水文地質學虛擬仿真實驗系統設計與實現

趙云云 李俊付 姚潤淼

摘要：針對傳統室內實驗對時間、地域、實驗內容等方面的制約和限制，開展了水文地質學虛擬仿真實驗系統的設計和研究?；谔摂M仿真技術、Web開發技術等現代信息技術手段，構建了水文地質學虛擬仿真實驗系統，以達西滲流實驗為例詳細闡述了從實驗項目優化、三維建模、仿真實驗動畫設計、到虛擬仿真實驗系統研發的全過程。該實驗系統可用于水文地質學實驗課線上線下教學，彌補教學不足，拓展實驗教學的廣度和深度，延伸實驗教學時間和空間，有助于提升實驗教學質量和水平，踐行現代信息技術與實驗教學項目的深度融合。

關鍵詞：水文地質學；虛擬仿真技術；Web開發技術；達西滲流實驗

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）36-0101-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

水文地質學是面向地質類專業學生的一門專業必修課程，課程注重理論與實踐的緊密結合，其中實驗課是課程體系十分重要的實踐環節。多年來教學改革研究多集中在教學內容、理念、方法、考核評價等理論教學方面，對實驗課環節的改革與探索鮮為少見。近年來，在工程教育專業認證和新課程改革背景下，倡導小課時大容量，信息化智慧教學，原有課時不斷壓縮，以往的傳統教學模式面臨巨大的挑戰。且新形勢下開展的互聯網線上教學、線上線下融合教學模式，對原有的實驗課程也提出了新的要求。

1 實驗系統構建背景

基于計算機虛擬仿真模擬技術的水文地質學實驗課系統的研發，是應對新形勢下開展實驗教學的有效措施，是對水文地質學線下實驗課的有力支撐。

1）開展虛擬仿真實驗教學項目建設，是推進現代信息技術與實驗教學項目深度融合、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措[1]。

2）開展虛擬仿真實驗教學項目建設，是對工程教育專業認證的積極響應。工程教育是我國高等教育的重要組成部分，工程教育專業認證強調建立專業持續改進機制和文化以保證專業教育質量和專業教育活力[2]。虛擬仿真實驗系統研發是對傳統實驗的創新和延伸，是專業建設持續改進的有效措施。

3）虛擬仿真實驗是對水文地質學線下實驗課的有力支撐，是對開展水文地質學線上課程空白項的填補。將虛擬仿真實驗與實驗課教學相結合，拓展了實驗教學的時間和空間，豐富了實驗內容，使教學內容和表達方式更加豐富多彩，完善了現有的實驗教學體系，更有利于學生理解專業理論知識。同時，學生能夠自主安排做實驗的時間，以靈活的方式完成實驗任務，不受學時、空間、內容的限制，提高了實驗課的吸引力和實驗教學效果，有助于提升水文地質學課程教學效果，培養學生自主學習能力和創新力，提升學生就業競爭力[3-5]。

4）強調虛實結合，將虛擬仿真實驗與真實實驗課程有機融合，在培養學生實踐能力、信息化素養和創新精神中發揮重要作用?；诜抡婕夹g的實驗模式使得教學資源的管理更高效化，調動學生的學習積極性和主動性，增強學生創新創造意識，注重知識傳授、能力培養、素質提高的協同實施，為人才培養、教學改革和學科建設開辟了一條全新的途徑[6-8]。

2 虛擬仿真實驗系統構建目標

虛擬仿真實驗是借助于多媒體、三維建模、仿真動畫和虛擬現實等技術，利用計算機技術和網絡技術對傳統實驗各操作環節的模擬和仿真，以提高實驗教學項目的吸引力、延伸性和教學有效度。此次設計完成的實驗項目主要有三個，分別是達西滲流實驗、孔隙與水實驗和砂土中水的毛細運動觀測實驗。水文地質學虛擬仿真實驗系統構建的總體目標為：

1）優化實驗項目和實驗過程，以利于虛擬仿真實驗項目的建立。

2）利用三維建模技術、編程技術和可視化動畫演示技術，實現實驗項目的儀器展示、實驗原理、實驗過程等全方位演示，并實現人機交互的實驗操作過程。

3）利用前端網頁設計技術，構建水文地質學虛擬仿真實驗系統，完成實驗教學過程，增強課堂教學表現力和教學效果。指導學生自主學習，完成線上自主實驗課的內容，通過自主學習強化實驗課教學效果，深度理解水文地質學基本概念及基本理論。

3 虛擬仿真實驗項目總體架構

從項目提出到項目完成主要進行了四個環節的建設，依次是實驗項目優化、三維建模、虛擬仿真動畫制作、虛擬仿真實驗系統建設。詳情見圖1虛擬仿真實驗系統整體結構圖。

實驗項目優化，主要是對達西滲流實驗、孔隙與水實驗、砂土中水的毛細運動觀測實驗三組實驗目進行了實驗儀器改進和實驗過程優化，這方面的工作是進行仿真建模和動畫制作的必要前提工作。

三維建模工作，利用AutoCAD和Blender建模軟件來完成對實驗項目儀器的仿真模型庫的建立，模型庫包含了水文地質實驗項目涉及的所以儀器元件及零部件。

虛擬仿真實驗動畫設計，依據實驗優化內容和三維模型，利用開源軟件Blender動畫制作功能，完成一系列實驗流程動畫制作，并使用音視頻軟件對動畫進行后期文字、解說、指示等處理。

仿真實驗系統設計，采用最新的網頁設計技術進行響應式網站開發，系統分為前端功能和后端功能兩個模塊。前端是以網頁形式展現的人機交互界面，是為教師和學生的使用服務的，分為登錄界面和系統主界面；后端是基于虛擬仿真技術、數據庫而建立的系統后臺核心技術，具備為管理人員提供對系統進行維護和管理的功能。

3.1 實驗項目優化——以達西滲流實驗為例

在水文地質實驗教學中，實驗所展示的是一個真實的復雜的地學現象和過程，要將這一過程轉化為可視化的虛擬仿真實驗，就需要對實驗內容、實驗儀器、實驗過程做必要的優化處理，以利于虛擬仿真實驗的建立。以達西滲流實驗為例，對實驗項目優化過程做介紹：

地下水在巖土空隙中的運動稱為滲流，發生滲流的區域稱為滲流場。達西滲流實驗即是利用達西儀在實驗室測定穩定流條件下水通過均勻砂柱的滲流速度的方法，達西定律中滲流速度與水力梯度的一次方成正比，也稱線性滲透定律，從而進一步計算砂土的滲透系數。達西定律是在解決生產實際問題過程中，通過控制性試驗獲得的，它不僅是水文地質定量計算的基礎，還是定性分析各種水文地質工程的重要依據，深入掌握達西定律的物理實質和實驗過程，靈活應用它來分析問題，是學生應當具備的基本技能[9-10]。

1）實驗原理

在實驗教學中，由達西定律，在日常水頭條件下，水流在單位時間內透過巖土空隙的流量（Q）與巖土的過水斷面面積（ω）、水力坡度（I）成正比：

[Q=Kω△HL=KωI]

亦即：

[K=QωI=VI]

式中：Q——滲透流量（cm3/s）；

ω——過水斷面面積（cm2）；

K——滲透系數（cm/s）；

△H——上下游過水斷面的水頭差H1-H2（cm）；

L——滲透途徑（cm）；

I——水力梯度。

2）實驗儀器優化

實驗儀器主要有達西儀（水泵、大水箱、升降水箱、試樣砂柱筒、測壓管等）、松散巖土試樣（粗砂、中砂、細砂等）、秒表、量筒等?？紤]到建模難度及對實驗結果有無影響等因素，對達西儀進行了如下優化處理：將測壓管與試樣砂筒的位置調整，以方便觀測測壓管水位變化；將升降水箱的手搖裝置簡化處理，以便于建模和動畫設計；進出水管及閥門開關做了改進；增大了實驗臺面和底部水箱，升降水箱背板設置成可拆卸，以便于實驗過程顯示。具體見圖3達西實驗儀三維模型。

3）實驗過程分解

依據達西滲流實驗步驟，結合建模和動畫制作技術，將實驗過程分解為以下8個步驟：

①認識儀器并測量儀器的幾何參數：分別測量過水斷面面積（ω）、測壓管a、b、c的水頭間距或滲透途徑（L）。

②調試儀器：底部大水箱加水，水量沒過水泵；砂柱中裝入砂樣，高度與砂筒內邊齊平。

③打開電源開關：打開水泵電源開關，升降水箱開始注水，水面至溢水板后溢出，從下方出水管流進底部水箱，形成自循環系統；這時可以進行第一次實驗。

④砂柱進水：打開A、B閥門，控制A閥門流量大小使水緩慢從下向上進入砂樣，直至水流從B閥門流出。

⑤測定水頭：測壓管a、b、c開始有水柱上升，當測壓管水位穩定，且Ha-Hb=Hb-Hc時，系統水流穩定；讀出各測壓管的水頭值并記錄。

⑥測定流量：在進行步驟⑤的同時，利用秒表和量筒測量t時間內水管流出的水體積，及時計算流量Q。連測兩次取平均值。

⑦改變水頭差：調節升降水箱的高度2次，改變a、b、c測壓管的讀數，重復實驗步驟⑤和⑥；并記錄數據。

⑧按實驗記錄表計算實驗數據。

3.2 三維模型構建

三維模型構建時，首先采用AutoCAD進行平面尺寸設計，確定模型的點、線、面等主要空間坐標；然后使用建模工具Blender進行三維幾何建模。Blender是一款開源的免費的三維建模和動畫制作軟件，提供從建模、動畫、材質、渲染、到后期處理等一系列動畫短片制作解決方案[11-12]。Blender因為本身足夠小巧，具有很高的便捷性，同時還可以做到多平臺支持；因為其開放源碼，所以有許多功能強大且足夠便捷的插件可供選擇[13]。

采用Blender，在編輯模式下使用三維坐標創建點線面，使用復制、拉伸、擠出、旋轉、環切和布爾運算等功能構建了實驗儀器各零部件三維仿真模型（見圖3），并建立了三組實驗儀器的模型庫，其中達西實驗主要部件的三維模型見表1所示（D代表達西儀）。

3.3 虛擬仿真動畫設計

在三維幾何模型基礎上，利用Blender進行貼圖、烘焙和材質渲染，構建出逼真的三維模型，這是進行仿真動畫制作的首要任務。動畫制作的重點在于創建符合實驗流程的演示效果，整個過程分為三個階段：第一步是將實驗過程轉化為動畫內的步驟和邏輯關系，即前期所做的實驗過程分解；第二步依據確認的動畫內容，使用Blender動畫功能中的路徑動畫、縮放動畫、旋轉動畫、視窗動畫等功能開始制作動畫幀；第三步對完成的動畫片段進行編輯、剪輯、配音等后期制作。

實驗仿真動畫的開發實質上包括了結構動畫和工作流程動畫這兩個部分。結構動畫是通過三維造型全面展示實驗儀器的外觀樣式大小等，也可展示儀器的內部構造，給人十分直觀的視覺效果，使學生全面、細致地了解實驗儀器的結構。工作流程動畫是用動畫的形式表現出在真實實驗過程中，使用實驗儀器和實驗材料，按照一定的順序連續進行操作，最終完成實驗的方法與過程。此部分的關鍵點是工序一定要明確，按照工序知識點制作動畫開始后，其內容將無法改動。

以達西滲流實驗為例，動畫制作的第一部分就是達西儀展示，通過使用旋轉、拆分、漫游、組合等多種形式全方位的演示實驗儀器。第二部分就是達西滲流實驗過程的動畫制作，先要明確實驗過程的步驟，然后將分解的過程步驟轉化為可實現的實驗流程動畫指令，依照動畫指令制作水流通過水泵、上下水管、溢水箱等形成自循環系統，以及水流流經砂柱的狀態、測壓管水位上升動態等一個個動畫片段。所有仿真動畫的制作都是以動畫幀的形式組成動畫片段，再以視頻剪輯，配音講解合成與實驗流程一致的步驟指令。

4 仿真實驗系統設計與實現

隨著我國科學技術的不斷發展，為了提高人才的培養能力，同時也為了響應我國的“科教興國”戰略，高校的實驗教學與互聯網技術的結合越來越密切[14]。利用計算機網絡技術、虛擬仿真技術及視頻技術開發的虛擬仿真實驗系統，將會在一定程度上改善高校傳統實驗資源缺乏等問題，為高校實驗教學的改革提供了可行方案。

在虛擬實驗系統的整個開發過程中，首先根據當前研究現狀對系統進行了可行性分析和需求分析，然后設計了系統的整體結構、劃分了系統的功能模塊，再對應功能模塊進行了界面設計和編碼開發，最后對系統進行測試與調試。虛擬實驗室系統采用B/S結構模式，這種模式的優勢在于使用者利用瀏覽器就可以對其進行訪問。在系統開發過程中，選用IntelliJ IDEA作為開發工具，使用目前主流的Web開發技術進行研發，布局采用了彈性布局方式，頁面采用BootStrap組件完成，同時采用Jquery和JavaScript技術實現頁面交互效果，采用先進的網頁視頻播放來實現視頻播放。

系統主要功能包括前端用戶系統和后端管理系統兩大功能模塊。如圖4實驗系統功能模塊導圖所示，前端用戶系統可實現用戶登錄和權限管理、實驗介紹、實驗項目、相關下載等功能，在實驗項目下級菜單中可進一步對實驗目的、儀器、原理及實驗過程預覽展開學習，并自主完成實驗過程操作和實驗報告提交；后端管理系統是基于虛擬仿真技術、數據庫而建立的系統后臺核心技術，是為管理人員提供對系統進行維護和管理的功能，可實現對三維動畫演示庫的調取、登錄數據存儲和實驗報告生產等。

基于Web技術的水文地質學虛擬仿真實驗系統，將實驗內容網絡化之后，學生通過PC端進入實驗系統，利用鼠標、鍵盤即可在虛擬場景中完成對實驗設備的預覽、操作及各項實驗任務的全過程操作。依據實驗系統的總體設計及系統功能模塊要求，對實驗系統界面進行了詳細的設計與實現，見圖5水文地質學虛擬仿真實驗系統界面。

5 結束語

水文地質學虛擬仿真實驗系統開發填補了目前水文地質學線上實驗課的不足，也是對水文地質學線下實驗課的有力支撐。通過教學實踐優化現有實驗項目和實驗過程，使用AutoCAD、Blender進行三維建模、動畫制作，選用目前主流的Web開發技術進行系統研發，采用視頻、動畫演示、交互等多種方式，使學生可以直觀、生動、隨時隨地多個角度體驗虛擬實驗；采用“運行-驗證-優化”逐步推進水文地質學虛擬仿真線上實驗課的建立。本項目的研究成果將應用于水文地質學基礎實驗課的線上教學，激發學生自主學

習熱情，學生在實驗條件不足的情況下可自主完成水文地質學基礎實驗，鍛煉學生動手能力，培養學生專業技能，提高學生就業競爭力，助力工程專業教育認證的教學效果。這將成為進一步推動其他水文地質學相關實驗進行線上教學研究的基礎，有利于促進科學研究方法和成果與教學實踐的結合。

參考文獻：

[1] 教育部.教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知[A/OL]. （2018-06-05）[2023-05-07].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20180607_338 713.html.

[2] 中國工程教育專業認證協會工程教育認證工作指南[M].2018版.北京：中國工程教育專業認證協會，2018.

[3] 魏娜，解建倉，羅軍剛，等.水資源與水環境虛擬仿真實驗教學平臺的建設[J].實驗技術與管理，2019，36（9）：100-102.

[4] 陳振杰，李滿春，程亮，等.地球系統科學虛擬仿真實驗研發[J].實驗技術與管理，2020，37（3）：133-138.

[5] 馬登成，胡永彪，張新榮.道路施工虛擬仿真實驗教學建設[J].實驗室研究與探索，2020，39（2）：136-140.

[6] 蔡麗萍，熊金波，金彪，等.多學科交叉融合虛擬仿真實驗中心網絡平臺建設探索[J].實驗室研究與探索，2018，37（1）：230-233，255.

[7] 馮立艷，關鐵成，何世偉，等.機械基礎虛擬實驗系統的研究與開發[J].實驗室研究與探索，2018，37（1）：89-92.

[8] 蔡釩，陳愛城，王明茲，等.虛擬仿真實驗教學中心網絡化實驗教學體系的構建[J].實驗室科學，2018，21（1）：121-123，127.

[9] 張人權，梁杏，靳孟貴，等.水文地質學基礎[M].7版.北京：地質出版社，2018.

[10] 梁杏，郭會榮，孫蓉琳.水文地質學基礎實驗實習教程[M].3版.北京：地質出版社，2019.

[11] 逯燕樂，賀金鑫，羅文寶，等.Blender在數字地質科學本科生科研訓練中的應用[J].吉林大學學報（信息科學版），2022，40（3）：515-519.

[12] 宋袁雁.基于Blender的架大修車間工藝流程仿真[J].工業控制計算機，2022，35（12）：38-39.

[13] 張朔華，王蘭，蘭福全，等.基于Blender的工業三維動畫制作研究[J].機械工程師，2023（2）：98-101.

[14] 楊鵬飛.B/S構架下在線實驗教學管理系統的設計與實現[J].電腦知識與技術，2017，13（25）：70-71.

【通聯編輯：謝媛媛】