VR技術(shù)在土木工程教學(xué)中的應(yīng)用研究

王鵬 李志強(qiáng) 李彩紅 趙利芬

(黃河科技學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南 濟(jì)源 459000)

VR(虛擬現(xiàn)實(shí))一詞最早是在20世紀(jì)80年代由美國(guó)人拉尼爾提出的，但是在更早以前已經(jīng)有虛擬現(xiàn)實(shí)的雛形了。1956年Morton Heilig開發(fā)了一種多感知體驗(yàn)顯示系統(tǒng)[1]，也是人類歷史上第一款VR系統(tǒng)。從1970開始，北卡羅來(lái)納大學(xué)花了15年時(shí)間，開發(fā)出世界上第一款交互式建筑漫游系統(tǒng)，并不斷完善。一直到2010年，VR技術(shù)儲(chǔ)備基本完成，谷歌、三星、HTC紛紛推出自己的VR產(chǎn)品，并逐漸形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)。到2014年，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷完善和硬件成本的降低，我國(guó)國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)出一大批消費(fèi)級(jí)的VR眼鏡，只要嵌入手機(jī)就可以初步體驗(yàn)VR，這也使VR技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用成為可能。

在2017年舉辦的中美智慧教育大會(huì)上，將VR技術(shù)認(rèn)定為需要重要發(fā)展的12項(xiàng)教育技術(shù)之一。這項(xiàng)技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，標(biāo)志著教育技術(shù)的跨越式發(fā)展。它創(chuàng)設(shè)了一個(gè)以學(xué)生為中心的自主學(xué)習(xí)情境，充分發(fā)揮VR技術(shù)互動(dòng)、沉浸和想象的優(yōu)越性，將替代傳統(tǒng)“以教促學(xué)”的教學(xué)模式，形成學(xué)習(xí)者與信息環(huán)境相互作用獲取知識(shí)的新模式，因此在教育領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。新技術(shù)的產(chǎn)生帶動(dòng)了建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，鑒于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性，在教學(xué)過(guò)程中使用虛擬技術(shù)來(lái)模擬設(shè)計(jì)與施工過(guò)程顯得尤為必要，可以使學(xué)生能夠身臨其境感受設(shè)計(jì)的合理性，親身體驗(yàn)施工過(guò)程，理解構(gòu)件的內(nèi)部構(gòu)造和做法。

1996年，天津大學(xué)率先開發(fā)出虛擬校園，這是VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的初步應(yīng)用。同濟(jì)大學(xué)投入巨資建立了虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，嘗試相關(guān)先進(jìn)技術(shù)和應(yīng)用。2014年，里斯本大學(xué)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于橋梁施工過(guò)程中，通過(guò)開發(fā)的交互式應(yīng)用程序，將施工過(guò)程進(jìn)行可視化處理，并創(chuàng)建教學(xué)模型，為教學(xué)提供了新視角[2]。國(guó)內(nèi)的一些公司，如北京犀牛數(shù)字互動(dòng)科技、光輝城市等公司也開發(fā)了許多VR軟件，并與高校開展合作，推動(dòng)了VR軟件在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。VR和土建類課程的理論體系能夠?qū)崿F(xiàn)有效的結(jié)合，克服傳統(tǒng)學(xué)習(xí)中的局限和不足之處，因此進(jìn)行VR技術(shù)在土木工程課程中的應(yīng)用研究具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 VR在土木工程課程應(yīng)用的思路

VR技術(shù)在土木工程教學(xué)上的應(yīng)用，應(yīng)該結(jié)合國(guó)家人才的需要和行業(yè)崗位的要求，根據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)規(guī)律以及土木工程專業(yè)的培養(yǎng)方案，開發(fā)出成體系的VR教學(xué)資源、教學(xué)課程和虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，配合現(xiàn)有的硬件設(shè)備，形成“優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、虛實(shí)一體”教學(xué)格局[3]。

根據(jù)土木工程專業(yè)課程設(shè)置，VR技術(shù)可以分為以下幾個(gè)大類進(jìn)行應(yīng)用研究[4]：一是設(shè)計(jì)類課程，包括“工程制圖”“平法識(shí)圖”“房屋建筑學(xué)和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”等課程，主要利用VR技術(shù)的沉浸性，讓學(xué)生切身感受設(shè)計(jì)和布局的合理性。二是原理類課程，主要是針對(duì)“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”“混凝土設(shè)計(jì)原理”等課程，將構(gòu)件內(nèi)部受力情況進(jìn)行可視化處理。三是操作性課程，主要是針對(duì)土木工程施工、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)類課程，虛擬出整個(gè)過(guò)程，讓學(xué)生不去現(xiàn)場(chǎng)就能體驗(yàn)并完成操作。

2 VR技術(shù)在土木工程課程中的具體應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)類課程

(1)教學(xué)內(nèi)容的可視化。如在講授“房屋建筑學(xué)”時(shí)，學(xué)生沉浸到VR環(huán)境中，讓學(xué)生看得到、聽得見，可以實(shí)時(shí)欣賞建筑之美。這種虛擬情景的可視化教學(xué)無(wú)疑是對(duì)傳統(tǒng)課件教學(xué)的沖擊與挑戰(zhàn)。教師可結(jié)合虛擬建筑講授結(jié)構(gòu)和構(gòu)件相關(guān)知識(shí)，讓學(xué)生切身體會(huì)到構(gòu)件的細(xì)部做法和規(guī)范要求。

(2)虛擬建筑的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)房建課程設(shè)計(jì)，學(xué)生們繪制的平面圖、立面圖、剖面圖不夠直觀，真實(shí)感不強(qiáng)，而借助VR設(shè)備，可隨時(shí)生成虛擬建筑，學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中就可以親自體驗(yàn)自己設(shè)計(jì)的建筑是否滿足要求，感受空間布局是否合理，門窗設(shè)計(jì)是否符合人們?nèi)粘Ｐ枨蟆Ｒ部梢詫⑻摂M建筑和真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行疊加，檢驗(yàn)其在真實(shí)環(huán)境中的效果。

(3)設(shè)計(jì)方案的展示與評(píng)價(jià)。在設(shè)計(jì)成果的展示階段，學(xué)生可以生成漫游視頻，選取合適的角度生成效果圖來(lái)展示設(shè)計(jì)方案；也可以借助VR設(shè)備，讓學(xué)生借助手機(jī)掃描二維碼觀看三維立體效果和動(dòng)畫，甚至直接進(jìn)入虛擬建筑中去體驗(yàn)建筑方案的設(shè)計(jì)與布局，更加直觀地了解方案設(shè)計(jì)。

2.2 原理類課程

(1)教學(xué)試驗(yàn)虛擬再現(xiàn)。混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理有些重要的試驗(yàn)要做，比如適筋梁受彎試驗(yàn)。展示試驗(yàn)時(shí)，學(xué)生離得遠(yuǎn)了看不清楚，離得近了又擔(dān)心混凝土崩解傷到學(xué)生，可謂兩難。使用VR技術(shù)，在虛擬環(huán)境中模擬試驗(yàn)，可以使學(xué)生清楚看到適筋梁破壞過(guò)程、裂縫發(fā)展過(guò)程和鋼筋變形特點(diǎn)，學(xué)生既能收獲大量知識(shí)，又不用擔(dān)心安全問(wèn)題。

(2)受力狀態(tài)的可視化。理論課里面最難理解的就是構(gòu)件的受力特性，許多學(xué)生學(xué)完課程之后能夠死板地根據(jù)要求配筋，但是對(duì)于構(gòu)件各處的受力到底是怎樣的、為什么要這樣配筋就不清楚了。結(jié)合VR和Anasys等有限元軟件，實(shí)時(shí)展示構(gòu)件在不同力的作用下各部分應(yīng)力云圖、應(yīng)變發(fā)展過(guò)程，利用虛擬現(xiàn)實(shí)為學(xué)生提供交互式的可視化環(huán)境，讓學(xué)生知其然，也知其所以然。

2.3 土木工程施工類課程

傳統(tǒng)的土木工程施工教學(xué)是分階段進(jìn)行的，學(xué)生先學(xué)習(xí)基本理論知識(shí)，然后進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，最后讓學(xué)生去工地實(shí)習(xí)。然而理論課單調(diào)乏味，課程設(shè)計(jì)學(xué)生只會(huì)機(jī)械地模仿，去工地實(shí)習(xí)往往因?yàn)榉N種原因被取消[5]。

此類課程可以結(jié)合VR技術(shù)，通過(guò)交互式操作，完成施工現(xiàn)場(chǎng)的沉浸式體驗(yàn)，進(jìn)行施工進(jìn)度、施工關(guān)鍵技術(shù)的模擬，以及施工現(xiàn)場(chǎng)和工程內(nèi)部的漫游。比如睿格致公司開發(fā)的建筑工程崗位綜合仿真演練系統(tǒng)，學(xué)生就像玩游戲一樣，進(jìn)行建筑八大員的角色扮演，不同的身份接受不同的任務(wù)，學(xué)生沉浸于系統(tǒng)內(nèi)，可以完成基礎(chǔ)與梁板柱的施工技術(shù)學(xué)習(xí)、圖紙識(shí)讀、構(gòu)造認(rèn)知，也可以模擬施工過(guò)程，完成相關(guān)建筑安全知識(shí)、測(cè)量、計(jì)量計(jì)價(jià)和監(jiān)理的相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。

2.4 實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)類課程

土木工程作為實(shí)踐性極強(qiáng)的專業(yè)，免不了要進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)。由于課時(shí)不足，學(xué)生人數(shù)多，還要考慮學(xué)生的安全，許多企業(yè)也不愿意接受學(xué)生去工地實(shí)習(xí)，因而實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)課時(shí)總被壓縮。加上實(shí)驗(yàn)環(huán)境較為惡劣、耗時(shí)耗力，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)積極性不高。結(jié)合VR技術(shù)，學(xué)生能在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)較為“真實(shí)”地完成實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)從理論向工程實(shí)踐中過(guò)渡，解決了難以長(zhǎng)期全面系統(tǒng)展開實(shí)踐教學(xué)的問(wèn)題[6]。

可以參考繪圖機(jī)房，配置VR硬件，成立專門的VR教室，學(xué)生在教室中完成實(shí)訓(xùn)和試驗(yàn)。以平法識(shí)圖實(shí)訓(xùn)為例，學(xué)生可以根據(jù)任務(wù)書，先完成鋼筋長(zhǎng)度的計(jì)算，然后在VR教室里結(jié)合3Dmax軟件實(shí)時(shí)建模，綁扎鋼筋籠，可以在虛擬空間全方位地觀察鋼筋籠是否符合平法圖集的構(gòu)造要求。

3 VR教學(xué)資源開發(fā)

3.1 VR開發(fā)軟件的培訓(xùn)

教師應(yīng)具備一定的VR課程開發(fā)能力，需對(duì)教師進(jìn)行相關(guān)VR開發(fā)軟件的培訓(xùn)。目前主流的開發(fā)軟件是Unity3D，其功能能與土木工程專業(yè)緊密結(jié)合起來(lái)，根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建各類建筑結(jié)構(gòu)與構(gòu)件。Unity3D插件豐富，但是學(xué)習(xí)難度較大。除此之外，還可以使用Krpano。該軟件能夠快速入門、降低學(xué)習(xí)難度以及對(duì)VR硬件的依賴，但是功能相對(duì)較少。高校教師可以與企業(yè)積極對(duì)接協(xié)同育人項(xiàng)目，企業(yè)可以推廣全新的VR產(chǎn)品，擴(kuò)大影響力，教師也能完成相關(guān)培訓(xùn)，提高教學(xué)水平。

3.2 教學(xué)內(nèi)容的改革

VR技術(shù)的推廣，需要對(duì)本專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行全面改革。改革內(nèi)容包括專業(yè)培養(yǎng)方案、教學(xué)大綱、理論與實(shí)踐教學(xué)資源的改革、共享學(xué)習(xí)資源庫(kù)等。由于VR技術(shù)的特點(diǎn)，需要從整體上修訂人才培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱，在教學(xué)過(guò)程中，需要結(jié)合VR技術(shù)設(shè)計(jì)全新的教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)建新的虛擬仿真系統(tǒng)和平臺(tái)，打造專門的VR實(shí)訓(xùn)室。單純依靠個(gè)別高校進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的改革難度較大，因此可以與專門的公司和高校合作，同時(shí)打造資源共享平臺(tái)，共享VR教育素材。比如摩爾空間公司，有專門智能VR課件編輯器和課件商城，降低了VR課程的開發(fā)難度，并實(shí)現(xiàn)了教育資源共享。

4 結(jié)語(yǔ)

VR技術(shù)與土木工程專業(yè)的結(jié)合是現(xiàn)代化教學(xué)的需求，是計(jì)算機(jī)技術(shù)和專業(yè)教育深度融合的產(chǎn)物，取得了良好的教學(xué)效果。對(duì)學(xué)生而言，降低了學(xué)習(xí)難度，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)趣味性，提高了創(chuàng)新實(shí)踐能力，學(xué)生在VR相關(guān)比賽中明顯能夠收獲更多的知識(shí)，VR虛擬教學(xué)可以幫助學(xué)生完成從理論到實(shí)踐的良好過(guò)渡。對(duì)于教師而言，應(yīng)該根據(jù)行業(yè)需求，積極與企業(yè)對(duì)接合作，接受新技術(shù)的培訓(xùn)與應(yīng)用。企業(yè)也應(yīng)積極對(duì)接學(xué)校，開發(fā)適合教學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這樣才能將VR技術(shù)在土木工程教學(xué)中快速普及使用。