遠程協助虛擬仿真技術在土木類實踐教學中的探索

袁振霞， 邊亞東， 趙 毅， 陳雨婷

（中原工學院建筑工程學院，鄭州450007）

0 引 言

土木類實踐教學在人才培養計劃中占據重要地位，不僅是驗證理論基礎知識、提高對理論知識領悟深度的高效教育方式，還是培養學生具備工程素養和創新能力的重要環節［1］。實踐教學以培養學生綜合能力為目標，借助網絡信息技術手段，不斷拓展實踐教學改革維度，進而提升實踐教學的綜合水平和教學質量［2］。

2018 年10 月，教育部印發的《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》，提出“大力推動虛擬現實等現代技術在教學和管理中的應用，以現代信息技術推動高等教育質量提升”［3］。虛擬仿真技術因其可以全息化模擬實驗場景和實驗過程，完成真實實驗不具備或難以實現的過程，降低實踐教學的過程成本，并提供可靠、安全和經濟的實驗結果，成為實踐教學改革的重要手段；同時也成為傳統實踐教學環節的有益補充［4］。然而，在虛擬仿真實踐教學過程中，還存在一些短板制約教學質量的進一步提升，本文以我校土木類專業實踐教學為例，利用“互聯網+教育”優勢［5］，探索遠程協助虛擬仿真技術在線實踐教學改革中的應用。

1 虛擬仿真實踐教學應用背景及存在問題

1.1 虛擬仿真實踐教學開展的應用背景

在土木類傳統實踐教學中存在如下問題：①施工周期長，工序復雜，學生難以在有限的實習時間內完成整個施工過程的技能學習；施工現場工序雜、人員多，學生缺乏施工經驗和對危險源的判別能力，施工單位出于安全考慮而拒絕學生進入工地實習；②綜合性實驗存在設備體量大、實驗成本高、破壞性強等特點，實驗室因不具備場地和保護措施而無法開展；③實驗周期長，而教學課時短，不利于學生對實驗原理的掌握，無法甄別實驗數據與分析結果；④學生多，設備少，難以保證每人進行實驗操作，影響學習興趣的培養［6-9］。

為適應土木行業發展對專業人才培養的需求，解決實踐教學存在的不足，我校土木類專業構建了與實踐教學深度融合的虛擬仿真實驗教學平臺，其結構按照知識應用的梯度分為基礎知識考查、綜合能力應用、工程應用實踐、創新思維提升四大功能模塊，涵蓋了土木類專業的主要實踐課程，如：工程力學、結構力學、土木工程施工、建筑材料等知識點。

1.2 虛擬仿真實踐教學存在的問題

虛擬仿真實踐教學與傳統的教育模式和環境資源相比，具有受時間和空間影響小的優勢。然而，作者經過大量的學情調研發現，在虛擬仿真實踐教學環節中還存在以下問題：

（1）缺乏實時互動。教師利用虛擬仿真平臺為學生演示，學生課下通過網絡、PC 端、移動端自行操作，教師和學生在實踐過程中信息交互不便。

（2）缺乏暢通交流空間。學生因個體差異，在虛擬仿真實驗過程中，出現個別不理解、不會操作、不能順利完成實驗或實習規定任務等現象。

（3）缺乏有效監督。網絡環境帶給學生便利的學習渠道時，也帶來了負效應［10］，如：無人監督狀態下，個別學生出現應付實驗、復制粘貼他人實驗報告等現象。

（4）缺乏全面校正和評價措施。教師難以對學生進行及時指導和過程評價，只能依據課后實驗報告單一量化成績。

以上等問題制約了虛擬仿真實踐教學優勢發揮，以致影響到預期效果。

2 遠程協助虛擬仿真實踐教學思路

2.1 教學思路設計理念——PDCA

PDCA管理循環理論，是美國質量管理專家休哈特博士提出，由戴明采納、宣傳、獲得普及，所以又稱戴明環，主要應用于項目質量管理。整個循環包括4 個階段：計劃（Plan）、實施（Do）、檢查（Check）和處理（Action）［11］。依據目標制定計劃（P）；按照計劃內容進行實施（D）；參照設定的目標和標準對所做的內容進行檢查（C）；根據檢查結果進行反饋處理（A）［12］。

因此，將PDCA 管理理念引入并靈活運用于虛擬仿真實踐教學環節中，致力于學生實踐環節學習質量的持續提升。

2.2 方案設計

基于高等工程教育改革的要求［13］和PDCA 質量管理理念，依托我校力學與工程結構省級虛擬仿真實驗教學平臺及網絡技術，制定了土木類線上實踐教學方案。該方案重點強化遠程協助技術應用，可實現教師與學生一對一、一對多的實時虛擬仿真實驗演示、操作、指導和交流常規化，為學生提供一種便捷的遠程交互式虛擬仿真實驗環境。該方案是以培養學生實踐能力為核心，以注重學生認知能力、應用能力、創新能力為目標的“三級遞進”人才培養模式。將PDCA 理念應用于實踐教學中，分為實驗前目標設定（P）、實驗中操作實踐（D）、實驗結束成績考核（C）、實驗完成錯誤校正（A）“四階段”（見圖1）。

（1）實驗前目標設定（P）。教師發布實驗目的、內容、方法、設備及工具，并遠程指導學生進行資料查閱和前期實驗設計。

（2）實驗中操作實踐（D）。教師指導并考查學生按照實踐教學大綱完成情況、學習態度、操作能力等，在此過程中遠程協助學生進行操作。

（3）實驗結束成績考核（C）。實驗結束后在線測試，教師遠程對學生進行考核，并結合實驗報告評定實踐環節成績。

（4）實驗完成錯誤校正（A）。教師根據學生在線上考察中反映出的問題，進行遠程案例剖析、校正，對重點知識強化指導，學生也可再次進行虛擬仿真實驗操作。

圖1 遠程協助虛擬仿真技術線上實踐教學方案設計

3 遠程協助虛擬仿真實踐教學的探索應用

3.1 制定遠程協助虛擬仿真實踐教學方案

（1）根據土木類行業特點制定實施方案。土木類行業要求從業人員具備較強的實踐能力和工程應用能力［6］。為切實提升學生的工程能力，激發學生高效、深入地參與實踐學習的動力，將虛擬仿真實踐教學資源進行整合，并引入實踐教學大綱，按照教學執行計劃制定遠程協助虛擬仿真實踐方案。如：我校購置的“虛擬仿真施工實訓系統”對應土木工程施工課程和實習環節，培養學生查閱規范、實踐操作等工程應用能力；我校自主設計的“復雜環境作用下土的力學性質虛擬仿真實驗”，對應土力學課程中土的相關工程性質理論知識應用，增強學生理論與實踐相結合，進而培養學生在實驗中發現問題、解決問題的能力，詳細方案見圖2。此方案的制定堅持工程應用、協同創新的理念，培養學生適應土木行業發展趨勢的需要，借助于遠程協助工具，實現師生深層次的互動溝通［14］。

圖2 遠程協助虛擬仿真實踐教學方案

遠程協助虛擬仿真實踐教學方案，將教師和學生的教與學關系集成于網絡平臺上，包含了理論學習、虛擬仿真實操、在線測試、信息交互等。在實踐過程中量化考核成績，確保學生成績長效管理機制良好運行。

（2）遠程協助教學服務平臺。遠程協助管理軟件種類繁多，由于其在PC端和移動端的便捷切換，得到了人們的廣泛使用，授課教師可根據實踐教學需求選用軟件并拓展所需的教學功能。如：利用TeamViewer作為遠程協助工具［15］，教師和學生互動時連接對方的PC端、移動端，無需安裝專業管理軟件、設置VPN、端口、防火墻，即可實現PC 之間、移動端之間、PC 與移動端之間，多種操作系統跨平臺遠程控制，并可進行白板交流；同時可利用ZOOM 會議、企業微信、釘釘平臺，隨時發起課程邀請，既能看到每位同學的狀態，還可實現高清流暢在線直播、視頻交流、屏幕分享、錄制，方便學生回放復習［16-17］。遠程協助虛擬仿真實踐教學模式，搭建起具有遠程演示、協助、指導、答疑、測試等互動模式的教學服務平臺，實現受時間和空間隔離限制時的學習交流。

3.2 遠程協助虛擬仿真實踐教學應用

實踐教學包括實驗和實習環節，虛擬仿真操作中實驗環節的難點在于參數設置和操作流程，實習環節的難點在于構件設置和工藝流程。本文以實習環節“地基基礎”工程“等高式磚基礎大放腳”為例，進行遠程協助虛擬仿真指導。

（1）教師制定實習計劃，遠程演示虛擬仿真實驗操作。土木類專業實習環節作用是幫助學生學習各分部工程的施工技術和流程，將平時學習的理論知識點匯集成體系，并與實踐相結合，鍛煉學生工程應用能力。教師按照實習計劃安排，利用遠程教學服務平臺布置任務，制定計劃，根據教學計劃播放施工視頻和展示節點圖片，引導學生熟悉現場環境。實習開始前，教師根據該模塊需要掌握的知識點，通過屏幕共享方式，指導學生查閱建筑地基基礎工程施工規范、砌體結構工程施工規范等相關的術語及施工方法，提出需要注意的細節問題，再同步進行虛擬仿真操作演示（見圖3）。此模塊在虛擬仿真實習實訓系統中，需選取材料工具箱中16 個工具，按照施工流程進行模擬建造，主要操作步驟如下：①測量墊層控制點并彈出控制線；②支設墊層模板；③澆筑墊層混凝土并養護；④測量等高式磚大放腳的控制點并彈出控制線；⑤測量基底標高；⑥按規范進行砌磚；⑦圈梁鋼筋綁扎；⑧支設圈梁模板；⑨澆筑圈梁混凝土并養護；⑩拆模。

圖3 共享屏幕進行操作演示

（2）遠程協助虛擬仿真操作。學生按照線上實踐教學大綱安排，學習各個模塊的操作要領，然后再在虛擬仿真實驗平臺自行操作。在實踐操作過程中，如出現構件設置、工具選擇、實驗順序、參數設置等問題，可利用TeamViewer連線申請教師遠程協助，教師則可及時建立連接進行遠程協助指導（見圖4）。

圖4 TeamViewer建立連接

在“等高式磚基礎大放腳”虛擬仿真操作中，若個別學生對“墊層養護清掃”之后的操作流程不明白，可通過TeamViewer 邀請老師遠程協助操控PC 端，分步進行講解指導。如：第1 步，選取“鋼卷尺”工具，在軸線相交處的兩側分別量取同等長度，確定控制點；第2步，選取“墨斗”彈出控制線；第3 步，選取“水準儀”對基底墊層標高進行測量，此過程需要用M7.5 的水泥砂漿找平（見圖5）。進入“砌筑”階段，需選取“皮數桿”進行輔助，此時教師可展示圖片和視頻，為學生詳細演示皮數桿使用方法、使用位置、具體功能；再切回虛擬操作模式，繼續指導學生選取“皮數桿”進行操作，使其直觀感受皮數桿在施工中的作用（見圖6），從而實現全方位、多角度的知識串聯講解。

圖5 遠程協助學生操作

圖6 直觀感受皮數桿在施工中的作用

為考查學生對施工流程的掌握程度，在虛擬仿真實訓系統中，將“材料工具箱”欄內的“工具”圖標設置為隨機排列，對施工流程不清楚的學生容易產生迷惑，不知如何選取工具，以致操作無法順利進行。此時指導教師可建立遠程專題課堂，邀請學生進入直播間，并在共享桌面中，打開TeamViewer 連接一個學生PC 端作為實例講解，多人共同實時學習、培訓，解決共性問題（見圖7），還可邀請多位學生同時在教師的電腦上進行操作，直至熟練掌握。

圖7 遠程協助操作共享桌面

（3）遠程觀察學生測試過程。為檢驗學生虛擬仿真實習效果，按照線上實踐教學計劃安排，進行實操和理論測試（見圖8）。學生在規定時間進入測試直播間，指導教師發布理論和實操測試題。測試時，教師可全程觀察學生操作過程，通過虛擬仿真后臺查閱學生線上操作成績，根據線上實踐考核方案：實操測試30% +過程考核30% + 實驗報告20% + 理論測試20%，確定線上虛擬仿真的實習成績。

圖8 遠程觀察學生虛擬實操和理論測試過程

（4）遠程錯誤校正。根據學生在測試過程和提交實驗報告中存在的問題，教師進行線上遠程案例解析和總結，對于出現錯誤頻率較高的操作步驟和實驗要領進行講解，并要求實踐成績不合格的學生，再次利用虛擬仿真平臺進行學習、測試、提交實驗報告。

4 遠程協助虛擬仿真實踐教學實施效果

（1）基于PDCA理念的遠程實時協助虛擬仿真實踐教學模式，已在力學與工程結構省級虛擬仿真實驗中心應用3 個學期，受益學生1 000 余名。此模式的實施，為實踐教學提供了便捷化的交互窗口，促進了教育各環節的及時溝通，為虛擬仿真實踐教學不斷增添活力。在教師層面，有利于掌握學生實驗和實習過程情況，增進與學生交流，同時提高學科交叉融合；在學生層面，問題得到了及時解答，參與感和積極性得到較大提升，成績評定全面性激發了學生實踐課程的學習興趣。

（2）遠程協助有利學生實際動手和協作能力的提升。在土木類專業各類學科競賽中，在校學生已參加模擬訓練900 人次，獲得了多項獎勵和廣泛好評。2018 ～2019 年兩年間，在中國建設教育協會組織的“全國建設類院校施工應用技能大賽”中，我校學生共獲得團隊和個人一等獎9 項。

5 結 語

基于對土木類專業虛擬仿真實踐教學的應用探索，創新性地將遠程協助與虛擬仿真相結合，并應用PDCA質量管理理念，在教學方案、資源、平臺等層面為學生構建了開放性、交互的實踐學習空間和持續優化提升的改進模式。該教學模式，不僅豐富了實踐教學模式、完善了實踐過程考核和成績評定規則，也減少了師生之間的線上溝通障礙、增加了溝通動力。有利于提高學生工程應用和實踐能力，實現了人才培養質量的提升，適應社會對于土木類技術人才的需要。尤其當下疫情期間，遠程協助虛擬仿真實踐教學模式更適合實踐教學的高效開展。