樁基礎虛擬施工實訓教學模式探討

殷 勇 （鹽城工學院 土木工程學院，江蘇 鹽城 224051）

實踐教學是工科專業課程教學環節的重要組成部分，對提升理論課堂教學效果有顯著的促進作用。基礎工程施工是土建類專業課程中一個實踐性和應用性很強的知識點，如何有效開展相應實訓環節是促進學生掌握課程知識的關鍵，也是相應課程教學改革的重點。目前，有很多教育工作者圍繞基礎工程施工探討了相應的實踐教學問題，孫靜分析了基礎工程實踐教學及理論與實踐教學一體化的問題，提出了現場實踐教學與虛擬仿真實踐教學相配合的“虛實結合”教學模式[1]。何玉榮分析了基礎工程課程實訓的內容，提出了建立實踐教學基地，形成校企合作的實踐教學方式[2]。楊永生對基礎工程施工實踐教學模式與教學方法進行了研究，認為在工學交替與任務驅動模式下，采用“教學做”合一與“情景”教學法可以有效提高學生的自主學習與獨立工作能力[3]。現有的研究成果均表明了實踐環節與基礎工程施工理論課的相互促進作用，多數強調了如何較好地組織與實施現場實踐教學，但隨著虛擬仿真實訓技術的發展，圍繞基礎工程虛擬施工方面的實踐教學研究還不充分。本文探討了虛擬施工實訓技術的特點，從BIM-FILM施工動畫制作入手，分析了樁基工程虛擬施工實訓模塊的實際方法，提出了相應的實踐教學模式。

1 虛擬施工實訓技術的特點

近年來，隨著計算機技術的發展，虛擬仿真實訓技術成為國內眾多高校、企業爭相建設的熱點內容。雖然在虛擬施工實訓模塊的開發過程中，有時存在著三維施工動畫制作較難，投入較大的問題，但產品一旦成型后，利用三維仿真技術可以形象直觀展示各種工藝流程、施工要點，避免了傳統圖像、圖紙、簡單動畫等單調且枯燥的二維展示方式，具有較明顯的應用優勢及前景[4]。

1.1 對建筑企業的影響

①為員工培訓提供便捷途徑。虛擬施工實訓技術可以根據行業相關規范程序化、有步驟地再現實際工藝步驟。企業新員工可以在不消耗建筑材料、確保安全的條件下積累施工經驗，對整個工程的實施過程做到心中有數，了解自身的崗位責任，獲得較好的培訓效果。

②提升企業形象。虛擬施工技術通過3D或4D動畫提供生動逼真的施工案例介紹，利用企業網站可以展示自身技術水平，拓展企業文化，不僅能夠促進項目的合作，而且更有助于企業形象和品牌價值的提升。

③提高企業競爭力。將虛擬施工技術及時應用在投標現場，可以在短時間內，讓招標方清晰了解項目的實施過程及關鍵程序，通過立體化的信息展示項目實施效果，能夠迅速獲得合作方的認同，提高項目中標幾率[5]。

2 對高校實踐教學的影響

2.1 學生角度

一方面，實踐教學過程中，利用虛擬施工實訓技術可以讓學生以游戲化的角色參與學習過程，提高了其學習興趣，能輕松完成相關知識點學習；另一方面，可以借助一些簡單的施工動畫制作技術，讓學生參與到虛擬實訓模塊的建設中，不僅有利于提高學生的實踐動手能力，而且可以在完成虛擬施工作品的同時，深刻體會其中的工藝流程、要點，達到以做代學的目的。

2.2 教師角度

采用虛擬施工實訓教學模式有利于發揮線上教學的優點，避免了現場實習受制于天氣、場地、人數、安全、費用等因素的制約，教師能把更多的時間投入到虛擬施工模塊開發與教學內容的設計中，通過教學模式的優化取得最優的實踐教學效果。因此，虛擬仿真實踐教學也是當前很多工科專業課程實踐教學改革的重點，在今后相當一段時間內還會引起眾多教師的關注和探討。

3 樁基虛擬施工實訓模塊開發

樁基礎屬于非常常見的一類基礎形式，在各類土建工程中應用廣泛，針對樁基開展虛擬施工實訓教學是土建類專業實訓教學的一項重要內容。樁基實訓教學模塊的開發是建立虛擬實訓教學模式的基礎，而虛擬實訓模塊的核心內容則是3D施工動畫的建立。一個流暢且形象化的樁基三維施工動畫，可以較好地展示施工流程及工藝要點，結合交互式操作便能實現在線實訓的效果。

3.1 樁基虛擬施工3D動畫實現

3D交互式施工動畫可以借助BIM-FILM虛擬施工系統簡便實現，不同于常規動畫制作系統難掌握、成果慢的特點，該系統應用BIM+仿真與互聯網技術，能夠配合專用素材庫與BIM模型無縫接合，通過自主設計施工動畫，滿足了快速制作個性化3D施工實訓模塊的需要。

在樁基施工動畫制作過程中，將施工規范流程進行文字編輯并轉換為實時語音播報，還可以針對施工要點進行詳細說明，增加動畫展示的信息量，達到視覺與聽覺統一的效果。

3.2 實訓模塊的建立

在虛擬施工動畫成品基礎上構建樁基虛擬施工仿真實訓模塊，如圖1所示。鉆孔灌注樁施工的主要工藝流程，以列表形式在左側逐條展示，并隨著施工進程的完成情況實施更新。實訓過程中，系統會提示每一步驟應該完成的工作任務，對施工流程中涉及的一些主要施工機械、施工材料、工種選擇等內容，模塊下方任務欄會提供交互式作業界面作為實訓互動環節。

該實訓模塊置于云端，可隨時隨地在線使用，無需特別更新計算機設備。學生在使用過程中能交互式實現樁基施工前相關參數與主要步驟的輸入、施工中樁基設備安放和組裝，施工過程的動態演示及施工狀態的實時輸出，施工步驟的分析處理與評價。通過樁基虛擬實訓模塊，能夠達到與線下實習相同的學習體驗，對每一施工步驟、施工要點有直觀認識，并且交互式操作也使學生的參與度更高，有利于提升實訓效果。

圖1 鉆孔灌注樁虛擬施工3D互動實訓

4 樁基虛擬施工實訓教學模式

4.1 實訓教學模式構建

結合互聯網技術與樁基虛擬施工實訓模塊，可以構建一種以學生為中心的多元化、全過程的樁基虛擬施工實訓教學模式，具體思路詳見圖2。從教師教學來講，整個實訓流程圍繞實訓模塊開展，包括前期實訓模塊開發、實訓模塊應用、后期實訓模塊完善三部分，其中前期實訓模塊功能開發既可以由教師設計完成，也可以由學生參與完成，學生通過自主設計實訓模塊本身即可將理論知識與實訓技能結合，實現以做代學的目的。對于學生而言，該實訓教學模式以樁基施工任務為主線，從提出問題出發，到施工方案的提出，施工方案的實施，直至最終的實訓效果分析、評價，全流程、多渠道的學習方式可以完全覆蓋實訓各環節，達到較好的教學效果。

圖2 樁基虛擬施工全過程實訓教學模式

4.2 實訓教學模式實施

樁基虛擬施工實訓教學模式基于云端數據庫資源運行，實訓前，教師首先需要在備課環節提前設置，并逐步完善樁基施工相關的數據庫資源，包括常見樁基礎施工相關的規范、操作流程學習視頻、施工設備介紹、互聯網相關學習資源等。學生在虛擬施工實訓前應通過該數據庫資源，熟悉樁基施工流程與技術要求，對實訓環節有一個準確的認識和整體把握，再根據現場條件選擇適合的樁基類型，確定施工方案。

實訓中的施工過程包括樁基施工場地準備、設備選擇、布置與組裝、實時交互操作等幾個環節，能讓學生切實體會到實際樁基施工操作的全流程及核心步驟，提高學習興趣；實訓后，通過后臺操作規范數據的匹配，系統平臺可以給出“通過”與“不通過”的評價，學生可以回看生成的實訓報告，檢查自己的實訓過程，針對性地圍繞失誤操作進行討論及學習；指導教師也可利用該環節判斷學生實訓情況，分別進行客觀評價與指導，解決樁基現場施工實訓時學生多、教師少而無法準確評估每個學生掌握程度的問題。同時，這一環節中生成的實訓報告也可以讓樁基實訓課程的過程留痕、成果留痕，形成真實的學習檔案。

此外，該實訓模塊的成果還可以利用互聯網技術將實訓的過程進行分享，得到共享授權的師生，隨時可以通過系統平臺訪問共享的實訓課程信息，利用互聯網的開放、實時、互動特點，學生可以方便地在業余時間進行傳播學習與溝通，拓展了學習的物理空間，增強了師生間、學生間的互動，提高樁基虛擬施工模塊的使用效率。

4.3 實訓教學模式反饋與完善

根據樁基實訓模塊的實施過程，分析評價樁基虛擬施工實訓模塊的運行情況，改進使用過程中出現的問題，不斷優化實訓教學模式，提高虛擬仿真實訓效果。

此外，在樁基虛擬施工項目的選擇上，初期可以建設部分常見樁基礎的實訓模塊，如鉆孔灌注樁、預制樁等，后期可以根據模塊運行情況，進一步拓展完善人工挖孔樁、沉管灌注樁、夯擴灌注樁等其他樁型的虛擬施工實訓，提高實訓模塊的應用范圍。

5 結語

樁基工程是一門實踐性與理論性均較強的專業課程，常規的課堂教學偏重理論知識的講授，而當前樁基工程的現場實踐環節，多數面臨著工程場地安全、實踐案例不全、無法使大批量學生全過程的跟蹤學習等問題。因此，在一般土建類高校的實踐教學中幾乎無法開設或實踐效果不理想。利用樁基虛擬施工仿真實訓模塊，可以讓學生全員參與、全天候且全過程跟蹤學習，通過實訓模式的構建與優化，能有效提升學生的專業技能和課程的教學效果，為培養具有創新精神和實踐能力的應用型專業人才，提供了便捷的途徑。