基于虛擬現實技術的土木工程教學改革與探索★

張 銳

(大連交通大學土木與安全工程學院，遼寧大連 116028)

1 土木工程專業傳統教學存在的問題

土木工程是一門傳統的學科，目前的教學體系主要是理論與實踐相結合的培養模式。理論部分分為專業基礎課和專業課。實踐部分包括實驗、實習、課程設計以及畢業設計環節。其目的是借助理論聯系實踐，令學生掌握基本的專業知識，具備基本的專業技能。這種模式毋庸置疑，但具體的環節仍存在著諸多問題，無法達到預期的目標，教學效果不佳。

1.1 理論教學難點解析不透，知識結構有待整合

土木工程專業教學中經常會涉及到諸多空間結構，有的結構非常復雜，比如:《房屋建筑學》課程中講述的樓梯間構造，《鋼筋混凝土結構》中構件節點鋼筋布置等等。目前傳統教學主要是借助二維平、立、剖圖例做以解析，不夠直觀，尤其對于空間感不強的學生，接受起來總是很有難度。

此外，土木工程是一個龐大的完整的工程體系，理論學習的目的即是讓學生掌握各個環節的設計和施工方法，進而具備全局的把控能力。但目前的狀況是，各門主干專業課各自授課，雖然很多知識點都是相關聯的，但很難有一個途徑，將所學的各門專業課整合成一個體系，令學生對工程結構有一個整體的認知和把握。

1.2 實踐教學資源緊缺，限制性強［1，2］

首先，實驗教學方面，目前高校的普遍情況是，實驗設備陳舊、數量不足，實驗場地狹小，實驗人員緊缺問題尤為突出。眾所周知，土木工程專業的實驗教學較其他專業資源投入要求非常高，很多高校都力所不及。目前開設的實驗也僅是以投入較小的驗證性實驗為主，綜合性、設計性、創新性實驗則少之又少，尤其是一些代表高科技、新技術的研究性實驗，就連重點院校也很難開設。

其次，實習環節限制諸多。從認識實習到生產實習及課程實習、畢業實習，本是學生理論聯系實踐非常好的學習環節，但效果著實不佳。以矛盾最突出的生產實習為例，生產實習本是希望學生通過較長時間在施工現場親身參與工作，使其對施工環節有更深層次的理解。但接收實習的單位，都是義務性服務，而且考慮到學生的安全問題及責任歸屬問題，因此很難聯系。而且，對于一個土木工程整個的施工過程，幾周的實習時間實在是太過短暫，學生僅僅能了解到很小的一部分施工環節，信息量遠遠不夠。

1.3 教學模式缺乏生動性、自主性、創新性

老師教、學生學，這仍是目前教學的傳統模式，形式呆板，缺乏趣味性，當然這也是其他高校專業教學普遍存在的問題。學生處于被動的學習狀態，很難有機會讓學生可以自主選擇想要了解的知識內容。另外，高等教育兼具培養學生科學研究能力的職責。缺乏自主性、互動性的教學模式，很難培養學生的學習興趣和鉆研精神，以及需要有創新意識的科研能力。

2 基于虛擬現實技術，構建“體驗”學習模式

隨著計算機技術的進步，尤其是虛擬現實技術［3-5］的采用，為解決土木工程傳統教學中存在的問題給出了一個很好的解決途徑。所謂虛擬現實技術是指利用計算機模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供操作者關于視覺、聽覺等感官的模擬，讓操作者如同身臨其境一般，可以實時、自由地觀察三維空間內的事物。目前已廣泛應用于工程設計、城鎮規劃、科學計算、可視化、教育、電子商務、醫學、軍事、藝術與娛樂等諸多領域。

本文即希望借助先進的計算機技術，構建虛擬的教學系統，模擬真實狀態下的學習過程，通過學習者與系統間的交互，營造一種“體驗式”的學習環境，打破傳統教學的局限，令學生掌握學習的主動權，開闊學生的視野，激發學習興趣。

3 基于虛擬現實技術的土木工程實驗教學的改革

雖然目前虛擬現實技術在教育領域已廣泛應用，但在土木工程實驗教學領域的成熟實例還不多。揚州大學的王儀［6］充分闡明了虛擬現實在土木工程教學中的廣闊應用前景;上海大學的汪德江等［7］對結構工程虛擬實驗室的建設提出了可行的方案;河南大學岳建偉等［8］在建筑施工教學中采用了仿真系統。但到目前，還未見成熟的土木工程虛擬實驗系統。

圖1 土木工程虛擬實驗系統結構圖

因此，本文按照土木工程專業培養方案要求，試圖構建一個完整的土木工程虛擬實驗系統，此虛擬實驗系統總體架構如圖1所示。作為初步嘗試及探索，采用較為方便的Flash 8.0開發環境，完全按照真實實驗場景及設備構建二維模型，學習者通過鼠標、鍵盤實現與系統的互動，都會得到與真實世界相同的反饋，可身臨其境地了解到實驗的整個過程。其中開發的部分實驗模塊操作界面如圖2，圖3所示。

圖2 混凝土抗壓強度試驗

圖3 鋼筋混凝土梁抗彎試驗

與傳統實驗相比，它具有花費少、可重復、不受客觀條件限制等諸多優點。對于傳統的驗證性實驗，可基本由虛擬實驗代替。對于受條件限制無法開設的大型及新技術實驗，通過虛擬實驗系統，更可開闊學生的視野，激發學習興趣，培養學生的科研能力。

4 基于虛擬現實技術的土木工程理論教學的改革

針對土木工程理論教學存在的問題，以建筑工程專業理論教學為切入點，初步嘗試采用虛擬現實技術構建建筑工程虛擬教學系統。從目前國內比較成熟的建筑工程的虛擬教學系統來看，還僅是關注建筑構造部分［9-11］，對于結構部分，尤其是構件內部配筋構造還鮮有表達。而且系統的互動性也多是通過放大縮小及各個角度的瀏覽來實現，個別采用一次性拆裝的方式來顯示構造，不能令學生對想了解的個別部分掌握自主權。因此，我們開發了一個虛擬的建筑工程教學系統，學習者可作為虛擬人物實現在系統中漫游，可按照自己的想法，在漫游的過程中，實時地通過鼠標點選構件，實現逐層隱藏，以清楚了解房屋的全部細部構造。該系統的總體架構［12］如圖4所示。

圖4 建筑工程虛擬教學系統結構

系統采用ProE建模、3D MAX建模和渲染、Virtools實現互動的三種軟件技術組合的方式，能夠根據系統的需求，充分發揮各自軟件的優勢特點。系統的總體界面及人物瀏覽狀態如圖5所示。通過隱藏可展示的細部構造，以樓梯間為例，見圖6。

圖5 系統的總體界面及人物瀏覽狀態

圖6 樓梯間構造及鋼筋布置示意圖

該系統是以某市中學教學樓為藍本，系統中的模型完全按照真實建筑來構建，即包括真實建筑的全部建筑及結構構造細節。如屋頂包括結構層、防水層、保溫層等基本的9個構造層次，墻體包括磚墻、保溫及抹灰等細部裝修處理，梁、柱、基礎等結構構件全部按照實際設計圖布置鋼筋。這樣，通過虛擬系統的學習，學生們不僅可以掌握《房屋建筑學》課程講授的建筑構造知識，也將《鋼筋混凝土結構》《基礎工程》《砌體結構》，甚至《高層建筑結構設計》以及《建筑結構抗震設計》等課程的相關知識點融入進來，實現了各門專業主干課程的整合，令學生們對建筑工程專業有一個整體的把握。

5 改革的效果及思考的問題

開發的虛擬教學系統作為傳統教學的輔助手段，一經使用就受到廣大師生的一致好評，大大激發了學生的學習興趣，教學效果顯著。但此虛擬教學系統的研發尚處于探索階段，仍有很多問題值得思考。

虛擬系統不必追求大而全，畢竟它要花費較大的人力物力投入，因此僅對現實世界無法完滿解決的問題采用虛擬手段才是上策。

目前研發的虛擬教學系統還僅停留在“展示”與“演示”的表面層次，更深層次的結構施工、結構設計、力學分析等功能仍未實現，擴展此部分的內容，有助于將專業知識進一步整合，并且有助于培養學生的設計、施工及科研能力。

虛擬系統的研發需要大量的人力投入，單靠專業教師的力量遠遠不夠，可以將大部分工作交由學生來完成，尤其是利用本科生的畢業設計環節進行開發。實踐證明效果良好，非常有助于學生能力，尤其是科研能力的培養，并且此方式也很有助于系統研發的可持續性。

6 結語

針對傳統土木工程教學存在的諸多問題，提出基于虛擬現實技術構建土木工程專業教學系統，這是一次土木工程專業教學改革的嘗試和探索。它彌補了傳統教學的弊端，整合了知識結構體系。這種“體驗式”學習模式，大大激發了學生的學習興趣，教學效果顯著。

［1］ 張鋒劍，劉志欽.土木工程結構實驗教學存在問題及改革探索［J］.山西建筑，2012，38(8):259-260.

［2］ 秦至謙，雷 林.土木工程專業實驗教學改革的探討［J］.山西建筑，2008，34(11):212-213.

［3］ 廖明軍，常力元.虛擬現實技術在土木工程中的應用［J］.北華大學學報，2006(12):567-569.

［4］ 嚴 鈞，劉永健.虛擬現實技術在土木建筑工程中的應用研究［J］.長沙交通學院學報，2003(3):58-62.

［5］ 王凱英，廖明軍.虛擬現實技術在土木工程教學中的應用探討［J］.中國現代教育裝備，2010(3):72-73.

［6］ 王 儀.結構仿真試驗在土木工程教學中的作用［J］.高等建筑教育，2007(4):126-128.

［7］ 汪德江，葉志明.結構工程虛擬實驗室的開發探索［J］.力學與實踐，2004(6):78-79.

［8］ 岳建偉，張大偉.虛擬現實技術提高建筑施工的教學［J］.科技咨詢，2007(10):239-240.

［9］ 嚴 鈞，李 洪.運用虛擬現實技術編制多媒體課件的研究與實踐［J］.高等建筑教育，2008(5):147-149.

［10］ 蘇曉華，初艷鯤.房屋建筑虛擬試驗系統的研究［J］.現代電子技術，2006(20):75-77.

［11］ 李 麗，謝丁龍.基于VR的建筑與城市虛擬實驗平臺設計研究［J］.電化教育研究，2012(6):79-82.

［12］ 王麗娟，胡青泥.機械加工虛擬實驗技術的研究［J］.東華大學學報，2011(8):462-466.