数字孪生虚拟仿真平台在土力学实践教学中的应用初探

数字孪生虚拟仿真平台在土力学实践教学中的应用初探

随着科技的发展，传统的土力学实践教学面临着诸多挑战。本文提出了一种基于数字孪生技术的虚拟仿真平台，通过将虚拟仿真与物理模型相结合、线上教学与现场教学相结合、理论学习与工程实践相结合的教学方法，开发构建数字孪生虚拟仿真实验平台，并对土力学实践教学模式进行了有益的探索。

摘要

实践教学是土力学教学中必不可少的环节，高校现有条件和外部环境难以满足日趋多元化的实践需求。利用虚拟仿真与物理模型相结合、线上教学与现场教学相结合、理论学习与工程实践相结合的教学方法，开发构建数字孪生虚拟仿真实验平台，并对土力学实践教学模式进行了有益的探索。以矿区地表变形监测为例，直观展现地表变形、仪器布设、变形监测及数据处理全过程。研究成果表明，数字孪生虚拟仿真平台有助于培养学生创新精神及实践能力，符合现代岩土工程实验技术的发展方向。

数字孪生虚拟仿真平台的整体架构

数字孪生虚拟仿真平台的整体架构如图 1 所示。该平台由数据采集与处理模块、虚拟仿真模块、教学管理模块和用户交互模块组成。数据采集与处理模块负责收集实验数据并进行预处理；虚拟仿真模块基于三维建模和物理引擎实现虚拟实验环境；教学管理模块用于课程管理和实验安排；用户交互模块提供友好的用户界面和操作体验。

系统原件搭接方式及信号传输路线

系统原件搭接方式及信号传输路线如图 2 所示。实验设备通过传感器采集数据，经由数据采集卡传输至计算机，再通过网络传输至云端服务器进行数据处理和存储。用户可以通过客户端软件访问云端服务器，进行虚拟实验操作和数据查看。

基于数字孪生虚拟仿真平台的教学模式

基于数字孪生虚拟仿真平台的教学模式如图 3 所示。该模式包括课前预习、课堂实验、课后复习三个阶段。课前预习阶段，学生通过平台了解实验内容和操作流程；课堂实验阶段，学生在教师指导下进行虚拟实验操作；课后复习阶段，学生可以回放实验过程，巩固实验知识。

矿区地表变形虚拟仿真实验系统

矿区地表变形虚拟仿真实验系统如图 4 所示。该系统包括矿区模型、监测仪器模型和数据处理模块。学生可以通过平台进行矿区地表变形监测实验，了解地表变形监测的基本原理和操作方法。

矿区地表变形模拟全过程

矿区地表变形模拟全过程如图 5 所示。实验包括矿区模型建立、监测仪器布设、数据采集与处理等环节。学生可以通过平台直观地观察地表变形过程，了解监测数据的变化规律。

全站仪组成及操作过程模拟

全站仪组成及操作过程模拟如图 6 所示。学生可以通过平台了解全站仪的结构组成和操作方法，进行虚拟测量操作。

地表变形监测过程模拟

地表变形监测过程模拟如图 7 所示。学生可以通过平台进行虚拟监测操作，了解监测数据的采集和处理过程。

数据采集、记录、分析与处理模拟

数据采集、记录、分析与处理模拟如图 8 所示。学生可以通过平台进行虚拟数据处理操作，了解数据分析的基本方法和技巧。

结论

研究成果表明，数字孪生虚拟仿真平台有助于培养学生创新精神及实践能力，符合现代岩土工程实验技术的发展方向。该平台可以有效弥补传统实践教学的不足，为土力学教学提供新的解决方案。