实验仪器和改进设想，先将仪器拆分成许多独立的元件，以便建立元件模型库，然后在AutoCAD软件中进行仪器尺寸设计，绘制俯视图、侧视图及前视图等，以确定模型的空间尺寸坐标，接着利用Blender直接导入CAD图形，并在此基础上对实验仪器及零部元件进行布局和创建，最终完成建模。在Blender的Modeling选项卡中可直接进行建模，在“编辑模式”下可以进行“点线面”的绘制，使用复制、移动、缩放、旋转、环切及布尔运算等功能构建给水度仪的三维仿真模型（如下页图3），并建立给水度仪的元件模型库。

（3）虚拟动画制作

孔隙与水实验具体的实验内容：①熟悉试样给水度仪的结构，了解仪器的工作原理；②测定试样的孔隙度、给水度和持水度；③了解透水石的原理与作用，标定仪器透水石的负压。这三个方面的仿真动画开发实质上包括了结构动画和工作流程动画这两个部分。

给水度仪的结构及工作原理展示就是结构动画，即通过三维模型以动画演示的形式全面展示实验仪器的外观样式大小及内部构造，使学生全面、细致地了解实验仪器的结构及工作原理。孔隙与水实验结构动画制作比较简单，在三维几何模型基础上，利用Blender进行贴图、烘焙和材质渲染，构建出逼真的三维仿真模型，通过使用旋转、拆分、漫游、组合等多种动画形式全方位演示实验仪器结构。

孔隙与水实验的实验流程动画是用动作指令的动画形式表现出实验过程，即如何使用实验仪器和实验材料，按照一定的顺序连续进行操作，最终完成实验的过程与方法。此部分的关键点是指令化工序一定要明确，因为在按照工序知识点制作动画开始后，其动画内容操作不可逆将无法改动，否则就要重新开始制作。实验流程动画制作的重点在于创建符合实验流程的演示效果，首先就是对实验过程进行指令化分解，形成可实现的动画指令步骤，具体指令化分解过程如图4所示。

依据以上动画流程工序，使用Blender的Animation功能，采用关键帧制作动画，设置帧率为30fps，视频分辨率为SVGA800×600，在时间轴窗口中输入开始和结束帧以及输出属性，通过路径动画、旋转、缩放、视窗动画等功能渲染动画，即可完成一个动作指令动画。然后，利用视频编辑软件将一个个独立的动画片段进行编辑、剪辑、配音等后期制作，合成为完整的动画视频。

4.系统的设计和实施

系统的设计和实施涉及多个方面，包括需求分析、架构设计、界面设计、数据库设计、编码开发、测试与部署等环节。本系统根据教师团队多年的教学经验确定系统的功能需求，初步开发出原型模型，在学生中挑选部分学生对原型模型进行使用和反馈，根据反馈信息最终确定系统的功能、开发架构和界面。

在技术选型上系统采用了B/S架构并采用了前后端分离的开发方式。B/S架构模式简化了客户端的操作，又降低了系统运维的复杂度和成本支出，提高了系统安全性。同时，B/S架构的集成度高，解决了网络资源分散、难以管理的问题。用户只要安装有浏览器即可随时进行实验教学和实验操作。[12]前端采用Vue实现，后端使用了Java语言实现，具体开发框架包括Redis、Spring、Spring Mvc、Mybatis和Spring Boot等，数据存储采用Mysql数据库。[13-14]实现了用户认证和权限管理、实验设计、实验过程控制、实验数据展示、实验数据存储和分析、实验报告生成等功能。

学生通过PC端进入水文地质学虚拟仿真实验系统，无需任何特殊辅助装备，利用鼠标、键盘即可在虚拟场景中完成对实验设备的预览、操作及各项实验任务的全过程操作；依据实验任务书的要求，学生可自主完成实验任务预习、实验仪器预览与认识、实验过程预览及实验操作等，并按照任务书要求完成实验操作及问题解答。