虛擬現實技術在土木工程專業實習中的應用探索研究

劉娟　白雪衛

[摘 要]針對土木工程實習教學存在的問題，以土木程專業理論教學為切入點，初步嘗試采用虛擬現實技術與實體建筑模型相結合的形式，構建建筑工程虛擬實訓系統，以補充校外實習中的遺漏環節，輔助實踐教學，保證施工過程的完整性。

[關鍵詞]土木工徎；生產實習；虛擬現實；教學改革

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）06-0027-02

一、土木工程傳統生產實習存在的問題

土木工程生產實習教學階段是本科階段最為關鍵的環節之一，生產實習的質量對本專業人才培養質量有直接的影響。土木工程專業生產實習一般安排在第七學期，此時學生已經結束了基本理論與專業課程的學習，掌握了一定的理論基礎。此時進入施工現場實習，能及時將所學理論與實踐較好地結合。但是本專業的實習在實踐過程中也存在著一些很難解決的問題。

（一）學生聯系實習單位困難

近幾年新建工程項目少，學生即使聯系到了施工單位，施工單位由于擔心學生出現安全事故及為配合實習而延誤工程進度等原因，實習過程只是讓學生到現場“看看”，這樣就算完成了實習任務。

（二）實習經費不足

學校針對學生實習只有專項經費，如果附近沒有適合實習的施工場地，學生要去外地實習會涉及昂貴的雇車費用，在這種情況下，學生實習地點的選擇就受到很大的限制。

（三）實習內容不全面

由于建筑施工的工期較長，工程狀況受季節及進度的影響，加上每個時間段所對應的工程不同，所以在九月份實習的學生，往往只能看到某一工程正在進行的環節，如外墻保溫或內部裝飾，而對于澆筑梁柱等階段卻看不到。此時的實習學生看不到整個工程的施工過程，不能了解和掌握整個項目的全部工序，學生的生產實習缺乏完整性，也達不到實習教學大綱規定的要求。

針對上述存在的問題，一方面，培養單位首先要重視生產實習教學環節在培養本科生實踐能力與創新精神方面的重要作用，建立穩定的校外實習基地。另一方面，應借助先進的計算機技術，構建虛擬現實的實習系統，彌補校外實習環節的不足，打破傳統實習的局限，開拓學生的視野，激發學生學習的興趣，增加實踐教學的多樣性、綜合性和開放性。

二、虛擬現實技術及其在土木工程實習中的應用

虛擬現實（Virtual Reality， VR）是一種將多媒體、計算機圖形、網絡、人機交互仿真機立體顯示等多種技術結合的新型技術，簡稱為VR技術。利用VR技術創建虛擬的現實場景，可以使用戶有身臨其境的感覺。

（一）虛擬現實技術的研究現狀

許多高校的實驗室都開展了這方面的研究工作，并取得了很多研究成果。例如北京航空航天大學建立了虛擬現實技術國家教育部重點實驗室，華中科技大學建立了互動型數字邏輯虛擬實驗教學平臺，其他院校也對虛擬現實的真實感和立體現實技術進行了廣泛的研究。雖然VR技術在國內教育領域的應用已經非常廣泛，但在土木工程實驗實踐方面的案例較少，到目前為止，還未見成熟的土木工程虛擬實踐教學系統。

（二）虛擬現實技術在土木工程專業教學中的應用

在教學中應用虛擬現實技術能將教學內容更生動具體地表達出來，能提高學生掌握知識、技能的效率。如由于時間及實習場地的限制，許多施工環節學生都看不到，而利用虛擬現實系統，能將土木工程各種施工的詳細環節較為生動地展示給學生。結合具體的三維制圖軟件，學生可以在虛擬的環境中模擬各個施工環節，足不出戶便可以達到實踐的目的。在保證教學效果的前提下，這極大地節省了成本。另外，學生在虛擬實驗環境中，可以放心地去做多種實習內容的嘗試，在獲得實際操作經驗的同時還可以避免受到傷害。總之，虛擬現實技術為學生提供了“自主學習”的環境，改變了傳統的“以教促學”的學習方式，取而代之的是學生通過自身與信息環境的相互作用來得到知識、技能的這種新型學習方式。

三、改革的內容

針對土木工程實習教學中存在的問題，我們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與實體建筑模型相結合的形式，構建建筑工程虛擬實訓系統，以補充校外實習中的遺漏環節，輔助實踐教學。

（一）課程體系改革

制定出符合培養要求、特色鮮明的課程體系，在課程體系中加強三維CAD建模、增加計算機仿真軟件及有限元分析等課程；以培養學生建筑施工能力為主線，以夯實基本理論知識為基礎，以強化土木施工能力為核心，對理論和實踐教學內容進行優化和整合，形成具有“專業特色”的教學體系。

對課程資源進行適當調整，加大虛擬仿真課程體系建設的力度，爭取實現將虛擬仿真技術用于整套生產實習的全過程，實現專業培養與社會需求相吻合。如在計算機繪圖課程中增加三維制圖模塊，開設有限元分析及虛擬仿真課程并設置上機實訓學時；在專業課程中加大與土木工程施工相關的課程學時，改革課程設計形式，改變以往以設計計算書提交成果的形式，為學生提供建造實體模型的場所，以小組的形式完成實體模型建造；同時用最新的科學成果、最新的技術成就充實教學內容，形成注重能力培養的實踐教學體系。

（二）教學方法改革

著力推動基于問題、基于具體施工項目、基于案例等研究性教學和學習方法的改革，加強虛擬環境及仿真模型的開發，強化學生綜合運用所學知識進行獨立分析和解決問題的能力。

對專業課教學，采用基本理論和案例教學相結合的教學方法，一門課程由幾位教師主講，每一位教師結合相應的案例講授自己熟悉的部分，案例可以到施工現場分不同施工進度進行錄制或建立虛擬施工場所。這種改變了由一名任課教師從頭講到尾的教學方法，充分發揮了每名教師的教學特點。

完善和系列化教學課件，加強網絡課程平臺建設，積極開展網上教學。利用虛擬現實技術與建造實體模型相結合的實踐教學模式，在虛擬的環境中，建立實習周圍場景、結構構件、材料品種等的三維CAD模型，建立動態的模型系統，并對動態立體模型進行虛擬裝配，依據裝配結果在人機交互的可視化環境中對施工方案進行補充、修改。同時建立實體模型，利用虛擬技術提供的方案與實際模型相結合的形式完成施工的全過程，并運用虛擬現實技術協助有限元進行結構受力分析。更重要的是，它能借助圖形來進行實時動態監控和獲取施工數據，同時能實時動態演示和控制設計和施工的過程。

開放專業實驗室，探索開放性實驗的教學模式。可以讓學生充分利用土木工程實驗及材料性能測試實驗設備資源進行實踐活動，讓學生探索、研究自己感興趣的課題。通過開放性的實驗教學，充分發揮學生的主觀能動性，增強學生分析問題、解決問題的能力。

此外，還可以鼓勵學生參與各種建模及結構設計大賽，增強學生的立體感。

（三）校企合作的人才培養機制

應拓寬生產實習渠道，注重實習內容與實習教學大綱的吻合，讓學生從整體上了解和把握整個在建項目的全過程和全部工序，使實習環節更具完整性。

在選擇校外實習基地時，要注重實習內容與實習教學大綱的吻合，選擇多個不同施工進度的實習基地，盡量讓學生了解和觀察到整個工程的施工過程，使學生通過在不同施工單位的實習，逐漸了解土木工程施工各個時期的類型和特點，充分發揮校外實習基地在培養學生工程觀方面的作用。

四、改革的效果及思考的問題

目前，我校虛擬實習系統還在逐步建設與完善中。首先，在專業教學中，我們已逐步做到增加豐富的教學案例，并邀請經驗豐富的工程師講解實踐性較強的章節。其次，專業實驗室已完全開放，實驗教師按坐班制度在實驗室工作，學生可以隨時做自己感興趣的試驗。最后，實習錄像已按施工各個階段錄制完成，下一步將結合計算機建立實習虛擬現實系統，實現人機交互界面，切實解決學生實習難的問題。

五、結語

針對傳統土木工程專業生產實習中存在的問題，筆者提出將虛擬現實技術用于生產實習中。這是對土木工程生產實習改革的嘗試與探索，它解決了在實習過程中遇到的部分難題，增加了實踐教學的多樣性，激發了學生學習的積極性，取得了較好的教學效果。

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[責任編輯：陳 明]