VR技術(shù)在土木工程教學(xué)中的應(yīng)用研究

王鵬 李志強 李彩紅 趙利芬

(黃河科技學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南 濟源 459000)

VR(虛擬現(xiàn)實)一詞最早是在20世紀80年代由美國人拉尼爾提出的，但是在更早以前已經(jīng)有虛擬現(xiàn)實的雛形了。1956年Morton Heilig開發(fā)了一種多感知體驗顯示系統(tǒng)[1]，也是人類歷史上第一款VR系統(tǒng)。從1970開始，北卡羅來納大學(xué)花了15年時間，開發(fā)出世界上第一款交互式建筑漫游系統(tǒng)，并不斷完善。一直到2010年，VR技術(shù)儲備基本完成，谷歌、三星、HTC紛紛推出自己的VR產(chǎn)品，并逐漸形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)。到2014年，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷完善和硬件成本的降低，我國國內(nèi)也涌現(xiàn)出一大批消費級的VR眼鏡，只要嵌入手機就可以初步體驗VR，這也使VR技術(shù)在各個領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用成為可能。

在2017年舉辦的中美智慧教育大會上，將VR技術(shù)認定為需要重要發(fā)展的12項教育技術(shù)之一。這項技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，標志著教育技術(shù)的跨越式發(fā)展。它創(chuàng)設(shè)了一個以學(xué)生為中心的自主學(xué)習(xí)情境，充分發(fā)揮VR技術(shù)互動、沉浸和想象的優(yōu)越性，將替代傳統(tǒng)“以教促學(xué)”的教學(xué)模式，形成學(xué)習(xí)者與信息環(huán)境相互作用獲取知識的新模式，因此在教育領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。新技術(shù)的產(chǎn)生帶動了建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，鑒于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的復(fù)雜性和危險性，在教學(xué)過程中使用虛擬技術(shù)來模擬設(shè)計與施工過程顯得尤為必要，可以使學(xué)生能夠身臨其境感受設(shè)計的合理性，親身體驗施工過程，理解構(gòu)件的內(nèi)部構(gòu)造和做法。

1996年，天津大學(xué)率先開發(fā)出虛擬校園，這是VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的初步應(yīng)用。同濟大學(xué)投入巨資建立了虛擬現(xiàn)實實驗室，對建筑結(jié)構(gòu)進行仿真實驗，嘗試相關(guān)先進技術(shù)和應(yīng)用。2014年，里斯本大學(xué)將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于橋梁施工過程中，通過開發(fā)的交互式應(yīng)用程序，將施工過程進行可視化處理，并創(chuàng)建教學(xué)模型，為教學(xué)提供了新視角[2]。國內(nèi)的一些公司，如北京犀牛數(shù)字互動科技、光輝城市等公司也開發(fā)了許多VR軟件，并與高校開展合作，推動了VR軟件在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。VR和土建類課程的理論體系能夠?qū)崿F(xiàn)有效的結(jié)合，克服傳統(tǒng)學(xué)習(xí)中的局限和不足之處，因此進行VR技術(shù)在土木工程課程中的應(yīng)用研究具有非常大的現(xiàn)實意義。

1 VR在土木工程課程應(yīng)用的思路

VR技術(shù)在土木工程教學(xué)上的應(yīng)用，應(yīng)該結(jié)合國家人才的需要和行業(yè)崗位的要求，根據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)規(guī)律以及土木工程專業(yè)的培養(yǎng)方案，開發(fā)出成體系的VR教學(xué)資源、教學(xué)課程和虛擬仿真教學(xué)平臺，配合現(xiàn)有的硬件設(shè)備，形成“優(yōu)勢互補、虛實一體”教學(xué)格局[3]。

根據(jù)土木工程專業(yè)課程設(shè)置，VR技術(shù)可以分為以下幾個大類進行應(yīng)用研究[4]：一是設(shè)計類課程，包括“工程制圖”“平法識圖”“房屋建筑學(xué)和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計”等課程，主要利用VR技術(shù)的沉浸性，讓學(xué)生切身感受設(shè)計和布局的合理性。二是原理類課程，主要是針對“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”“混凝土設(shè)計原理”等課程，將構(gòu)件內(nèi)部受力情況進行可視化處理。三是操作性課程，主要是針對土木工程施工、實驗、實訓(xùn)類課程，虛擬出整個過程，讓學(xué)生不去現(xiàn)場就能體驗并完成操作。

2 VR技術(shù)在土木工程課程中的具體應(yīng)用

2.1 設(shè)計類課程

(1)教學(xué)內(nèi)容的可視化。如在講授“房屋建筑學(xué)”時，學(xué)生沉浸到VR環(huán)境中，讓學(xué)生看得到、聽得見，可以實時欣賞建筑之美。這種虛擬情景的可視化教學(xué)無疑是對傳統(tǒng)課件教學(xué)的沖擊與挑戰(zhàn)。教師可結(jié)合虛擬建筑講授結(jié)構(gòu)和構(gòu)件相關(guān)知識，讓學(xué)生切身體會到構(gòu)件的細部做法和規(guī)范要求。

(2)虛擬建筑的設(shè)計。傳統(tǒng)房建課程設(shè)計，學(xué)生們繪制的平面圖、立面圖、剖面圖不夠直觀，真實感不強，而借助VR設(shè)備，可隨時生成虛擬建筑，學(xué)生在設(shè)計過程中就可以親自體驗自己設(shè)計的建筑是否滿足要求，感受空間布局是否合理，門窗設(shè)計是否符合人們?nèi)粘Ｐ枨?。也可以將虛擬建筑和真實場景進行疊加，檢驗其在真實環(huán)境中的效果。

(3)設(shè)計方案的展示與評價。在設(shè)計成果的展示階段，學(xué)生可以生成漫游視頻，選取合適的角度生成效果圖來展示設(shè)計方案；也可以借助VR設(shè)備，讓學(xué)生借助手機掃描二維碼觀看三維立體效果和動畫，甚至直接進入虛擬建筑中去體驗建筑方案的設(shè)計與布局，更加直觀地了解方案設(shè)計。

2.2 原理類課程

(1)教學(xué)試驗虛擬再現(xiàn)?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計原理有些重要的試驗要做，比如適筋梁受彎試驗。展示試驗時，學(xué)生離得遠了看不清楚，離得近了又擔(dān)心混凝土崩解傷到學(xué)生，可謂兩難。使用VR技術(shù)，在虛擬環(huán)境中模擬試驗，可以使學(xué)生清楚看到適筋梁破壞過程、裂縫發(fā)展過程和鋼筋變形特點，學(xué)生既能收獲大量知識，又不用擔(dān)心安全問題。

(2)受力狀態(tài)的可視化。理論課里面最難理解的就是構(gòu)件的受力特性，許多學(xué)生學(xué)完課程之后能夠死板地根據(jù)要求配筋，但是對于構(gòu)件各處的受力到底是怎樣的、為什么要這樣配筋就不清楚了。結(jié)合VR和Anasys等有限元軟件，實時展示構(gòu)件在不同力的作用下各部分應(yīng)力云圖、應(yīng)變發(fā)展過程，利用虛擬現(xiàn)實為學(xué)生提供交互式的可視化環(huán)境，讓學(xué)生知其然，也知其所以然。

2.3 土木工程施工類課程

傳統(tǒng)的土木工程施工教學(xué)是分階段進行的，學(xué)生先學(xué)習(xí)基本理論知識，然后進行課程設(shè)計，最后讓學(xué)生去工地實習(xí)。然而理論課單調(diào)乏味，課程設(shè)計學(xué)生只會機械地模仿，去工地實習(xí)往往因為種種原因被取消[5]。

此類課程可以結(jié)合VR技術(shù)，通過交互式操作，完成施工現(xiàn)場的沉浸式體驗，進行施工進度、施工關(guān)鍵技術(shù)的模擬，以及施工現(xiàn)場和工程內(nèi)部的漫游。比如睿格致公司開發(fā)的建筑工程崗位綜合仿真演練系統(tǒng)，學(xué)生就像玩游戲一樣，進行建筑八大員的角色扮演，不同的身份接受不同的任務(wù)，學(xué)生沉浸于系統(tǒng)內(nèi)，可以完成基礎(chǔ)與梁板柱的施工技術(shù)學(xué)習(xí)、圖紙識讀、構(gòu)造認知，也可以模擬施工過程，完成相關(guān)建筑安全知識、測量、計量計價和監(jiān)理的相關(guān)知識的學(xué)習(xí)。

2.4 實驗、實訓(xùn)類課程

土木工程作為實踐性極強的專業(yè)，免不了要進行各種實驗和實訓(xùn)。由于課時不足，學(xué)生人數(shù)多，還要考慮學(xué)生的安全，許多企業(yè)也不愿意接受學(xué)生去工地實習(xí)，因而實驗、實訓(xùn)課時總被壓縮。加上實驗環(huán)境較為惡劣、耗時耗力，學(xué)生做實驗時積極性不高。結(jié)合VR技術(shù)，學(xué)生能在實驗平臺較為“真實”地完成實驗和實訓(xùn)，實現(xiàn)從理論向工程實踐中過渡，解決了難以長期全面系統(tǒng)展開實踐教學(xué)的問題[6]。

可以參考繪圖機房，配置VR硬件，成立專門的VR教室，學(xué)生在教室中完成實訓(xùn)和試驗。以平法識圖實訓(xùn)為例，學(xué)生可以根據(jù)任務(wù)書，先完成鋼筋長度的計算，然后在VR教室里結(jié)合3Dmax軟件實時建模，綁扎鋼筋籠，可以在虛擬空間全方位地觀察鋼筋籠是否符合平法圖集的構(gòu)造要求。

3 VR教學(xué)資源開發(fā)

3.1 VR開發(fā)軟件的培訓(xùn)

教師應(yīng)具備一定的VR課程開發(fā)能力，需對教師進行相關(guān)VR開發(fā)軟件的培訓(xùn)。目前主流的開發(fā)軟件是Unity3D，其功能能與土木工程專業(yè)緊密結(jié)合起來，根據(jù)需要創(chuàng)建各類建筑結(jié)構(gòu)與構(gòu)件。Unity3D插件豐富，但是學(xué)習(xí)難度較大。除此之外，還可以使用Krpano。該軟件能夠快速入門、降低學(xué)習(xí)難度以及對VR硬件的依賴，但是功能相對較少。高校教師可以與企業(yè)積極對接協(xié)同育人項目，企業(yè)可以推廣全新的VR產(chǎn)品，擴大影響力，教師也能完成相關(guān)培訓(xùn)，提高教學(xué)水平。

3.2 教學(xué)內(nèi)容的改革

VR技術(shù)的推廣，需要對本專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容進行全面改革。改革內(nèi)容包括專業(yè)培養(yǎng)方案、教學(xué)大綱、理論與實踐教學(xué)資源的改革、共享學(xué)習(xí)資源庫等。由于VR技術(shù)的特點，需要從整體上修訂人才培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱，在教學(xué)過程中，需要結(jié)合VR技術(shù)設(shè)計全新的教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)建新的虛擬仿真系統(tǒng)和平臺，打造專門的VR實訓(xùn)室。單純依靠個別高校進行教學(xué)內(nèi)容的改革難度較大，因此可以與專門的公司和高校合作，同時打造資源共享平臺，共享VR教育素材。比如摩爾空間公司，有專門智能VR課件編輯器和課件商城，降低了VR課程的開發(fā)難度，并實現(xiàn)了教育資源共享。

4 結(jié)語

VR技術(shù)與土木工程專業(yè)的結(jié)合是現(xiàn)代化教學(xué)的需求，是計算機技術(shù)和專業(yè)教育深度融合的產(chǎn)物，取得了良好的教學(xué)效果。對學(xué)生而言，降低了學(xué)習(xí)難度，增強了學(xué)習(xí)趣味性，提高了創(chuàng)新實踐能力，學(xué)生在VR相關(guān)比賽中明顯能夠收獲更多的知識，VR虛擬教學(xué)可以幫助學(xué)生完成從理論到實踐的良好過渡。對于教師而言，應(yīng)該根據(jù)行業(yè)需求，積極與企業(yè)對接合作，接受新技術(shù)的培訓(xùn)與應(yīng)用。企業(yè)也應(yīng)積極對接學(xué)校，開發(fā)適合教學(xué)的虛擬仿真實驗平臺，這樣才能將VR技術(shù)在土木工程教學(xué)中快速普及使用。