虛擬現實技術在《橋梁上部結構施工》教學中的應用研究

蔣夢雅，白洋，王彬彬

（1.江蘇建筑職業技術學院，江蘇徐州 221000；2.徐州市城市軌道交通有限責任公司，江蘇徐州 221000）

目前高職教育正處于蓬勃發展中。為了提高高職教育的教學水平，把學生培養成高素質技能人才，教育工作者通過多樣化的教學方法與手段，不斷進行改革創新。肖建平[1]把高職項目化課程的基本目標描述為“培養學生在復雜的工作情境中做出判斷并采取行動的職業能力，開發學生的技術思維”；學生先進的知識儲備在課程的教學項目中得到了實質性的應用與強化。

1 傳統教學存在問題

目前教學方法多樣化，在某種程度上提升了教學效果。然而仍然存在以下問題：課內外實訓設備費用高昂，校方難以及時更新；課程講授局限性較大，教學方式較為枯燥，無法從根本上引起學生注意力，激發學生學習興趣[2]。

故僅僅采用傳統教學方法與手段是不夠的。對于某些實踐性較強的課程，在其教學過程中，注重學生對施工工藝與施工環境的理解，需要提供一種和現場類似的施工情境，便于學生學習與實訓。

2 虛擬現實技術的發展現狀

虛擬現實技術是一種先進的信息化教學手段。隨著科技發展，該技術正不斷融入課程的教學中。它是以計算機技術為核心框架，通過可視化交互系統處理各種數據，構建出一個虛擬的空間供學習者進行體驗各種情境的一種技術，在虛擬的環境中學生可以進行愉悅的自主學習[3]。

虛擬現實技術獲取的信息量比單一地聽老師講課強得多，知識的保持也大大優于傳統教學效果[4]；該技術可提供更逼真的“沉浸式”虛擬學習環境與虛擬的技能實訓操作，有利于學生增強學習興趣，激發學習動機，提高教學質量[5]。

3 《橋梁上部結構施工》教學分析

《橋梁上部結構施工》是道路橋梁工程技術專業的核心課程。該專業所培養的學生以道路、橋梁工程施工企業一線施工員為主要就業崗位，橋梁施工工藝復雜，工序多，施工精度要求高。

在“T梁架設與體系轉換”這個教學單元中，學習難度較大。學生從未接觸過公路或鐵路橋梁架橋機，僅通過觀看圖片等傳統方法難以理解和掌握抽象的施工工藝。

T梁橋架設無法在課堂實施，利用校企合作開發的“橋梁施工虛擬仿真實訓平臺”和“架橋機VR模擬系統”對架橋過程進行模擬，學生在模擬架橋過程中掌握課程重難點，磨煉學生自身技能。

4 虛擬現實技術在《橋梁上部結構施工》教學實踐

4.1 教學策略

基于T梁架設施工特點，對接橋梁施工員崗位要求，利用課程教學平臺、微課、施工視頻輔助學生課前預習，依托虛擬仿真實訓平臺、VR模擬操作系統，采用混合式教學，通過任務驅動，將真實、具體的施工過程向教學環節的情景化、模塊化轉變，從而突出教學重點，突破教學難點。

4.2 應用虛擬現實技術的教學資源

4.2.1 橋梁結構施工虛擬仿真實訓平臺

該平臺由學校與橋梁施工一線企業聯合開發，可用于模擬實施梁體架設等關鍵過程。其平臺軟件如圖1所示，提供模擬架橋機施工虛擬仿真過程，并支持局部放大功能。同時可通過平臺推演架橋施工全過程，實現對架橋機結構的認知，強化對簡支梁橋架設工藝的理解和掌握程度。

圖1 橋梁結構施工虛擬仿真平臺

4.2.2 架橋機VR模擬系統

VR模擬操控臺如圖2所示，以VR虛擬視角并模擬真實施工環境，利用虛實結合技術讓學生通過模擬架橋機操作，完成梁體的架設，生動直觀，可發現架橋實施中的問題，并提高學生的學習興趣。

圖2 VR模擬操控臺

4.3 教學實施

分為五個環節，依次是“認識結構、展示工藝，編制方案，模擬實施、評價優劣”。

4.3.1 認識結構

課上利用架橋機VR遨游系統對架橋機進行遨游，該系統可以全角度地對架橋機進行查看，并可對架橋機重要結構進行細部觀察來進一步加強認識；通過小組匯報和VR遨游來解決教學重點。

4.3.2 展示工藝

在掌握架橋機結構組成后，教師通過三維動畫講解架橋機的整個施工工藝流程，隨后，學生利用校企合作共同開發的“橋梁施工虛擬仿真實訓平臺”在移動端進行練習，從而進一步掌握架橋施工工藝。本環節利用三維模擬動畫和“仿真實訓平臺”來解決教學重點。

4.3.3 編制方案

教師組織學生編制該真實工程的橋梁架設專項施工方案，小組根據教師的提示完成方案并匯報；教師錄制整個匯報過程并將錄像與小組編制的專項方案上傳至在線開放課程平臺，小組互評、企業教師他評。本環節通過組織學生編制真實項目施工方案，并進行自評、他評、互評來突破教學難點。

4.3.4 模擬實施

小組在完成架橋施工專項方案的基礎上，利用架橋機VR模擬系統，虛實結合，將所編制的架橋機施工專項方案模擬實施；小組隨機選派一位同學根據編制方案進行模擬架橋，老師與其余同學通過監控屏實時監控架橋過程。該環節，將VR模擬虛實結合技術最大限度地還原架橋全過程，將施工方案模擬實施從而突破教學難點。

4.3.5 評價優劣

通過在線開放課程平臺記錄學生階段性、過程性成果，并依據學生課前預習情況，分組匯報，教師評價，小組互評、操作實施等環節的成績，賦予權值，加權得到本次課程單元學生最終成績。

4.4 教學效果評價與總結

（1）每個教學環節都融入了虛擬現實技術。同時結合其他信息化手段，將抽象的架橋施工過程形象化，生動化，學生通過完成課前、課中、課后任務，學做合一，潛移默化地將知識升華為自身技能。

（2）通過虛實結合技術，校企合作研發“橋梁結構施工虛擬仿真實訓平臺”和架橋機VR模擬系統，學生通過VR模擬系統可以推演、模擬橋梁架橋施工方案，強調 “編制方案—模擬實施—發現問題—調整方案—成功實施”這一完整學習路徑，令學生深刻認識到施工過程的嚴謹性；

（3）雖然教學效果有了較大的提高，但是也存在投入經費較大、學生自主學習空間過大，課堂管理難度加大、對專業教師的要求更高等問題。后續的教學實施過程的，應當注重以上問題，不斷進行優化。

5 結語

高職院校教學中應用虛擬現實技術雖然處于起步階段，但是優勢凸顯，提供了“沉浸式”虛擬學習環境、虛擬的技能操作，較大的激發了學生學習興趣。同時，虛擬現實技術的特點也決定了其存在一定改進的空間，因此需要將傳統教學方式與之相結合，協同發展，不斷完善教學方式與手段，使得虛擬現實技術有機地融入信息化教學中去。