基于VR的《桩基测试技术》可视化教学研究

彭曙光

（安徽建筑工业学院 土木工程学院，安徽 合肥 230601）

基于VR的《桩基测试技术》可视化教学研究

彭曙光

（安徽建筑工业学院 土木工程学院，安徽 合肥 230601）

针对《桩基测试技术》课程特点，运用虚拟现实技术进行教学方式改革，建立具有交互性、沉浸性和想像力的三维仿真虚拟教学环境，解决课程教学与实践脱节的缺陷，提高教学效果.

桩基测试；可视化；虚拟现实

1 引言

《桩基测试技术》是勘察工程专业的一门重要的专业课，通过这门课的教学，使学生掌握桩基测试的基本原理、仪器设备、操作规程、资料整理及其成果应用等方面知识，在此基础上使学生对检测结果具有一定分析和解决问题的能力，为工程建设和科学研究工作打下基础.这门课的特点是实践性很强，操作起来也很复杂，而现在的课堂讲授限于常规多媒体教学方式的局限，很难使学生理解和掌握，而其中一些检测设备比较昂贵，一些院校很难配置，学生无法动手操作，从而不能达到较好的教学效果，为改善这种局面，引入新的教学手段，进行教学方式的变革，十分必要.

虚拟现实（Virtual Reality,简称VR）技术是一门随着计算机技术发展起来的三维虚拟环境创建技术，通过三维建模、网络互联等技术，在计算机中建立与真实环境相同或相似的虚拟环境，使用户在虚拟环境中有身临其境之感，并能与虚拟环境进行互动，从定性和定量的综合集成的环境中获取感性和理性的认识，具有沉浸性、交互性和想像力的特点.现在已经广泛应用于多个领域，在教育方面由于其交互性和生动的表现效果，多用于教学课件的模拟制作和模拟操作，具有传统多媒体教学无可比拟的优越性[1].

2 虚拟现实技术在《桩基测试技术》教学上的运用

《桩基测试技术》是一种实践性很强的课程，包括理论教学和实践教学两部分课程内容.在理论教学中，一些桩基测试方法步骤和设备复杂，知识点多，用传统的多媒体如图片、动画、视频很难达到理想的效果；而在实践教学环境，要求学生动手操作，由于测试设备昂贵、台数少、或者不具备真实的测试条件（如工地有一定的危险性或缺少实习的基地），实践环节很难全面开展.而引入虚拟现实技术，建立高度仿真的虚拟桩基测试平台，用交互性的三维动态模型演示桩基测试原理和过程，改变了传统的教学模式，增加了教学方式的感染力和吸引力，提高了学生学习的兴趣和主动性，并且不受教学次数的限制.在实习条件有限的情况下，不需要增加教学成本，就可极大地改善了教学的效果.

创建可视化虚拟桩基测试教学平台，是开展虚拟化教学的前提.现在流行的大量成熟的商业化VR软件给我们提供了极大的便利.我们根据桩基测试设备比较复杂，互动性水平要求较高的特点，选择了Virtools软件.Virtools是一套整合软件，可以将现有常用的档案格式整合在一起，如3D的模型、2D图形或音效等，这样可以充分利用现有的一些多媒体素材.利用这样一套具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑能力，可制作出符合需要的虚拟现实桩基测试的教学平台[2].平台创建的流程是：首先根据教学内容利用三维建模软件如3Dmax的BB功能模块实现物体的识别，然后用BB和VSL脚本共同实现测试过程的交互，最后在建立桩基测试的三维模型（包括测试仪器和环境如基桩、土体、承台等），再利用Virtools提供Vir-tools编辑环境中输出为最终的虚拟教学平台系统文件.教学过程中，我们既可以单独运行虚拟测试平台文件，利用鼠标或键盘进行演示和交互式教学，也可以将其嵌入到传统的多媒体教学文件如PPT、网络教学的网页进行教学[3].

3 基于VR的桩身工作状态下应力应变的虚拟测试教学系统

测量桩基在工作状态下的应力应变是桩基测试技术中重要的内容之一.实际检测时，首先要在桩身安装多个传感器，包括钢筋应力传感器、位移传感器，必要时还需要在桩侧安装土压力传感器、孔隙水压力传感器[4]，测试周期一般要持续很长的时间.而在实际教学中，由于教学条件的限制，这些都很难具备.我们可以利用虚拟现实技术，建立三维的虚拟测试环境和设备，如图1所示.虚拟环境中创建了测试的基桩和安装好的传感器（图2），甚至虚拟荷载、线缆、桩侧和桩端的土体、测试终端（如频率计）等.教学时，学生可以利用鼠标或其它控制设备任意地移动、缩放、旋转模型，从而从多角度、全方位地观察测试仪器设备情况，同时可以在虚拟基桩上进行模拟加载，根据虚拟环境中各传感器对加载预置的行为反应，传感器的数据发生相应的变化，这些会从虚拟的测试终端上显示出来.

为了充分发挥虚拟教学的优点，我们将在实际检测仪器上不能直接显示的钢筋应力和土压力（实际的测试终端只能显示频率值，要人工计算转换为实际的应力、应变）在虚拟系统中直接转换为应力值和应变值，在虚拟终端上显示出来，并可以通过点击选择的方式，缩放虚拟仪器的显示终端，以观看仪器的细节和显示数值的变化，以了解虚拟测试的结果（图 3）.

图1

图2

图3

4 结论

利用虚拟现实技术制作的桩基测试的教学平台，解决了这门课程固有的设备复杂、昂贵、实习困难的缺点，改进了学生认知结构的形成和发展，相对于传统的课堂语言文字讲授的方式和普通的多媒体教学课件辅助教学方式，具有真实感强、三维互动、启发性好，有利于发挥学生的主动性，提高了教学质量和教学效率.在我们的教学实践中，也很好地证明了这一点.随着虚拟现实技术的发展，我们可以将其更多地用于各种课程的课堂教学和实践教学中，充分发挥VR技术在工程类高等教育方面的教学优势，具有良好的发展前景.

〔1〕郭磊，王力.基于VR技术的《环境设施设计》课程教学实践 [J].计算机光盘软件与应用，201（9）：241.

〔2〕刘建军，路彦锋.《固体物理》课程虚拟现实可视化教学的研究与实践[J].淮北煤碳师范学院学报（自然科学版），2010，31（4）：91-93.

〔3〕李国成,黎丹，等.虚拟现实技术在岩土工程中的应用简述[J].建筑技术，2006,37(3):209-211.

〔4〕中国建筑科学研究院.建筑基桩检测技术规范(JGJ 106-2003)[M].北京:中国建筑工业出版社2003.

〔5〕严钧,李洪.运用虚拟现实技术编制多媒体课件的研究与实践 [J].高等建筑教育，2008,17(5)147-149.

G642

A

1673-260X（2012）07-0227-02

安徽省高校省级自然科学基金研究项目(KJ2009A101)