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摘 要：应用岩石力学实验课程是高等学校采矿工程专业重要的专业课程，但受限于诸多因素，很多实验在日常教学中难以实现。利用虚拟现实技术，构建逼真的三维虚拟环境，采用人机交互操作界面，以完成教学大纲要求的必修与扩展教学实验，弥补了应用岩石力学实验在可行性、重复性、控制性、展示性方面的不足，为应用岩石力学实验教学和研究提供一种通用的分析工具，有助于实现“教与学的互动、理论与实践的结合、能力与兴趣的共增”这一教学目标。
关键词：虚拟现实;应用岩石力学;采矿工程;本科教学
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）24-0136-04
Abstract： The applied rock mechanics experimental course is an important professional course of mining engineering in colleges. However， due to many factors， many experiments are difficult to conduct in daily teaching. By using the virtual reality technology， the realistic three-dimensional virtual environment was constructed， and the man-machine interactive interface is used to complete the compulsory and extended teaching experiments required by the syllabus， which makes up for the deficiency of the feasibility， repeatability， controllability and display of the field experiment. It provides a general analysis tool for the teaching and research of rock mechanics experiment， and helps to realize the teaching goal of interaction of teaching and learning， combination of theory and practice， and increment of ability and interest.
Keywords： virtual reality technology; rock mechanics; mining engineering; undergraduate teaching
應用岩石力学是固体力学的一个分支学科，主要研究岩石在外界因素作用下的应力、应变、破坏、稳定性判定及支护时机等内容，是为采矿工程、矿山工程力学、土木隧道等专业开设的一门专业基础课。通过教学，学生深刻认识到岩石力学基本原理应用于采矿、土木、水利等岩石工程问题的重要性，了解应用岩石力学实验结果的影响因素和岩体的工程特性以及分级方法。这是一门理论性及实践性很强且紧密结合生产实际的课程。
由于自然岩石、岩体材料的非均匀性、非连续性，以及受载历史的复杂性，相关岩石性质的获取需要进行大量的实验。因此，应用岩石力学实验课程一直是学生了解岩石、岩体强度和变形特征，激发学生兴趣的重要途径[1-2]。但实验的安全性、便捷性等也为相关实验教学工作的开展带来一定的挑战[3-6]。应用岩石力学实验教学分为现场实验和室内实验。现场实验教学成本高、实验周期长，联系、协调等环节都十分繁琐，也很难完整观测到灾害的演化过程[7]，而室内实验由于受到现场条件、实验设备等诸多因素的限制，如采动诱发矿山突水灾害、矿柱失稳破坏、空区尺寸优化及应力场分布规律等应用岩石力学的很多实验很难在实验室实际操作[8-10]。虚拟现实技术因交互性、沉浸性和构想性等特点，可以让参与者进行沉浸式体验，所形成的信息环境也具备交互效能多维化的特点[11-12]，使应用岩石力学课程的教学内容得到更为具体和有效的展示，并为学生提供了更好的学习环境。因此，本文主要探讨虚拟现实技术对于应用岩石力学课程的应用。
一、应用岩石力学实验教学存在的问题
（一）应用岩石力学的实验成本高昂
例如一个岩样的单轴压缩实验，需要经历现场取岩、试样加工、粘贴应变片、试验机加载等过程。现场获得岩块由于先天缺陷，且后天受到开采、爆破扰动，标准试样成品率极低，不算人工成本，一个标准试样的成本也在300元人民币左右。且由于自然岩石性质的先天离散型，需要进行重复性实验，又加大了岩石力学实验的支出。另外粘贴应变片、操作试验机都需要专业技术人员进行操作，这都极大增加了应用岩石力学实验的成本支出。
（二）应用岩石力学实验过程显示度不足
应用岩石力学的实验过程，主要通过应力-应变曲线展示，受制于岩石固体本身的不可透视性，岩石受力过程中的变形、破裂到破坏的力学变化无法做到直观展示，更不可能进行重复，导致学生对于实验过程只有一个表观的认识，无法进一步加深理解。
（三）实验设备功能单一，大量实验难以在室内展开
应用岩石实验设备目前主要集中于岩石单轴压、拉、剪等破坏基本试验机。而应用岩石力学课程体系包含岩石、岩体和工程三个维度。显而易见，在岩石尺度上，室内实验还可以对相关理论进行验证，在岩体和工程尺度上，室内实验研究难度很大。而采矿工程涉及到岩石试样的破坏，巷道的塌方、突水、岩爆，边坡的失稳滑移等灾害性现象，更是难以在实验室有效再现。 （四）学生基数大，实验设备、人员配置不足
一个采矿班的学生标准人数大约为25人，由于实验设备往往处于半封闭环境，且一般是通过一个实验人员的讲解和演示来进行授课，大部分学生无法自己操作而只能在旁观看，实验结果也只能按照标准格式填写保持一致，学生对实验过程印象不深，更谈不上对相关问题的独立思考和分析。
二、虚拟现实技术原理及平台
虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）作为一种新兴的综合性信息技术，融合了现代高科技技术成果，包括实时计算、数字图像处理、计算机图形学、人工智能、人机接口技术、传感器技术、显示技术及仿真技术等[12]。其特点在于虚拟现实世界完全由计算机和电子技术创造，其中的操作者可以凭借自己的感觉借助各种动作通过传感设备来操作其中的物体对象，由于虚拟世界可以提供视觉、听觉和嗅觉的实时感受，从而使用户产生了一种沉浸于虚拟环境的感觉。由此，虚拟现实技术的实时三维空间表现能力、人机交互式的操作环境以及给人带来的身临其境的感受赋予其具有与其它相关技术不同的突出特征，即交互性（Interactivity）、想象性（Imagination）和沉浸感（Immersion），称为“3I”特征[13]。
东北大学金属矿山岩石力学与安全开采国家级虚拟仿真教学实验中心虚拟现实系统为应用岩石力学课程的教学工作提供了完备的软硬件支撑环境，如图1所示。整个系统由虚拟现实系统（主动立体投影机、投影幕、主动立体发射器、主动立体眼镜、图像处理器、矩阵、中控系统等设备组成）、高性能计算系统（图形工作站、交换机、服务器和数值计算机）、中控系统（中控主机、继电器、无线路由器等）、人机交互系统（VR眼镜）和音响系统（音箱、功放和无线话筒）构成。
三、实验教学改革方法与实践
（一）实验教学改革的总体思路
目前，各类数值模拟仿真软件已经成熟，利用数值模拟软件，例如RFPA，FLAC和PFC等，可以对岩石在各类应力环境中的变形、破裂、失稳破坏过程进行实时表征，获取关键部位的应力场和位移场关键信息。因此，本次实验教学改革的主要思路首先将相关静态模型（岩石或岩体）导入到虚拟现实平台，然后将岩石加载试验中的应力应变、声发射、塑性区、破裂区等事件信息集合为一体的岩石破裂动态模型[14]，这些事件信息可以通过实验室室内试验和数值实验获取，并和相关静态模型集成于同一模拟场景并作动态展示，学生便可直接观察岩石受载过程中“表观”环境信息以及“内部”的实体力学演化信息，使学生对岩石的变形、破裂与失稳过程有一个直观的认识。在该教学过程中，学生处于中心位置，老师负责基本引导，学生可以根据对现场工程的认识，建立相应的模型，并对岩石或岩体的破坏过程进行模拟计算，虚拟现实平台提供相应的接口供其调用，将相关实验过程进行动态可视化展示，加强学生对实验中观测到的信息和相关理论的深入理解，提高学习兴趣和创新能力。
（二）教学实践应用
在室内岩石力学方面，建立了岩石破裂过程声发射虚拟现实系统，如图2所示。该系统包括左侧操作系统，学生通过点击图标，不仅可以显示岩石受载过程中的最大主应力、最大剪应变等应力应变信息，还可以得到相关应力应变曲线和声发射位置、能量大小等岩石破裂演化信息。中间则是相关信息图像的展示区，其中相关小球的大小表示声发射事件能量的相对大小，而顏色则表示相关事件发生的先后时间次序。而右侧应力应变曲线则会随着加载过程动态变化，让学生对整个加载过程有直观的认识。
同时，如图3所示，点击左方的控制按钮，还可以将数值模拟结果的应力场和声发射密度云图进行可视化展示，实现了岩石受载过程中应力场的动态演示与分析，便于学生理解岩石受载过程的应力场变化特征。
而在岩体和工程尺度方面，针对石人沟现场实际条件和现场测试结果，根据现场收集的资料建立数据库和三维模型，并将应力场、损伤场和微震数据等外部数据进行集成和可视化。如图4所示，不仅可以实现矿体形象、开挖进度的三维可视化模拟和查询，并且可以对相关监测断面应力场和位移场进行剖切分析和可视化查询，帮助学生掌握理论知识，深刻理解工程设计原理，加深对未知现象的探索，提高学习兴趣和创新能力。
四、结束语
基于东北大学金属矿山岩石力学与安全开采国家级虚拟仿真教学平台，让学生走进虚拟现实实验室，通过建立岩石和矿山仿真模型，不仅再现了岩石受载和矿山开采过程中破坏过程，还可以获得许多在常规实验室实验中难以观测到的现象和重要信息。
教学实践表明，将虚拟现实技术融入到应用岩石力学课程中，不仅有利于本科生了解矿山开采状况及所面临的岩石力学问题，还实现了科研成果向教学实践的转化，拓展了本科生的创新思维，形成了岩石力学实验研究和学术交流并举的实践创新教学模式，实现了“教与学的互动、理论与实践的结合、能力与兴趣的共增”的教学目标。
参考文献：
[1]赵延林，万文，唐劲舟.面向采矿工程专业的岩石力学试验教学改革[J].当代教育理论与实践，2016，8（3）：61-63.
[2]刘宗辉，周东，胡旭，等.岩石力学三层次实验教学体系建设探索[J].实验室研究与探索，2019，38（5）：140-143.
[3]光翠娥，王世强，赵建新，等.制定高校实验室安全事故处理应急预案的原则探讨[J].实验室科学，2012，15（5）：194-197.
[4]叶秉良，汪进前，李五一，等.高校实验室安全管理体系构建与实践[J].实验室研究与探索，2011，30（8）：419-422.
[5]黄凯.构建高校实验室安全管理体系的思考与实践[J].实验技术与管理，2016，33（12）：1-4，16.
[6]王杰，王士国，任佳，等.新形势下高校实验室安全管理体系建设探索与实践[J].实验技术与管理，2019，36（7）：235-238，252.
[7]杨永康，张百胜，段东，等.基于数值试验的地矿类专业岩石力学实验教学改革[J].实验技术与管理，2018，35（6）：211-214，230.
[8]黄英娣，刘宝臣.岩石力学实验课教学改革初探[J].中国地质教育，1997，24（4）：43-44，60.
[9]王述红，唐春安，朱万成，等.数值试验在岩石力学实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2003，20（6）：140-143.
[10]李连崇，梁正召，夏英杰，等.虚拟现实与数值模拟相结合的教学平台建设[J].高等建筑教育，2014，23（6）：138-141.
[11]杨天鸿，张春明.金属矿山岩石力学与安全开采虚拟仿真教学实验中心虚拟现实系统设计与实现[J].实验室科学，2019，22（3）：171-177.
[12]张鹏海.基于虚拟现实技术的空区围岩稳定性评价[D].沈阳：东北大学，2011.
[13]徐一帆.基于虚拟现实的中学物理仿真实验的设计与实现[D].长沙：湖南大学，2014.
[14]张春明，杨天鸿.岩石破裂过程声发射动态显示虚拟现实实验教学系统[J].微型电脑应用，2020，36（7）：4-7.
关键词：虚拟现实;应用岩石力学;采矿工程;本科教学
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）24-0136-04
Abstract： The applied rock mechanics experimental course is an important professional course of mining engineering in colleges. However， due to many factors， many experiments are difficult to conduct in daily teaching. By using the virtual reality technology， the realistic three-dimensional virtual environment was constructed， and the man-machine interactive interface is used to complete the compulsory and extended teaching experiments required by the syllabus， which makes up for the deficiency of the feasibility， repeatability， controllability and display of the field experiment. It provides a general analysis tool for the teaching and research of rock mechanics experiment， and helps to realize the teaching goal of interaction of teaching and learning， combination of theory and practice， and increment of ability and interest.
Keywords： virtual reality technology; rock mechanics; mining engineering; undergraduate teaching
應用岩石力学是固体力学的一个分支学科，主要研究岩石在外界因素作用下的应力、应变、破坏、稳定性判定及支护时机等内容，是为采矿工程、矿山工程力学、土木隧道等专业开设的一门专业基础课。通过教学，学生深刻认识到岩石力学基本原理应用于采矿、土木、水利等岩石工程问题的重要性，了解应用岩石力学实验结果的影响因素和岩体的工程特性以及分级方法。这是一门理论性及实践性很强且紧密结合生产实际的课程。
由于自然岩石、岩体材料的非均匀性、非连续性，以及受载历史的复杂性，相关岩石性质的获取需要进行大量的实验。因此，应用岩石力学实验课程一直是学生了解岩石、岩体强度和变形特征，激发学生兴趣的重要途径[1-2]。但实验的安全性、便捷性等也为相关实验教学工作的开展带来一定的挑战[3-6]。应用岩石力学实验教学分为现场实验和室内实验。现场实验教学成本高、实验周期长，联系、协调等环节都十分繁琐，也很难完整观测到灾害的演化过程[7]，而室内实验由于受到现场条件、实验设备等诸多因素的限制，如采动诱发矿山突水灾害、矿柱失稳破坏、空区尺寸优化及应力场分布规律等应用岩石力学的很多实验很难在实验室实际操作[8-10]。虚拟现实技术因交互性、沉浸性和构想性等特点，可以让参与者进行沉浸式体验，所形成的信息环境也具备交互效能多维化的特点[11-12]，使应用岩石力学课程的教学内容得到更为具体和有效的展示，并为学生提供了更好的学习环境。因此，本文主要探讨虚拟现实技术对于应用岩石力学课程的应用。
一、应用岩石力学实验教学存在的问题
（一）应用岩石力学的实验成本高昂
例如一个岩样的单轴压缩实验，需要经历现场取岩、试样加工、粘贴应变片、试验机加载等过程。现场获得岩块由于先天缺陷，且后天受到开采、爆破扰动，标准试样成品率极低，不算人工成本，一个标准试样的成本也在300元人民币左右。且由于自然岩石性质的先天离散型，需要进行重复性实验，又加大了岩石力学实验的支出。另外粘贴应变片、操作试验机都需要专业技术人员进行操作，这都极大增加了应用岩石力学实验的成本支出。
（二）应用岩石力学实验过程显示度不足
应用岩石力学的实验过程，主要通过应力-应变曲线展示，受制于岩石固体本身的不可透视性，岩石受力过程中的变形、破裂到破坏的力学变化无法做到直观展示，更不可能进行重复，导致学生对于实验过程只有一个表观的认识，无法进一步加深理解。
（三）实验设备功能单一，大量实验难以在室内展开
应用岩石实验设备目前主要集中于岩石单轴压、拉、剪等破坏基本试验机。而应用岩石力学课程体系包含岩石、岩体和工程三个维度。显而易见，在岩石尺度上，室内实验还可以对相关理论进行验证，在岩体和工程尺度上，室内实验研究难度很大。而采矿工程涉及到岩石试样的破坏，巷道的塌方、突水、岩爆，边坡的失稳滑移等灾害性现象，更是难以在实验室有效再现。 （四）学生基数大，实验设备、人员配置不足
一个采矿班的学生标准人数大约为25人，由于实验设备往往处于半封闭环境，且一般是通过一个实验人员的讲解和演示来进行授课，大部分学生无法自己操作而只能在旁观看，实验结果也只能按照标准格式填写保持一致，学生对实验过程印象不深，更谈不上对相关问题的独立思考和分析。
二、虚拟现实技术原理及平台
虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）作为一种新兴的综合性信息技术，融合了现代高科技技术成果，包括实时计算、数字图像处理、计算机图形学、人工智能、人机接口技术、传感器技术、显示技术及仿真技术等[12]。其特点在于虚拟现实世界完全由计算机和电子技术创造，其中的操作者可以凭借自己的感觉借助各种动作通过传感设备来操作其中的物体对象，由于虚拟世界可以提供视觉、听觉和嗅觉的实时感受，从而使用户产生了一种沉浸于虚拟环境的感觉。由此，虚拟现实技术的实时三维空间表现能力、人机交互式的操作环境以及给人带来的身临其境的感受赋予其具有与其它相关技术不同的突出特征，即交互性（Interactivity）、想象性（Imagination）和沉浸感（Immersion），称为“3I”特征[13]。
东北大学金属矿山岩石力学与安全开采国家级虚拟仿真教学实验中心虚拟现实系统为应用岩石力学课程的教学工作提供了完备的软硬件支撑环境，如图1所示。整个系统由虚拟现实系统（主动立体投影机、投影幕、主动立体发射器、主动立体眼镜、图像处理器、矩阵、中控系统等设备组成）、高性能计算系统（图形工作站、交换机、服务器和数值计算机）、中控系统（中控主机、继电器、无线路由器等）、人机交互系统（VR眼镜）和音响系统（音箱、功放和无线话筒）构成。
三、实验教学改革方法与实践
（一）实验教学改革的总体思路
目前，各类数值模拟仿真软件已经成熟，利用数值模拟软件，例如RFPA，FLAC和PFC等，可以对岩石在各类应力环境中的变形、破裂、失稳破坏过程进行实时表征，获取关键部位的应力场和位移场关键信息。因此，本次实验教学改革的主要思路首先将相关静态模型（岩石或岩体）导入到虚拟现实平台，然后将岩石加载试验中的应力应变、声发射、塑性区、破裂区等事件信息集合为一体的岩石破裂动态模型[14]，这些事件信息可以通过实验室室内试验和数值实验获取，并和相关静态模型集成于同一模拟场景并作动态展示，学生便可直接观察岩石受载过程中“表观”环境信息以及“内部”的实体力学演化信息，使学生对岩石的变形、破裂与失稳过程有一个直观的认识。在该教学过程中，学生处于中心位置，老师负责基本引导，学生可以根据对现场工程的认识，建立相应的模型，并对岩石或岩体的破坏过程进行模拟计算，虚拟现实平台提供相应的接口供其调用，将相关实验过程进行动态可视化展示，加强学生对实验中观测到的信息和相关理论的深入理解，提高学习兴趣和创新能力。
（二）教学实践应用
在室内岩石力学方面，建立了岩石破裂过程声发射虚拟现实系统，如图2所示。该系统包括左侧操作系统，学生通过点击图标，不仅可以显示岩石受载过程中的最大主应力、最大剪应变等应力应变信息，还可以得到相关应力应变曲线和声发射位置、能量大小等岩石破裂演化信息。中间则是相关信息图像的展示区，其中相关小球的大小表示声发射事件能量的相对大小，而顏色则表示相关事件发生的先后时间次序。而右侧应力应变曲线则会随着加载过程动态变化，让学生对整个加载过程有直观的认识。
同时，如图3所示，点击左方的控制按钮，还可以将数值模拟结果的应力场和声发射密度云图进行可视化展示，实现了岩石受载过程中应力场的动态演示与分析，便于学生理解岩石受载过程的应力场变化特征。
而在岩体和工程尺度方面，针对石人沟现场实际条件和现场测试结果，根据现场收集的资料建立数据库和三维模型，并将应力场、损伤场和微震数据等外部数据进行集成和可视化。如图4所示，不仅可以实现矿体形象、开挖进度的三维可视化模拟和查询，并且可以对相关监测断面应力场和位移场进行剖切分析和可视化查询，帮助学生掌握理论知识，深刻理解工程设计原理，加深对未知现象的探索，提高学习兴趣和创新能力。
四、结束语
基于东北大学金属矿山岩石力学与安全开采国家级虚拟仿真教学平台，让学生走进虚拟现实实验室，通过建立岩石和矿山仿真模型，不仅再现了岩石受载和矿山开采过程中破坏过程，还可以获得许多在常规实验室实验中难以观测到的现象和重要信息。
教学实践表明，将虚拟现实技术融入到应用岩石力学课程中，不仅有利于本科生了解矿山开采状况及所面临的岩石力学问题，还实现了科研成果向教学实践的转化，拓展了本科生的创新思维，形成了岩石力学实验研究和学术交流并举的实践创新教学模式，实现了“教与学的互动、理论与实践的结合、能力与兴趣的共增”的教学目标。
参考文献：
[1]赵延林，万文，唐劲舟.面向采矿工程专业的岩石力学试验教学改革[J].当代教育理论与实践，2016，8（3）：61-63.
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[4]叶秉良，汪进前，李五一，等.高校实验室安全管理体系构建与实践[J].实验室研究与探索，2011，30（8）：419-422.
[5]黄凯.构建高校实验室安全管理体系的思考与实践[J].实验技术与管理，2016，33（12）：1-4，16.
[6]王杰，王士国，任佳，等.新形势下高校实验室安全管理体系建设探索与实践[J].实验技术与管理，2019，36（7）：235-238，252.
[7]杨永康，张百胜，段东，等.基于数值试验的地矿类专业岩石力学实验教学改革[J].实验技术与管理，2018，35（6）：211-214，230.
[8]黄英娣，刘宝臣.岩石力学实验课教学改革初探[J].中国地质教育，1997，24（4）：43-44，60.
[9]王述红，唐春安，朱万成，等.数值试验在岩石力学实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2003，20（6）：140-143.
[10]李连崇，梁正召，夏英杰，等.虚拟现实与数值模拟相结合的教学平台建设[J].高等建筑教育，2014，23（6）：138-141.
[11]杨天鸿，张春明.金属矿山岩石力学与安全开采虚拟仿真教学实验中心虚拟现实系统设计与实现[J].实验室科学，2019，22（3）：171-177.
[12]张鹏海.基于虚拟现实技术的空区围岩稳定性评价[D].沈阳：东北大学，2011.
[13]徐一帆.基于虚拟现实的中学物理仿真实验的设计与实现[D].长沙：湖南大学，2014.
[14]张春明，杨天鸿.岩石破裂过程声发射动态显示虚拟现实实验教学系统[J].微型电脑应用，2020，36（7）：4-7.