虛擬仿真下裝配式建筑教學改革與實踐

王 鵬，王 玫

（西南大學a.工程技術學院；b.經濟管理學院，重慶400715）

0 引 言

2017年3月，住建部印發了關于裝配式建筑實施的一系列措施，其中《“十三五”裝配式建筑行動方案》明確提出要制定培育裝配式建筑人才和產業隊伍的相關政策措施。同年4月，教育部公布了《新工科建設行動路線》，致力于探索工科發展新模式，實現從學科為導向向以市場產業需求為導向的轉變，加大學生選擇空間，增強師生互動，改革教學方法和考核方式，形成以學習者為中心的工程教育模式。同時還要推進信息技術和教育教學深度融合，充分利用虛擬仿真等技術來創新工程實踐的教學方式。在住建部和教育部的方針政策指導下，借助虛擬仿真技術，依托仿真實訓的“理虛實做”，結合翻轉課堂教學模式，對高等院校裝配式建筑教學進行改革，建立一套適應建筑產業需求的實踐教學體系，意在提高高校裝配化施工方向的專業建設，并設計滿足企業實際需求的人才培養模式。

1 裝配式建筑教學現狀

裝配式建筑是指預制構件在工地上裝配而成的建筑，其流程主要采用一體化、信息化協同設計、裝配化、專業化、精細化施工和信息化管理。與傳統建筑相比，裝配式建筑建造速度較快、節約勞力、受環境影響小、質量較高。在裝配式建筑施工過程中，部分傳統建筑工人被機械操作工人所代替，因而，施工的工作重點在于建筑構件的裝配。這一轉變要求裝配式建筑參與人員更加懂技術、懂操作。

目前，高等院校裝配式建筑教學仍然采用傳統的教學模式，首先通過多媒體教學來實現知識的傳遞，主要以理論結合圖片與視頻的形式向學生們介紹建筑構件的裝配和驗收［1］，接著在課后讓學生自己完成“內化吸收”。雖然這種方式在一定程度上能夠把理論與實踐結合起來，但教學效果差強人意［2］。

其主要原因在于，傳統的課堂教學中，師生之間缺少有效的交流，在課堂互動中，主要是以教師提出問題，學生參與討論的方式進行。由于在學習初期，學生對問題的認識有限，造成了在“互動”過程中學生的積極性不高，甚至回避討論的現象，因此，課堂教學不能有效地調動學生學習的主動性。而課后，由于缺乏教師的指導、支持和同學的交流、幫助，學生在“內化吸收”的過程中容易感到挫敗，從而喪失學習的動機和成就感，降低學習的積極性。另外，高等院校受場地、設備等客觀條件的限制，很難針對裝配式建筑的“組裝”過程進行“解剖”，缺乏系統的實踐操作。由于面向實際的工程訓練不足導致現今高等院校裝配式建筑教學理論教學充實而實踐操作不足，理論與實踐嚴重脫節［3］。

2 翻轉課堂在裝配式建筑教學應用中的意義

隨著教育教學改革的不斷推進，高等院校教育方式逐漸從以教師為中心向以學生為中心的模式轉變?！胺D課堂”被認為是一種可以讓學習化被動為主動的全新的學習方式［3-5］?！胺D課堂”重組了學習流程，調整了課堂內外的學習時間，重新分配了不同環節的學習內容，將學習的決定權從教師轉移給學生。與傳統的教學模式相比，翻轉課堂將“知識傳遞”放在了課前，學生在課前自主學習老師所準備的課程內容，這些課程內容包括教學視頻，網絡教程或是其他學習資料，同時，教師還可以提供在線學習輔導。其目的是讓學生在自主學習的過程中能夠更好地記憶和理解相關知識點，為接下來的課堂討論做準備。而“內化吸收”則通過課堂互動完成，如老師和學生一起完成作業，并針對相關問題進行討論。通過課堂上的練習、討論，可以增進學生之間的交流，讓學生參與到更多的學習活動中來，并運用他們所學到的知識來解決相關問題。在裝配式建筑教學中應用翻轉課堂的教學方法，不僅可以有效地調動學生學習的主動性，提高學生發現問題和解決問題的能力，還有利于提高教師本身的業務水平，具體表現在：

2.1 培養學生自主學習意識

在翻轉式教學模式中，學生可以根據教師提供的學習資料，在課外自由安排學習時間，選擇自己喜歡的學習方式，來完成教師布置的學習任務。在課堂上，學生針對自己在課外學習過程中所遇到的問題或是疑問與老師進行交流、討論，這種方式不僅可以增加學生探索問題的能力，還能激發學生的學習興趣。

2.2 幫助學生了解學習過程中自身存在的問題

裝配式建筑從構件制作到裝修驗收，其過程是一個復雜而系統的工程，裝配式建筑不僅涉及結構的裝配，還涉及其他相關專業的裝配和配合問題。由于學生在認識復雜工程中存在個體差異，傳統的教學模式不能有效地針對具有不同個體特征的學生來闡述問題。通過翻轉式教學模式，在學習過程中，學生可以結合自身的實際情況，把握自己的學習節奏，發現自身對裝配式建筑生產過程中某些環節認識的不足，通過課堂上師生互動，來解決自己的疑惑，從而有針對性地進行學習。教師也可以更有效地了解不同學生在學習過程中存在的問題，進而完善教學內容。

2.3 提高裝配式建筑專業教師的業務水平

在裝配式建筑翻轉課堂中，授課教師的角色由知識的灌輸者轉變為課堂的管理者，知識的傳遞由單一的教師到學生，變成了雙向的師生互動。這種轉變對教師提出了更高的要求，教師需要對裝配式建筑的各個環節非常熟悉，并具有更廣闊的視野引導學生對裝配式建筑的發展和新技術應用的探索，激發學生進行更高層次的思考。此外，要想成功地采用翻轉教學，教師必須要有較強的教學信念，努力引導學生理解學習內容的真正含義。而不是傳統課堂上的照本宣科，按照教材“有條不紊”地進行講解，禁錮學生的想象力和創造力。

3 虛擬現實技術在裝配式建筑教學中的應用

“裝配式建筑”是一門應用性極強的課程，它要求對學生開展大量的實踐操作和技能訓練。然而高等院校受場地、設備等客觀條件的限制，難以對學生開展實踐操作的訓練。為此，一些新興的教學技術融入教學場景當中，如虛擬現實（Virtual Reality，VR）、增強現實（Augmented Reality，AR）、建筑信息模型（Building Information Modelling，BIM）等。高新技術支撐的教學模式為學生提供了更多的實訓機會。近年來，VR技術已經廣泛地應用在建筑工程教育領域中，虛擬環境可以有效地提高建筑相關領域的教學質量［6-8］。與傳統的以圖片和視頻為主要形式的課堂教學法相比，VR的優勢在于它能夠讓學生在虛擬三維環境中進行交互，對客觀的事物進行直觀的感受。干學宏等［2］通過AR技術對裝配式建筑教學過程中結構關鍵的施工節點進行了“增強重現”，其研究表明，虛實結合的教學場景，可以使學生克服學習上的認知障礙，有助于學習效果的提升。曾在平等［9］將BIM技術融入裝配式混凝土結構課程中去，研究表明，BIM技術的結合可以有效地提高學生在裝配式建筑結構方向的相關技能。另外，BIM與VR技術應用在裝配式建筑教學當中，會使學生更清楚地認識施工現場各個環節的管控，以及對信息的管理。

根據Wang等［10］的研究表明，虛擬現實環境對于提高學生的參與性、互動性以及提高學生學習的積極性有著巨大的潛力。通過虛擬環境可幫助學生在細節上有效地識別裝配式建筑的相關信息，提高學生的空間理解能力與操作能力。另外，基于虛擬現實的教學方法設計，需要在虛擬環境中將教師為中心的教學方式轉變為以學生中心的學習方式［9］。

4 虛擬仿真實訓系統的翻轉課堂教學設計

根據陳怡等［11］相關研究，教育技術和教學活動是翻轉課堂教學過程中的關鍵因素，在教學過程中信息技術的支持是保障翻轉課堂順利開展的條件。由于信息化的迅速發展，虛擬現實技術為裝配式建筑在翻轉課堂中的教學提供了強有力的支撐。本文以西安三好軟件技術有限公司提供的裝配式建筑虛擬仿真系統為平臺，設計基于虛擬仿真實訓系統的裝配式建筑翻轉課堂教學模型，如圖1所示。

圖1 翻轉課堂教學設計

在課程開始前，教師介紹學習單元的教學大綱以及自我調節學習模式和翻轉課堂。學生在了解學習模式后，根據之前所學習的內容，來設定當前的學習目標，例如想要達到的學習效果、學習策略、測試的成績等。在設定了學習目標后，學生在課外通過裝配式建筑仿真系統進行學習，學生可以在系統中學習“真實”的裝配式建筑建造流程，可以從原料如何轉化為構件，構件如何進行裝配，構件之間如何實現連接和加固，最后如何進行裝修和驗收等4個方面進行實踐操作。虛擬仿真系統包括鋼結構、高層剪力墻結構、混凝土結構等多種結構的裝配式建筑工程案例樓，每個工程案例的VR漫游都能讓學生在游戲環境中對不同裝配式建筑形成過程得到近乎真實的體驗，如圖2所示。

圖2 裝配式建筑工程案例漫游示意圖

在VR漫游的過程中，學生根據教師制定的教學日歷來進行學習，由于虛擬仿真系統是對真實環境的模擬，所以在學習過程中，學生可以發現和探索由教師制定的與當前學習目標相關聯的實際問題，并進行思考。仿真實訓軟件按照構件實際生產流程，根據企業崗位需求，進行模塊化劃分，以虛擬仿真方式實現單模塊的獨立學習、訓練、考核和評價。軟件實訓的構件內容依據標準圖集典型構件進行設計。仿真系統分為教師端和學生端。教師端的主要功能是完成訓練、考核任務下達，結果評價和查閱。學生端分為控制端和虛擬端，主要功能是自主地或根據教師下達的訓練任務，通過控制端虛擬控制臺發送指令到虛擬仿真軟件的實時控制，以完成所有任務的操作。學生的學習日志、漫游軌跡以及成績將被系統記錄，教師通過這些記錄，在課堂上對錯誤率高的問題和任何有疑問的地方進行討論和講解。此外，在課堂教學活動中教師可以根據學生的漫游軌跡，針對學生所感興趣的內容來開展知識的延伸教學和互動學習活動。在完成課內和課外教學活動后，教師引導學生在系統中進行自我評價，數據庫會根據學生學習的表現提供一些診斷，同時學生也可以查閱教師的評價，以便進行自我調整，為接下來的學習單元做準備。

5 實現翻轉課堂的教學案例

以裝配化施工課程中裝配式施工概論課程單元為例，來說明以虛擬現實支撐的翻轉課堂的教學設計。

5.1 課前準備

首先，教師制定裝配式施工概論的教學計劃，布置學習任務和學習方式，以及課程的學習目的。本單元擬讓學生熟悉與了解現場裝配準備和吊裝施工流程。其次，學生根據教師制定的學習任務，制定適合自身的學習目標，并進行課程準備。

5.2 課前自主學習

學生按照教師制定的學習任務，通過虛擬仿真實訓系統進行自主學習。學習的內容包括，吊裝前施工準備、吊裝機具選擇、吊具選擇與應用、人員分工、墻板測量劃線、構件起吊操作、構件協作安裝等。學生在學習過程中，系統會對學生的漫游過程以及測驗的結果進行記錄。如學生在構件起吊操作環節中進行多次操作，說明此處是多數學生感興趣的知識點，或是部分學生在學習過程中的薄弱環節。同時教師通過測驗的結果找出學生在學習中不能迅速理解和掌握的有關內容，為課堂教學做準備。

5.3 課堂活動

通過虛擬仿真系統的學習，學生在對現場裝配準備和吊裝施工流程有了基本的認識，每個同學都有自己的學習結果和在學習過程中所遇到的問題。在課堂中，教師首先對學生在學習過程中所遇到的問題進行解答。再根據虛擬仿真系統的記錄，以學生感興趣的部分或是疑問較多的地方為話題，進行討論。如在構件起吊前都需要做哪些準備？人員是如何分工的？機具是如何選擇的？等一些啟發性的問題，根據學生對知識的掌握情況，提出具有延伸性的問題進行討論。

5.4 課后活動

在課堂教學活動后，教師引導學生對自己的學習過程和學習目標進行自我評價，教師綜合系統評價和學生的自我評價分析教學中的問題，為下一次課堂提供參考。

5.5 反饋與評價

在教學活動中，學生首先感受到有一種“力量”在推動學生的學習，并且必須認真對待學習，以此來完成虛擬仿真系統的測驗。課堂上不再是“置身事外”，而是成為了課堂的主人，時時刻刻準備提出問題和回答問題，大幅地提高了學生的課堂參與性和學習的積極性與主動性。同時，任課教師在課程的準備過程中感受到了一定的“壓力”，必須全面熟悉課程內容，來應對不同學生所提出的“未知”問題。另外，在虛擬仿真環境中學習，學生普遍的感受是自身完全沉浸在裝配式建筑周圍，可以短時間內獲取和體驗相關知識，對知識的記憶情況也有明顯提高。教師通過虛擬仿真系統掌握了學生在學習過程中的全部狀態，避免了傳統教學只看結果的考核問題。

6 結 語

基于虛擬現實的翻轉課堂，在裝配式建筑教學中是一種全新的教學理念，該方式結合了虛擬現實與翻轉課堂的優點，在整個教學過程中以學生為主體，讓學生在“真實”環境下，自主學習裝配式建筑的相關知識，并進行實踐操作。通過基于VR的翻轉課堂教學模式，可以提高學生在裝配式建筑中的學習主動性和積極性，提升其實踐操作的能力，增強在學習過程中發現問題、解決問題的能力，也有利于教師對自身業務水平及專業素質的提高。裝配式建筑VR翻轉課堂是土木工程專業實踐教學的一項重大改革，它將推進一套虛實相結合的以學生為中心的實踐教學體系建立，并最終實現建筑裝配式教學人才培養的完整周期。

對于推進實施虛擬現實下的翻轉課堂教學模式還有很多問題有待解決，如教師和學生對信息技術的駕馭能力、學生的學習習慣以及多年以來形成的傳統教學理念［12-16］，這需要進一步對該教學模式進行實踐、對比和分析，設計滿足企業實際需求的人才培養模式。