虛擬仿真技術(shù)在土木工程專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用

袁振霞 陳雨婷 祝彥知

中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院（450007）

0 引言

土木工程專業(yè)實踐教學(xué)中遇到的問題：實驗場地與經(jīng)費有限，個別實驗危險性較大；施工現(xiàn)場危險，不接收實習(xí)生；工程周期長，實習(xí)時間短等[1-2]。這些問題導(dǎo)致學(xué)生對理論知識理解的不透徹、實踐能力較差。 目前，虛擬仿真技術(shù)在土木行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，如施工安全教育、房產(chǎn)銷售VR 看房、三維立體模型設(shè)計等， 而將其應(yīng)用于實踐教學(xué)，可推動土木過程專業(yè)教學(xué)改革，提升教學(xué)和就業(yè)質(zhì)量。

1 虛擬仿真技術(shù)在土木工程專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用

土木工程專業(yè)實踐教學(xué)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生的實踐和應(yīng)用能力。 教育信息化的發(fā)展，帶給教師和學(xué)生學(xué)什么、怎么學(xué)、在哪里學(xué)三個問題[3]。集成、開放、共享的信息化平臺可以有效解決信息化帶來的問題。我校力學(xué)與工程結(jié)構(gòu)虛擬仿真實驗教學(xué)中心于2013 年獲批為河南省首批虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心。 七年來，虛擬仿真實驗教學(xué)中心根據(jù)專業(yè)發(fā)展需要，不斷充實軟硬件設(shè)備，利用學(xué)校信息化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)平臺，集成各種仿真模塊，搭建完成了建工虛擬仿真平臺，打破了時間和空間障礙，實現(xiàn)了資源共享。

根據(jù)全國高校本科教育工作會議精神和教育信息化發(fā)展的情況，充分利用虛擬仿真技術(shù)，堅持以學(xué)生為本的教育理念，從時間和空間維度上搭建信息化人才培養(yǎng)體系， 按照課程情況調(diào)整教學(xué)大綱，引入虛擬仿真平臺共享資源，改革實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)模式，推動土木過程專業(yè)實踐教學(xué)改革，提升教學(xué)和就業(yè)質(zhì)量。

2 虛擬仿真技術(shù)在土木工程專業(yè)實踐教學(xué)中的作用

2.1 提高學(xué)生的應(yīng)用能力

生產(chǎn)實習(xí)是土木工程專業(yè)重要的實踐環(huán)節(jié)，是認(rèn)識實習(xí)和畢業(yè)實習(xí)之間的紐帶[4]，按照人才培養(yǎng)方案，此環(huán)節(jié)重在鞏固學(xué)生的專業(yè)知識、培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力。 為解決生產(chǎn)實習(xí)中存在的問題，采用線上漫游操作和VR 身臨其境體驗的學(xué)習(xí)模式。

線上漫游操作的學(xué)習(xí)模式，基于虛擬施工工藝仿真系統(tǒng)提供的真實工程案例的三維場景，包括測量、地基與基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)、裝飾裝修、屋面工程5大模塊及其子模塊，每個子模塊都配套實訓(xùn)任務(wù)書，用以指導(dǎo)學(xué)生完成實習(xí)實訓(xùn)。 學(xué)生在工地實習(xí)時只能了解某個施工階段的內(nèi)容，而該實驗系統(tǒng)可以模擬整個施工過程和現(xiàn)場環(huán)境，幫助學(xué)生更好地掌握理論課程教學(xué)中的重難點。 在卡通人物引導(dǎo)下，學(xué)生可以查閱相關(guān)規(guī)范和圖紙，了解工藝流程和細節(jié)；遇到難懂的知識點，可以點擊視頻進行學(xué)習(xí)，整個實習(xí)過程充滿樂趣，學(xué)生根據(jù)掌握程度可以反復(fù)學(xué)習(xí)，直到熟練掌握。

VR 身臨其境體驗的學(xué)習(xí)模式， 是利用VR 設(shè)備沉浸性、交互性、構(gòu)想性的特點[5]，帶給學(xué)生視覺、聽覺、觸覺等方面高度仿真的真實感，讓學(xué)生在模擬環(huán)境下切身體驗施工中安全隱患帶來的后果，彌補線上漫游操作的不足。 清楚并避免發(fā)生安全隱患是每位土木工程師必備的基本素質(zhì)，但是在授課中學(xué)生認(rèn)為內(nèi)容枯燥乏味， 學(xué)習(xí)中存在應(yīng)付情況，為引起學(xué)生重視，將學(xué)生帶入VR 實驗室，進行VR 體驗式教學(xué)。 體驗式的學(xué)習(xí)，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)多人協(xié)作的能力，還可以加強學(xué)生的安全防范意識。

實習(xí)結(jié)束后，統(tǒng)一進入考核模式，選擇模塊進行測試，全方位考核學(xué)生實習(xí)情況。 虛擬仿真技術(shù)融入生產(chǎn)實習(xí)， 確保了學(xué)生在短暫的實習(xí)期間，不僅了解了施工現(xiàn)場各種工作崗位的職責(zé)，還熟悉了完整的工程施工流程及安全注意事項，極大程度解決了實習(xí)難的問題，提高了學(xué)生的應(yīng)用能力。

2.2 培養(yǎng)學(xué)生思考和解決問題的能力

在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中融入虛擬仿真技術(shù)，建立虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，利用其可視化的優(yōu)點開展虛擬仿真實驗，包括虛實結(jié)合的實驗和危險性虛擬仿真實驗。 以開展虛實結(jié)合的實驗教學(xué)過程為例（如圖1 所示），此過程是對實體實驗的有效補充，符合教育信息化的發(fā)展方向。 我院虛擬仿真實驗教學(xué)平臺現(xiàn)有《土力學(xué)虛擬仿真實驗》、《建筑材料虛擬仿真實驗》、《巖石力學(xué)虛擬仿真實驗》、《材料力學(xué)虛擬仿真實驗》等，虛擬仿真軟件包含多個子模塊，可滿足專業(yè)課實驗要求。 教師在實驗課前布置實驗內(nèi)容，學(xué)生利用業(yè)余時間在虛擬仿真實驗平臺上進行學(xué)習(xí)與互動。 首先熟悉實驗設(shè)備的組成、實驗原理、實驗?zāi)康?、實驗操作步驟，對實驗有直觀、整體、準(zhǔn)確的認(rèn)知；再按照實驗提示進行設(shè)備尺寸數(shù)據(jù)的輸入。 平臺自動匹配并判斷對錯，完成實驗的虛擬操作。 在虛擬實驗過程中，教師通過平臺引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)操作流程發(fā)現(xiàn)問題，最后帶著問題進入實體實驗室；在實體實驗中，學(xué)生和教師進行探討交流，針對性地解決虛擬實驗中發(fā)現(xiàn)的問題。 實體實驗結(jié)束后，還可以在虛擬仿真實驗平臺上反復(fù)溫習(xí)，鞏固相關(guān)知識，提交實驗報告。

虛擬仿真技術(shù)融入實驗環(huán)節(jié)，可促使學(xué)生充分利用課外時間完成課內(nèi)實驗，激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新的興趣，引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生思考、解決問題的能力。

圖1 虛實結(jié)合的實驗教學(xué)過程

3 結(jié)語

在實踐教學(xué)中融入虛擬仿真技術(shù)， 不僅安全、經(jīng)濟、可靠，還對傳統(tǒng)的教學(xué)形態(tài)進行了改革，拓展了教學(xué)的深度和廣度，彌補了傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式的不足，取得了顯著效果。 我院土木工程專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)率達98%，據(jù)跟蹤調(diào)查，大部分學(xué)生進入了大中型國有企業(yè)。 學(xué)生回饋，就業(yè)后可以很快進入角色，得到用人單位的一致好評。

虛擬仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用，順應(yīng)了教育信息化的發(fā)展趨勢，為學(xué)生創(chuàng)造了良好的學(xué)習(xí)氛圍，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)了一批具有實踐能力、合作能力、應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力、綜合能力的高素質(zhì)人才。