三维可视化技术在工程地质教学中的应用及效果评价

杜明亮++吴彬

摘要：工程地质教学中的重点与难点之一是地质体的空间重构与分析，而这正是三维可视化技术的强项。针对以往教学中平面图无法充分地展示地质体的三维特征及三维空间分析的问题，基于地质学基本理论，结合三维建模技术，建立满足于教学实际需求的三维模型，并将该模型应用于教学中的地质基本概念、工程勘察、地质体空间分析计算、图件绘制等方面。通過不记名问卷调查的反馈结果，表明教学效果较好，对工程地质课程中相关知识的学习及相关技能的提升具有较大的帮助。

关键词：工程地质；教学；三维可视化

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）37-0200-04

三维可视化技术是目前科技发展的代表性产物，是各行各业争先发展的核心竞争手段。该技术目前已广泛应用于实践中，并取得了大量的应用成果。但在教学中的应用目前还没有得到普及，只要少量地应用于医学类[1-2]、地矿类[3-5]、水利工程类[6-7]等的教学当中。

工程地质是工程类专业的专业基础必修课，重要性不言而喻。以往教学中涉及三维地质体及空间分析时，往往采用实物模型或者二维图件辅助教学，但是实物模型比较笨重并且无法查看内部地质结构；二维图件能够反映各类地质现象，但空间立体感较差，尤其对于初学专业课程的学生来说，理解难度较大。三维可视化技术可以很好地解决上述的问题，而且通过实践证明具有明显的教学效果，同时也为相关类课程提供了一种有效的教学手段。

一、三维可视化技术在教学应用中的意义

（一）工程地质课程教学中二维设计的某些不足

工程地质课程的传统教学模式中，所有地质体的表达基本都采用二维形式，而空间中的各类地质体是以三维形式存在的，这就需要教师通过一定的方法将二维转化为三维形式，尤其对于复杂地质体而言，教师花费的时间和精力较多，但是相对较少的课堂教学时间无法很好地完成教学任务，最终造成教学效果不太理想。

（二）利用三维地质可视化模型进行相关的计算分析

以往，我们只能通过二维图来说明三维空间的地质问题，比如块体空间关系、地质构造的交切关系、溶洞和脉体的空间展布等，常常要结合平面图、剖面图和平切图一起来表现。三维地质可视化模型是这样一个平台，提供多种实时分析工具，能够随时获取任意位置的地质剖面图或平切图，还可以是任意位置的三维剖切模型。模型三维空间分析功能不仅改进了传统表现方式的实现途径，比如生成地质曲面等值线更加直观，而且弥补了传统方法的不足，比如方量计算由剖面近似法转变为直接求三维模型的体积。

（三）培养学生与时俱进的工作技能

三维协同设计目前已是各个设计单位的基本工作流程，大大提高了工作效率，也避免了以往工作中容易产生的人为错误。而目前大部分高校对三维设计讲授的普及率还不高，这就造成了学生工作后需要重新学习该项技能，增加了用人单位的人才培养成本。因此将三维可视化技术应用在教学中，不仅对工程地质课程有所帮助，同样对提升学生的工作技能、适应社会的需求、促进就业等方面都具有明显的积极作用。

二、三维可视化技术在教学中的应用

（一）地质图的综合阅读

地质图是工程地质勘察的主要成果之一，在工程实践中占有非常重要的作用。目前在生产实践中使用的地质图主要都是二维图件，而地质体是三维的概念，因此学生在刚开始接触地质图件时，较难在脑海中将二维图转化为空间三维模型，以往都是通过不断地讲授、训练以达到目的，往往需要耗费较长的时间，而且教学效果也不太明显。而借助三维可视化模型，这种现象可以得到大大的改善。

平面地质图的阅读是工程地质课程讲授中较为重要的章节，地质图反映的各类地质条件较多而且比较复杂，主要包括：地形地貌、地层岩性、地质构造、物理地质现象、勘探等。教学过程中首先介绍二维图件的读图方法，并将各类地质条件进行分解并逐一讲解，让学生在脑海中有一个大概的空间形象，再结合三维可视化模型，让学生有直观的视觉感受，之后再返回二维地质图的讲解，使学生在脑海中建立二维平面到三维的空间转换的概念，最终完成地质图的阅读。三维可视化教学过程见图1。

（二）各类方量计算

各类土石方量的计算是工程地质勘察的主要内容，也是工程地质教学中的重点之一。目前计算方量的方法有算术平均法、平行断面法和三角形法等。以上三种方法都是一种近似的方法，与实际的方量或多或少会有些许差异，而且由于计算方法复杂，学生往往理解起来较为困难，教学效果不理想。而三维计算技术的发展，为准确地计算方量提供了技术的可行性。三维模型计算方量时是把三维实体划分为有限个立方体，通过计算每个立方体的体积再求和，即可得到地质体的体积，网格划分得越密计算的结果也就越准确。因此只要建立了三维模型，就可以任意切割三维实体，并计算该实体的具体方量。具体如下图所示：

（三）各类地质图件的绘制

以往各类工程地质图件绘制的教学过程中，往往需要花费较多的课堂时间，尤其是对于地质条件较为复杂的区域，花费的时间更多，而且学生理解起来也较为困难。而通过三模型可以快速地绘制常见的几类工程地质图件，而且不会产生人为的错误，大大地提高了工作的效率，这也是建立三维模型的重要目的之一。例如，剖面图是工程地质中最重要的二维图件之一。通过剖面图可以掌握地面以下地质体的分布情况及其规律，通过三维模型，可以快速地绘制任意的剖面，而且不会产生剖面相交时交点对不上的错误，大大地提高了工作效率，如图3所示：

平切图一般作为地基质量评价的重要图件，尤其是对建基面的评价具有至关重要的作用。通过三维模型可以快速地绘制出任意高程的平切图件，而且可以任意地添加需要的地质信息，如图4所示：

三、教学效果评价

（一）基本情况

参加本次三维地质可视化教学应用的班级主要为新疆农业大学水利与土木工程学院农水111、农水122、水管122，共计114人，全数来自大学二年级，对三维地质可视化大部分学生都没有接触过，只有部分学生有过简单的接触或者听说过。经详细统计，73%的学生从未接触过三维地质可视化模型，对该方面的知识完全空白；27%的学生对三维地质可视化模型有过简单的接触，或者有一定的概念，但不熟悉；没有一个学生有过三维地质建模的经历。具体如下图所示：endprint

（二）效果评价

通过问卷调查86%的学生认为本次案例库授课对自己的专业知识是有帮助的，14%的学生认为帮助一般或者没有帮助。这表明了大部分同学都认同本次三维地质案例库教学发揮的作用。

有54%的学生认为通过案例库教学对某些地质问题的分析认识更深了，30%的学生认为对地质平面图的认识更深了，16%的学生认为对地质概念认识更深了。总之，作为《工程地质》课程教学过程中的一种辅助手段，三维地质可视化教学发挥了应有的作用，在今后的教学过程中应继续发挥案例库的优势，促进学生更好地掌握工程地质相关知识。

四、存在的不足及建议

（一）存在的不足

三维可视化教学虽然效果比较显著，但在教学过程中也发现了部分问题，具体如下：

1.需进一步将三维可视化模型与工程地质教学相关知识点联结。由于时间以及资料有限，还有部分地质现象没有完全反映在可视化模型当中，例如水文地质条件等，这需要在今后的教学中不断完善。

2.学生缺少三维可视化实践经验。虽然三维可视化的视觉感官比较强烈，便于学生理解，但是具体模型的建立是个比较系统、复杂的工程，学生如果只是在课堂上听老师的讲解而不能亲自操作建模，这对工程地质相关的知识还是不能够完全理解透彻。

3.教学模式需相应地进行调整。如果只是通过传统教学模式讲授三维可视化模型，学生完全是被动接受，虽然开始阶段兴趣较大，但是随着教学难度、深度加大，学生往往会失去兴趣。这就需要增加新的教学手段，例如翻转课堂，让学生在课后通过上机实际操作，然后课堂上对相关知识点进行讲解，这样会大大提高教学效率。

（二）建议

为有效解决工程地质教学中的难点问题，并不断更新和提高学生的知识技能，高效高质地培养符合时代需求的大学毕业生，同时也为了日后更好地完成工程地质课程的教学，为教师提供新的教学手段，为学生提供新的学习方法，特有以下几点建议：

1.继续完善三维可视化模型。为了将三维可视化模型与工程地质课程教学更好地结合起来，还需进一步完善模型，尽可能将更多的知识点与三维可视化模型相结合，起到事半功倍的效果。

2.增加与三维可视化教学相配套的教学方法。三维可视化教学具有可视化强、难度高、知识点多、实践经验强等特点。正是由于这些特点决定了传统教学方法不能很好地服务于教学，因此建议将一些新兴的教学手段应用于课堂中，例如翻转课堂等，这需要教师在教学的过程中不断完善与三维可视化教学相适应的教学方法。

参考文献：

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