VR技術(shù)在土木工程教學(xué)中的發(fā)展階段分析*

王世鵬 桂 勇 劉湘萍 熊定凱 田 震

（贛南科技學(xué)院，江西 贛州 341000）

VR技術(shù)是涵蓋了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真、多媒體與人工智能等多種技術(shù)，可模擬人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官功能的計(jì)算機(jī)高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)，具有多感知性、浸沒(méi)性、交互性、可控性等特點(diǎn)[1]，在教育、軍事等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

土木工程專(zhuān)業(yè)所開(kāi)設(shè)的各種實(shí)踐課程存在風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、周期長(zhǎng)等問(wèn)題，VR技術(shù)的多感知性、交互性和可控性等特點(diǎn)在解決這些問(wèn)題上具有天然的優(yōu)勢(shì)。本文基于VR技術(shù)在我國(guó)高校土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)領(lǐng)域的建設(shè)與應(yīng)用現(xiàn)狀，從研究探索、應(yīng)用推廣及網(wǎng)絡(luò)共享三個(gè)主要階段，系統(tǒng)闡述了VR技術(shù)在土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展歷程。

1 VR技術(shù)在土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)的研究探索階段

21世紀(jì)初，土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)成本高、風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題日益突出，國(guó)內(nèi)部分高校嘗試將VR技術(shù)和土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出適用于土木工程教學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2008年，江西理工大學(xué)嘗試將VR技術(shù)融入土木工程實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域，并于2017年開(kāi)發(fā)出一套“組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學(xué)性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”系統(tǒng)[2]。2011年，寧夏大學(xué)開(kāi)始研究探索VR技術(shù)在土木工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用，建立“新工科背景下土木工程施工技術(shù)虛擬仿真及VR模擬實(shí)驗(yàn)室”；同年，大連大學(xué)展開(kāi)VR技術(shù)在土木工程專(zhuān)業(yè)路橋方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)應(yīng)用研究，對(duì)橋梁質(zhì)量檢測(cè)及荷載測(cè)定存在的高風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題，利用Unity3D等工具，開(kāi)發(fā)出了一套“橋梁檢測(cè)及荷載試驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”；2012年前后，山東建筑大學(xué)、蘭州理工大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等高校開(kāi)展了VR技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理等方面的教學(xué)應(yīng)用研究[3-6]。

2 VR技術(shù)在土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)的應(yīng)用推廣階段

經(jīng)過(guò)多年的探索實(shí)踐，教育部以“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點(diǎn)、提高效益、持續(xù)發(fā)展”為指導(dǎo)思想，2014年～2015年間在全國(guó)范圍內(nèi)建立了兩批國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，在東南大學(xué)、長(zhǎng)沙理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等高校設(shè)立了“土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”、“公路交通虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”等8個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，VR技術(shù)在土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)領(lǐng)域進(jìn)入了應(yīng)用推廣階段，在課內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)課程中得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的效果[7]。

2.1 課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課

2.1.1 專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)

在土木工程專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程中，VR技術(shù)主要應(yīng)用在力學(xué)類(lèi)、材料類(lèi)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)課程當(dāng)中。其中，力學(xué)類(lèi)課程主要有《土力學(xué)》；材料類(lèi)課程主要有《土木工程材料》和《工程地質(zhì)學(xué)》；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)課程主要有《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》和《鋼結(jié)構(gòu)》。

2015～2018年，西南交通大學(xué)等高校利用VR技術(shù)圍繞《土力學(xué)》中的超重力離心模擬實(shí)驗(yàn)、三軸試驗(yàn)等開(kāi)展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在保證實(shí)驗(yàn)真實(shí)性的前提下，解決了此類(lèi)實(shí)驗(yàn)工期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題[3、8]。2015年前后，青島理工大學(xué)利用VR技術(shù)，針對(duì)《土木工程材料》多種環(huán)境下混凝土劣化實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，還原了現(xiàn)實(shí)環(huán)境中混凝土劣化的全過(guò)程[9]。2014～2018年間，山東建筑大學(xué)等高校分別實(shí)現(xiàn)了VR技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)課程方面的應(yīng)用，主要針對(duì)受彎構(gòu)件承載力試驗(yàn)等開(kāi)發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，精準(zhǔn)還原了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的各種受力與變形過(guò)程[3、6]。

2016～2018年，上海大學(xué)等高校實(shí)現(xiàn)了VR技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)類(lèi)課程教學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用，涉及半剛性鋼框架擬靜力實(shí)驗(yàn)等課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)建筑的搭建以及結(jié)構(gòu)相關(guān)系數(shù)的測(cè)量[3]。

對(duì)于土木工程專(zhuān)業(yè)一些特殊結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程，VR技術(shù)的投入使用也取得了好的成效。2017年，江西理工大學(xué)將VR技術(shù)應(yīng)用于《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》教學(xué)當(dāng)中，首次開(kāi)發(fā)了FRP復(fù)合梁受彎實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[10]。2018年，南京航空航天大學(xué)將VR技術(shù)應(yīng)用到《結(jié)構(gòu)風(fēng)工程》教學(xué)當(dāng)中，呈現(xiàn)了建筑物在風(fēng)荷載作用下的測(cè)壓、測(cè)振、測(cè)力的虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程[3]。

2.1.2 專(zhuān)業(yè)課程類(lèi)

在土木工程專(zhuān)業(yè)課程中，VR技術(shù)主要應(yīng)用于給排水工程、巖土工程、建筑工程、交通工程、地下工程。其中，給排水工程課程主要包括《水質(zhì)工程學(xué)》和《人工濕地污水處理理論與技術(shù)》；巖土工程課程主要包括《巖石力學(xué)與工程》和《巖石工程原位測(cè)試技術(shù)》；建筑工程課程主要包括《裝配式建筑》和《建筑施工》等；交通工程課程主要包括《路基路面工程》和《橋梁工程》等；地下工程課程主要包括《隧道工程》和《地下工程》等。

在給排水工程方向，2017～2018年，青島理工大學(xué)和廣州大學(xué)分別將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與水廠設(shè)計(jì)和水處理凝血實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。以VR的形式展現(xiàn)了水廠的選址、水廠平面與高程的布置、水處理與混凝過(guò)程以及各種參數(shù)的變化[3]。

在巖土工程方向，2017年，河南工業(yè)大學(xué)將VR技術(shù)與《巖土工程原位測(cè)試技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，利用VR技術(shù)進(jìn)行靜力觸探實(shí)驗(yàn)。2019年，武漢大學(xué)將VR技術(shù)與《巖石力學(xué)與工程》實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，利用VR技術(shù)進(jìn)行隧道開(kāi)挖三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，展示了模型制作、加載、開(kāi)挖、超載、失效、數(shù)據(jù)分析的完整過(guò)程[3]。

在建筑工程方向，2012年，寧夏大學(xué)將VR技術(shù)與《土木工程施工》當(dāng)中的鉆孔灌注樁施工實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，首次建成國(guó)內(nèi)建筑施工教學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)[3]。2016年，河南工業(yè)大學(xué)將VR技術(shù)與《糧倉(cāng)建筑與結(jié)構(gòu)》教學(xué)相結(jié)合，幫助學(xué)生在虛擬仿真空間當(dāng)中完成園區(qū)的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)[11]。2018年，蘭州理工大學(xué)針對(duì)《工程質(zhì)量事故分析與處理》的建筑物糾傾實(shí)驗(yàn)，引入VR技術(shù)開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，真實(shí)呈現(xiàn)了建筑物因濕陷、鹽脹而傾斜的現(xiàn)象[3]。

在交通工程方向，2012年，大連大學(xué)把VR技術(shù)和《橋梁工程》的橋梁檢測(cè)與荷載實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合到一起，開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)第一批交通工程類(lèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。交通工程課程主要包括橋梁類(lèi)課程和道路類(lèi)課程。

2015～2018年期間，河北工業(yè)大學(xué)等高校先后將VR技術(shù)運(yùn)用到橋梁類(lèi)課程教學(xué)當(dāng)中，涉及《橋梁工程》《大跨空間結(jié)構(gòu)》等課程的課內(nèi)課后實(shí)驗(yàn)教學(xué)，包括索結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)施工實(shí)驗(yàn)等[3]。2016～2017年期間，長(zhǎng)沙理工大學(xué)等高校先后將VR技術(shù)運(yùn)用到道路類(lèi)課程教學(xué)當(dāng)中，涉及《路基路面工程》和《道路勘測(cè)設(shè)計(jì)》的課內(nèi)課后實(shí)驗(yàn)教學(xué)，包括攪拌站實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生掌握了道路建造過(guò)程中材料生產(chǎn)、材料穩(wěn)定性控制的要點(diǎn)[3]。

在地下工程方向，2015～2018年，西華大學(xué)等高校分別將VR技術(shù)與地下工程方向隧道施工類(lèi)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，對(duì)應(yīng)課程《隧道工程》《地下工程》，包括隧道爆破施工實(shí)驗(yàn)、高地應(yīng)力深埋軟巖洞室開(kāi)挖及支護(hù)實(shí)驗(yàn)、隧道火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及隧道施工實(shí)驗(yàn)等，克服了隧道類(lèi)實(shí)驗(yàn)難開(kāi)展、不可逆的弊端[3]。

2.2 單獨(dú)實(shí)驗(yàn)課

2.2.1 基礎(chǔ)單獨(dú)實(shí)驗(yàn)課

近年，南昌大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)等高校建成虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)室，建立了力、熱、電、光、磁等30多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，例如示波器實(shí)驗(yàn)、邁克爾遜干涉儀實(shí)驗(yàn)、多用表改裝實(shí)驗(yàn)等。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)指示進(jìn)行操作，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄匯總，大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)材料和相應(yīng)儀器維護(hù)成本，并且提高了《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》的教學(xué)效率[12]。

2.2.2 專(zhuān)業(yè)單獨(dú)實(shí)驗(yàn)課

2015年起，部分高校建成了土木工程專(zhuān)業(yè)單獨(dú)實(shí)驗(yàn)課虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。2015～2018年，西南交通大學(xué)等高校分別將VR技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)測(cè)試類(lèi)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)當(dāng)中，典型實(shí)驗(yàn)有鋼筋混凝土樓蓋承載破壞實(shí)驗(yàn)等，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將結(jié)構(gòu)所受荷載大小與變形情況同步展現(xiàn)出來(lái)；也將建筑結(jié)構(gòu)因地震或承受荷載而導(dǎo)致的形變呈現(xiàn)在學(xué)生面前，激發(fā)了學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)受力變形的研究興趣[3]。

2015～2019年，河北大學(xué)等高校成功將VR技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)當(dāng)中，涉及隧道設(shè)計(jì)和施工實(shí)驗(yàn)等，在虛擬情景中實(shí)現(xiàn)對(duì)理論知識(shí)的運(yùn)用，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本目的[3]。

高校在安全與現(xiàn)實(shí)的前提下，利用VR技術(shù)建立了各種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，鞏固了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知。VR技術(shù)在土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的不斷推廣和應(yīng)用，提升了一些高校在新工科背景下的土木工程教學(xué)質(zhì)量，為VR技術(shù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)共享階段奠定了堅(jiān)實(shí)的資源基礎(chǔ)。

3 VR技術(shù)在土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)共享階段

近幾年，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出云平臺(tái)、5G等一系列新興技術(shù)，云平臺(tái)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需資源的一種服務(wù)技術(shù)，該技術(shù)鑄就了虛擬仿真教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)[13]。VR技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)共享技術(shù)的融合，助力了VR技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用逐漸步入到了網(wǎng)絡(luò)共享階段。

2017年，隨著我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)項(xiàng)目的不斷出現(xiàn)，教育部選擇示范虛擬仿真項(xiàng)目，基于道德培養(yǎng)的基本任務(wù)，建立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)：http∶//www.ilab-x.com/[14]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)對(duì)國(guó)內(nèi)各高校開(kāi)放服務(wù)，截至2021年4月30日，該網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)已收納包括法學(xué)類(lèi)、土木類(lèi)等41類(lèi)專(zhuān)業(yè)共2079個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。土木工程專(zhuān)業(yè)是工科類(lèi)高校的重點(diǎn)專(zhuān)業(yè)，平臺(tái)收錄此專(zhuān)業(yè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課、單獨(dú)實(shí)驗(yàn)課等共計(jì)119項(xiàng)。

網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)的建設(shè)不僅促進(jìn)了科技教學(xué)的發(fā)展，而且實(shí)現(xiàn)了社會(huì)資源的共享，帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)普通高校教學(xué)方法的創(chuàng)新和教學(xué)水平的提高[15,16]。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在研究探索階段，部分工科院校針對(duì)土木工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中存在的風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，以《土木工程施工》《橋梁工程》等實(shí)踐性較強(qiáng)的課程為例，利用VR技術(shù)，運(yùn)用Unity3D創(chuàng)作開(kāi)發(fā)引擎等工具，初步建成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程的虛擬仿真平臺(tái)，開(kāi)創(chuàng)了一種新的教學(xué)模式。

（2）在應(yīng)用推廣階段，VR技術(shù)在土木工程課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課和單獨(dú)實(shí)驗(yàn)課當(dāng)中得到了廣泛應(yīng)用，并具有以下特點(diǎn)：①應(yīng)用高校數(shù)量多，截至目前，我國(guó)有100余所高校相繼開(kāi)發(fā)出了土木工程專(zhuān)業(yè)各課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共約119項(xiàng)；②應(yīng)用課程范圍廣，包括專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)、專(zhuān)業(yè)課程類(lèi)、基礎(chǔ)單獨(dú)實(shí)驗(yàn)課等約77門(mén)課程；③應(yīng)用項(xiàng)目效果好，各項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程存在的一些問(wèn)題，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高了學(xué)生的參與程度，取得了良好的教學(xué)效果。

（3）在網(wǎng)絡(luò)共享階段，教育部利用云平臺(tái)等技術(shù)創(chuàng)建了國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)，標(biāo)志著高校利用VR技術(shù)開(kāi)展教學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新的階段，共享平臺(tái)的建設(shè)與使用，避免了各高校虛擬仿真平臺(tái)的重復(fù)性建設(shè)，改變了各高校教學(xué)資源分配不均衡的現(xiàn)狀，在一定程度上帶動(dòng)了各高校教學(xué)質(zhì)量的提升，實(shí)現(xiàn)了教育資源的共享。

（4）目前，我國(guó)高校在利用VR技術(shù)開(kāi)展課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了豐富的研究成果，但還是存在部分專(zhuān)業(yè)建設(shè)薄弱、部分課程重復(fù)建設(shè)、部分實(shí)驗(yàn)亟須完善的問(wèn)題。各高?？梢劳袊?guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)，共同建設(shè)，繼續(xù)完善，切實(shí)用好，讓VR技術(shù)真正為學(xué)校、專(zhuān)業(yè)和學(xué)生服務(wù)。