虚拟地质实验室概念设计

王建秀，周 洁，蒋佳翊，刘 琦，叶真华，杨 坪

1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.上海筑邦测控科技有限公司，上海 200092

地质工程专业和土木工程专业的学生都必须掌握一定的地质知识。基础地质和工程地质分别是地质工程专业的基础课和土木工程专业的骨干课，两门课程分别配套有基础地质实验和工程地质实验，要求学生除学习理论知识外，还要求具有一定的动手能力，能够熟练用肉眼鉴定常见的岩石和矿物。而现有的实验课时短，实验室开放时间有限，无法满足同学们日益增长的学习要求。实验教学中岩体结构及地质构造实体模型笨重，携带不便，没有与野外真实的情况一一对应，真实感不强，教学效率不高。矿物晶体结构以平面展示为主，无法充分表达矿物晶体的三维特征。教学应用不够直观，现有的实验教学方法不能很好地满足实验教学的需求。引入虚拟实验和虚拟现实技术能够很好地解决这些问题。

虚拟实验已经成为继网络教学后又一新兴实验手段，能够有效解决实验资源有限、教学方法不全面、展示不充分的困境。美国弗吉尼亚大学于1989 年提出了虚拟实验室的概念，是区别于理论教学与真实实验的第三种设计手段和形式。本研究基于虚拟实验和虚拟现实技术[1-4]，在软件系统中构建和传统实验室完全一致的场景，以同济大学岩土楼401和403地质实验室为原型，开发基于虚拟现实的4013岩矿鉴定虚拟实验教学软件，让学生们在身临其境的虚拟场景中进行虚拟实验、虚拟学习、虚拟参观和虚拟考试，可以有效解决同学们对于岩矿鉴定实验及拓展学习的需求，激发学生们的学习兴趣，创新虚拟实验教学方法，能够有效提升和保持同济大学虚拟实验教学的水准和先进性。

一、4013虚拟地质实验室功能设计

1. 虚拟场景背景设计

基于虚实结合的实验教学，以同济大学岩土大楼401与403实验室（图1与图2）、520与525教师办公室为虚拟场，基于BIM模型模拟岩土大楼4楼与5楼的真实情景，对虚拟实验室需要的角色设计、权限设计、导航脚本设计、教师虚拟视频教学、虚拟帮助、虚拟链接设计等提出要求及技术指标。

2. 课堂虚拟教学功能设计

图1 401实验室的真实场景

图2 403实验室的真实场景

在403虚拟实验室提供教室的虚拟场景，同学们可自己选择座位，其座位所对应的标本架里的虚拟岩矿标本及其个体差异和现实情况完全相同。点开不同层次的抽屉，就可以选择里面的标本，点击标本后，即可以进行全方位观察、描述、测量，还可以进行锤击、点稀盐酸、放大镜观察、偏光显微镜切片观察等操作。在系统中参考标准范例，撰写实验报告，提供有关该标本的标准描述、教师的讲解视频、相关内容网页的链接等。还可以随机抽取标本，进行虚拟岩矿鉴定考试与虚拟评分等。

3. 课后拓展教学功能设计

在401虚拟实验室提供展览室的虚拟场景。同学们可以根据展柜上的提示，如矿物、岩石、地质构造、化石、现场岩样标本等自行选择参观内容。401实验室提供了基础地质实验教学大纲以外大量的其他岩矿标本，通过参观导览以及与珠宝鉴定、地质矿产、岩土工程、工程地质类的拓展链接，开拓同学们的视野，为有兴趣拓展的同学提供更大、更好的平台。在此基础上，进一步进行虚拟实验和虚拟考试的拓展。工程地质实验为基础地质实验子集，在教学中，岩矿标本不能满足学生学习要求时，也可以在403实验室中进行虚拟的拓展实验。达到要求后，到401虚拟实验室继续拓展学习。

4. 虚拟师生交互功能设计

按照520教师办公室和525研究生助教办公室虚拟实际场景。学生可以点击进入520办公室，进行答疑与教师在线交流。教师也可点击进入520办公室，在那里进行正常的办公和答疑操作。学生可以点击进入525研究生助教办公室，与研究生助教进行交流和学习。

5. 虚拟考试功能设计

岩矿鉴定虚拟考试包括两部分，一部分是有关结晶学、矿物学、岩浆作用与岩浆岩、外力地质作用与沉积岩、变质作用与变质岩基础知识的考核。此部分采用既有题库，随机抽题，限时回答，百分制评分的方式。一部分是岩石和矿物的肉眼鉴定，此部分考核为随机抽取题库标本，限时鉴定并给出标准描述，百分制评分。后台设置考试题数据库，定期更新题库，改换知识考核内容和考核形式。

6. 移动漫游功能设计

为让学生充分利用碎片时间学习知识，以上功能部分可在手机上运行，特别是虚拟考试部分，学生可随时注册登录网站，在开放时间内进行无限量操作，并生成自我评价报告。

7. 二次开发功能设计

设置部分自定义库，作为面向学生开放的二次开发平台。学生可在地质知识范畴内，自定义并添加主题数据库。主题数据库作为开放数据库，可发动同学们自发创建主题，并接纳其他同学的访问。

8. VR 功能设计

在PC平台虚拟实验的基础上，利用增强现实技术，将三维场景进行VR化，借助于LED屏幕、3D眼镜或虚拟现实头盔和控制板手柄，将以上场景实现于虚拟现实的世界。学生可借助于自购或租用的头盔，借助于手柄进行虚拟试验操作，能够有效增加沉浸感和真实感，甚至可以代替部分实际操作。

二、4013虚拟实验室概念设计

1． 虚拟实验室软件功能框架

软件操作流程如框架图3所示。主要流程为：启动exe文件→用户登陆→根据登陆账号判断权限→漫游场景→进入实验室学习/管理→完成相应操作后结束关闭软件。

2. 虚拟实验室概念设计方案

虚拟实验平台功能模块见表1。

3. 虚拟实验室漫游场景

软件界面设计原型见图4。登录后进入漫游场景，用户可自主选择进入哪些实验室。选中某个实验室后，会跳转到相应实验室场景中。

学生用户进入实验场景后，进入学习模式，可以自由互动，如自主选择位置、自主挑选岩样、自主学习课件。根据需求，可进入实验考核进行专业考核。完成考核后，成绩提交至服务器。教师可查看成绩。

教师用户进入实验场景后，可进行资源管理及成绩管理（图5）。可以整理实验室内岩样内容，自主上传课件内容。在学生成绩面板中教师能看到已提交考核学生的成绩，并且可以导出成绩列表，对既有成绩进行统计和分析。也可以通过这个面板查询学生是否完成软件中某些模块的学习。

管理员面板使用二维界面，包含教师、学生、资源管理等内容。主要功能是导入、导出教师、学生、资源信息及权限。

图3 4013虚拟实验室功能框架

表1 虚拟实验室功能模块设计

图4 虚拟实验室的虚拟场景

图5 虚拟实验室教师场景

三、结束语

本研究基于虚拟现实技术和虚拟实验技术，以同济大学岩土大楼401和403实验室为原型，开发4013虚拟地质实验室，完成了概念设计。在该设计中，虚拟了实验室真实的场景，虚拟了实验课堂教学、课后拓展、虚拟管理、虚拟考试等，为基础地质实验教学提供了参考依据。目前，虚拟实验室的正式开发工作正在进行中。