虛擬仿真技術在土木工程專業實踐教學中的應用

袁振霞 陳雨婷 祝彥知

中原工學院建筑工程學院（450007）

0 引言

土木工程專業實踐教學中遇到的問題：實驗場地與經費有限，個別實驗危險性較大；施工現場危險，不接收實習生；工程周期長，實習時間短等[1-2]。這些問題導致學生對理論知識理解的不透徹、實踐能力較差。 目前，虛擬仿真技術在土木行業中得到了廣泛應用，如施工安全教育、房產銷售VR 看房、三維立體模型設計等， 而將其應用于實踐教學，可推動土木過程專業教學改革，提升教學和就業質量。

1 虛擬仿真技術在土木工程專業實踐教學中的應用

土木工程專業實踐教學的目的在于培養學生的實踐和應用能力。 教育信息化的發展，帶給教師和學生學什么、怎么學、在哪里學三個問題[3]。集成、開放、共享的信息化平臺可以有效解決信息化帶來的問題。我校力學與工程結構虛擬仿真實驗教學中心于2013 年獲批為河南省首批虛擬仿真實驗教學示范中心。 七年來，虛擬仿真實驗教學中心根據專業發展需要，不斷充實軟硬件設備，利用學校信息化網絡建設平臺，集成各種仿真模塊，搭建完成了建工虛擬仿真平臺，打破了時間和空間障礙，實現了資源共享。

根據全國高校本科教育工作會議精神和教育信息化發展的情況，充分利用虛擬仿真技術，堅持以學生為本的教育理念，從時間和空間維度上搭建信息化人才培養體系， 按照課程情況調整教學大綱，引入虛擬仿真平臺共享資源，改革實踐環節的教學模式，推動土木過程專業實踐教學改革，提升教學和就業質量。

2 虛擬仿真技術在土木工程專業實踐教學中的作用

2.1 提高學生的應用能力

生產實習是土木工程專業重要的實踐環節，是認識實習和畢業實習之間的紐帶[4]，按照人才培養方案，此環節重在鞏固學生的專業知識、培養學生的應用能力。 為解決生產實習中存在的問題，采用線上漫游操作和VR 身臨其境體驗的學習模式。

線上漫游操作的學習模式，基于虛擬施工工藝仿真系統提供的真實工程案例的三維場景，包括測量、地基與基礎、主體結構、裝飾裝修、屋面工程5大模塊及其子模塊，每個子模塊都配套實訓任務書，用以指導學生完成實習實訓。 學生在工地實習時只能了解某個施工階段的內容，而該實驗系統可以模擬整個施工過程和現場環境，幫助學生更好地掌握理論課程教學中的重難點。 在卡通人物引導下，學生可以查閱相關規范和圖紙，了解工藝流程和細節；遇到難懂的知識點，可以點擊視頻進行學習，整個實習過程充滿樂趣，學生根據掌握程度可以反復學習，直到熟練掌握。

VR 身臨其境體驗的學習模式， 是利用VR 設備沉浸性、交互性、構想性的特點[5]，帶給學生視覺、聽覺、觸覺等方面高度仿真的真實感，讓學生在模擬環境下切身體驗施工中安全隱患帶來的后果，彌補線上漫游操作的不足。 清楚并避免發生安全隱患是每位土木工程師必備的基本素質，但是在授課中學生認為內容枯燥乏味， 學習中存在應付情況，為引起學生重視，將學生帶入VR 實驗室，進行VR 體驗式教學。 體驗式的學習，不僅可以激發學生的學習主動性，培養多人協作的能力，還可以加強學生的安全防范意識。

實習結束后，統一進入考核模式，選擇模塊進行測試，全方位考核學生實習情況。 虛擬仿真技術融入生產實習， 確保了學生在短暫的實習期間，不僅了解了施工現場各種工作崗位的職責，還熟悉了完整的工程施工流程及安全注意事項，極大程度解決了實習難的問題，提高了學生的應用能力。

2.2 培養學生思考和解決問題的能力

在實驗教學環節中融入虛擬仿真技術，建立虛擬仿真實驗教學平臺，利用其可視化的優點開展虛擬仿真實驗，包括虛實結合的實驗和危險性虛擬仿真實驗。 以開展虛實結合的實驗教學過程為例（如圖1 所示），此過程是對實體實驗的有效補充，符合教育信息化的發展方向。 我院虛擬仿真實驗教學平臺現有《土力學虛擬仿真實驗》、《建筑材料虛擬仿真實驗》、《巖石力學虛擬仿真實驗》、《材料力學虛擬仿真實驗》等，虛擬仿真軟件包含多個子模塊，可滿足專業課實驗要求。 教師在實驗課前布置實驗內容，學生利用業余時間在虛擬仿真實驗平臺上進行學習與互動。 首先熟悉實驗設備的組成、實驗原理、實驗目的、實驗操作步驟，對實驗有直觀、整體、準確的認知；再按照實驗提示進行設備尺寸數據的輸入。 平臺自動匹配并判斷對錯，完成實驗的虛擬操作。 在虛擬實驗過程中，教師通過平臺引導學生根據操作流程發現問題，最后帶著問題進入實體實驗室；在實體實驗中，學生和教師進行探討交流，針對性地解決虛擬實驗中發現的問題。 實體實驗結束后，還可以在虛擬仿真實驗平臺上反復溫習，鞏固相關知識，提交實驗報告。

虛擬仿真技術融入實驗環節，可促使學生充分利用課外時間完成課內實驗，激發學生自主創新的興趣，引導和培養學生思考、解決問題的能力。

圖1 虛實結合的實驗教學過程

3 結語

在實踐教學中融入虛擬仿真技術， 不僅安全、經濟、可靠，還對傳統的教學形態進行了改革，拓展了教學的深度和廣度，彌補了傳統人才培養模式的不足，取得了顯著效果。 我院土木工程專業畢業生的就業率達98%，據跟蹤調查，大部分學生進入了大中型國有企業。 學生回饋，就業后可以很快進入角色，得到用人單位的一致好評。

虛擬仿真技術在實踐教學中的應用，順應了教育信息化的發展趨勢，為學生創造了良好的學習氛圍，激發了學生自主學習的興趣，培養了一批具有實踐能力、合作能力、應用能力、創新能力、綜合能力的高素質人才。