水文地质学虚拟仿真实验系统设计与实现

摘要：针对传统室内实验对时间、地域、实验内容等方面的制约和限制，开展了水文地质学虚拟仿真实验系统的设计和研究。基于虚拟仿真技术、Web开发技术等现代信息技术手段，构建了水文地质学虚拟仿真实验系统，以达西渗流实验为例详细阐述了从实验项目优化、三维建模、仿真实验动画设计、到虚拟仿真实验系统研发的全过程。该实验系统可用于水文地质学实验课线上线下教学，弥补教学不足，拓展实验教学的广度和深度，延伸实验教学时间和空间，有助于提升实验教学质量和水平，践行现代信息技术与实验教学项目的深度融合。

关键词：水文地质学；虚拟仿真技术；Web开发技术；达西渗流实验

中图分类号：TP391.9    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）36-0101-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

水文地质学是面向地质类专业学生的一门专业必修课程，课程注重理论与实践的紧密结合，其中实验课是课程体系十分重要的实践环节。多年来教学改革研究多集中在教学内容、理念、方法、考核评价等理论教学方面，对实验课环节的改革与探索鲜为少见。近年来，在工程教育专业认证和新课程改革背景下，倡导小课时大容量，信息化智慧教学，原有课时不断压缩，以往的传统教学模式面临巨大的挑战。且新形势下开展的互联网线上教学、线上线下融合教学模式，对原有的实验课程也提出了新的要求。

1 实验系统构建背景

基于计算机虚拟仿真模拟技术的水文地质学实验课系统的研发，是应对新形势下开展实验教学的有效措施，是对水文地质学线下实验课的有力支撑。

1）开展虚拟仿真实验教学项目建设，是推进现代信息技术与实验教学项目深度融合、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措[1]。

2）开展虚拟仿真实验教学项目建设，是对工程教育专业认证的积极响应。工程教育是我国高等教育的重要组成部分，工程教育专业认证强调建立专业持续改进机制和文化以保证专业教育质量和专业教育活力[2]。虚拟仿真实验系统研发是对传统实验的创新和延伸，是专业建设持续改进的有效措施。

3）虚拟仿真实验是对水文地质学线下实验课的有力支撑，是对开展水文地质学线上课程空白项的填补。将虚拟仿真实验与实验课教学相结合，拓展了实验教学的时间和空间，丰富了实验内容，使教学内容和表达方式更加丰富多彩，完善了现有的实验教学体系，更有利于学生理解专业理论知识。同时，学生能够自主安排做实验的时间，以灵活的方式完成实验任务，不受学时、空间、内容的限制，提高了实验课的吸引力和实验教学效果，有助于提升水文地质学课程教学效果，培养学生自主学习能力和创新力，提升学生就业竞争力[3-5]。

4）强调虚实结合，将虚拟仿真实验与真实实验课程有机融合，在培养学生实践能力、信息化素养和创新精神中发挥重要作用。基于仿真技术的实验模式使得教学资源的管理更高效化，调动学生的学习积极性和主动性，增强学生创新创造意识，注重知识传授、能力培养、素质提高的协同实施，为人才培养、教学改革和学科建设开辟了一条全新的途径[6-8]。

2 虚拟仿真实验系统构建目标

虚拟仿真实验是借助于多媒体、三维建模、仿真动画和虚拟现实等技术，利用计算机技术和网络技术对传统实验各操作环节的模拟和仿真，以提高实验教学项目的吸引力、延伸性和教学有效度。此次设计完成的实验项目主要有三个，分别是达西渗流实验、孔隙与水实验和砂土中水的毛细运动观测实验。水文地质学虚拟仿真实验系统构建的总体目标为：

1）优化实验项目和实验过程，以利于虚拟仿真实验项目的建立。

2）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、实验原理、实验过程等全方位演示，并实现人机交互的实验操作过程。

3）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，通过自主学习强化实验课教学效果，深度理解水文地质学基本概念及基本理论。

3 虚拟仿真实验项目总体架构

从项目提出到项目完成主要进行了四个环节的建设，依次是实验项目优化、三维建模、虚拟仿真动画制作、虚拟仿真实验系统建设。详情见图1虚拟仿真实验系统整体结构图。

实验项目优化，主要是对达西渗流实验、孔隙与水实验、砂土中水的毛细运动观测实验三组实验目进行了实验仪器改进和实验过程优化，这方面的工作是进行仿真建模和动画制作的必要前提工作。

三维建模工作，利用AutoCAD和Blender建模软件来完成对实验项目仪器的仿真模型库的建立，模型库包含了水文地质实验项目涉及的所以仪器元件及零部件。

虚拟仿真实验动画设计，依据实验优化内容和三维模型，利用开源软件Blender动画制作功能，完成一系列实验流程动画制作，并使用音视频软件对动画进行后期文字、解说、指示等处理。

仿真实验系统设计，采用最新的网页设计技术进行响应式网站开发，系统分为前端功能和后端功能两个模块。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，具备为管理人员提供对系统进行维护和管理的功能。

3.1 实验项目优化——以达西渗流实验为例

在水文地质实验教学中，实验所展示的是一个真实的复杂的地学现象和过程，要将这一过程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，以利于虚拟仿真实验的建立。以达西渗流实验为例，对实验项目优化过程做介绍：

地下水在岩土空隙中的运动称为渗流，发生渗流的区域称为渗流场。达西渗流实验即是利用达西仪在实验室测定稳定流条件下水通过均匀砂柱的渗流速度的方法，达西定律中渗流速度与水力梯度的一次方成正比，也称线性渗透定律，从而进一步计算砂土的渗透系数。达西定律是在解决生产实际问题过程中，通过控制性试验获得的，它不仅是水文地质定量计算的基础，还是定性分析各种水文地质工程的重要依据，深入掌握达西定律的物理实质和实验过程，灵活应用它来分析问题，是学生应当具备的基本技能[9-10]。

1）实验原理

在实验教学中，由达西定律，在日常水头条件下，水流在单位时间内透过岩土空隙的流量（Q）与岩土的过水断面面积（ω）、水力坡度（I）成正比：

[Q=Kω△HL=KωI]

亦即：

[K=QωI=VI]

式中：Q——渗透流量（cm3/s）；

ω——过水断面面积（cm2）；

K——渗透系数（cm/s）；

△H——上下游过水断面的水头差H1-H2（cm）；

L——渗透途径（cm）；

I——水力梯度。

2）实验仪器优化

实验仪器主要有达西仪（水泵、大水箱、升降水箱、试样砂柱筒、测压管等）、松散岩土试样（粗砂、中砂、细砂等）、秒表、量筒等。考虑到建模难度及对实验结果有无影响等因素，对达西仪进行了如下优化处理：将测压管与试样砂筒的位置调整，以方便观测测压管水位变化；将升降水箱的手摇装置简化处理，以便于建模和动画设计；进出水管及阀门开关做了改进；增大了实验台面和底部水箱，升降水箱背板设置成可拆卸，以便于实验过程显示。具体见图3达西实验仪三维模型。

3）实验过程分解

依据达西渗流实验步骤，结合建模和动画制作技术，将实验过程分解为以下8个步骤：

①认识仪器并测量仪器的几何参数：分别测量过水断面面积（ω）、测压管a、b、c的水头间距或渗透途径（L）。

②调试仪器：底部大水箱加水，水量没过水泵；砂柱中装入砂样，高度与砂筒内边齐平。

③打开电源开关：打开水泵电源开关，升降水箱开始注水，水面至溢水板后溢出，从下方出水管流进底部水箱，形成自循环系统；这时可以进行第一次实验。

④砂柱进水：打开A、B阀门，控制A阀门流量大小使水缓慢从下向上进入砂样，直至水流从B阀门流出。

⑤测定水头：测压管a、b、c开始有水柱上升，当测压管水位稳定，且Ha-Hb=Hb-Hc时，系统水流稳定；读出各测压管的水头值并记录。

⑥测定流量：在进行步骤⑤的同时，利用秒表和量筒测量t时间内水管流出的水体积，及时计算流量Q。连测两次取平均值。

⑦改变水头差：调节升降水箱的高度2次，改变a、b、c测压管的读数，重复实验步骤⑤和⑥；并记录数据。

⑧按实验记录表计算实验数据。

3.2 三维模型构建

三维模型构建时，首先采用AutoCAD进行平面尺寸设计，确定模型的点、线、面等主要空间坐标；然后使用建模工具Blender进行三维几何建模。Blender是一款开源的免费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[11-12]。Blender因为本身足够小巧，具有很高的便捷性，同时还可以做到多平台支持；因为其开放源码，所以有许多功能强大且足够便捷的插件可供选择[13]。

采用Blender，在编辑模式下使用三维坐标创建点线面，使用复制、拉伸、挤出、旋转、环切和布尔运算等功能构建了实验仪器各零部件三维仿真模型（见图3），并建立了三组实验仪器的模型库，其中达西实验主要部件的三维模型见表1所示（D代表达西仪）。

3.3 虚拟仿真动画设计

在三维几何模型基础上，利用Blender进行贴图、烘焙和材质渲染，构建出逼真的三维模型，这是进行仿真动画制作的首要任务。动画制作的重点在于创建符合实验流程的演示效果，整个过程分为三个阶段：第一步是将实验过程转化为动画内的步骤和逻辑关系，即前期所做的实验过程分解；第二步依据确认的动画内容，使用Blender动画功能中的路径动画、缩放动画、旋转动画、视窗动画等功能开始制作动画帧；第三步对完成的动画片段进行编辑、剪辑、配音等后期制作。

实验仿真动画的开发实质上包括了结构动画和工作流程动画这两个部分。结构动画是通过三维造型全面展示实验仪器的外观样式大小等，也可展示仪器的内部构造，给人十分直观的视觉效果，使学生全面、细致地了解实验仪器的结构。工作流程动画是用动画的形式表现出在真实实验过程中，使用实验仪器和实验材料，按照一定的顺序连续进行操作，最终完成实验的方法与过程。此部分的关键点是工序一定要明确，按照工序知识点制作动画开始后，其内容将无法改动。

以达西渗流实验为例，动画制作的第一部分就是达西仪展示，通过使用旋转、拆分、漫游、组合等多种形式全方位的演示实验仪器。第二部分就是达西渗流实验过程的动画制作，先要明确实验过程的步骤，然后将分解的过程步骤转化为可实现的实验流程动画指令，依照动画指令制作水流通过水泵、上下水管、溢水箱等形成自循环系统，以及水流流经砂柱的状态、测压管水位上升动态等一个个动画片段。所有仿真动画的制作都是以动画帧的形式组成动画片段，再以视频剪辑，配音讲解合成与实验流程一致的步骤指令。

4 仿真实验系统设计与实现

随着我国科学技术的不断发展，为了提高人才的培养能力，同时也为了响应我国的“科教兴国”战略，高校的实验教学与互联网技术的结合越来越密切[14]。利用计算机网络技术、虚拟仿真技术及视频技术开发的虚拟仿真实验系统，将会在一定程度上改善高校传统实验资源缺乏等问题，为高校实验教学的改革提供了可行方案。