基于虛擬仿真技術(shù)的土木工程施工實踐教學改革與探討

陳佳 鄧曦 田靜

摘?要：隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已是推動高校教育信息化的重要抓手。本文首先結(jié)合防災科技學院土木工程施工實習存在的問題，分析了虛擬仿真技術(shù)在土木工程施工實踐教學中應用的必要性;其次從教學管理、教學資源庫、師生交流學習、智能評價四個模塊構(gòu)建了虛擬仿真實踐教學平臺;最后從明確教學任務;分組;熟悉施工工藝原理，操作工具、材料及程序;學生利用軟件模擬施工操作;針對存在問題進行小組討論并總結(jié);撰寫報告及成績評定;教學反思七步分析了如何實施虛擬仿真教學。虛擬仿真教學以其高效、低成本、內(nèi)容豐富、性能有效和安全等優(yōu)勢應用于土木工程施工實習，較好地實現(xiàn)“教、學、做”一體化，有利于提高教學效果。

關(guān)鍵詞：土木工程施工;實踐教學;虛擬仿真技術(shù)

中圖分類號：G4?文獻標識碼：A?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.35.079

0?引言

教育部頒發(fā)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》中提出以教育信息化帶動教育現(xiàn)代化，是我國教育事業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇，大力推進信息機技術(shù)與教育融合，促進創(chuàng)新教育模式的改革。同時，習近平主席在致首屆國際教育信息化大會（2015年）的賀信中也提到“積極推動信息技術(shù)與教育融合創(chuàng)新發(fā)展”，“堅持不懈推進教育信息化，努力以信息化為手段擴大優(yōu)質(zhì)教育資源覆蓋面”。由此可見，將教學信息化作為主要手段，探索將信息技術(shù)與教學融合，既有良好的政策環(huán)境又符合時代對教育改革的要求。虛擬仿真教學是信息技術(shù)與教學有效融合的產(chǎn)物，是教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容。虛擬仿真實踐教學將課程內(nèi)容全面、生動地展示給學生，增強學生的融入感，提升其學習興趣及動手能力，已成為實踐教學改革的必然趨勢。文獻分析了虛擬仿真技術(shù)在施工技術(shù)教學中的應用，但未給出具體如何實施。許慧從工程管理專業(yè)教學信息化平臺建設(shè)出發(fā)，從施工技術(shù)和項目管理實踐兩個角度分析了虛擬仿真實踐教學的應用。胡振華主要對土木工程試驗中如何有效應用虛擬仿真技術(shù)做了分析。由此可見，雖然目前已有大量文獻研究虛擬仿真教學，但仍處于初級階段，對于虛擬仿真實踐平臺的內(nèi)容及如何在教學中實施研究較少。

1?虛擬仿真技術(shù)在土木工程施工實踐教學中應用的必要性

新常態(tài)下，應用型本科院校教學質(zhì)量的優(yōu)劣更多體現(xiàn)在學生動手、實踐和創(chuàng)新能力，而這些能力是通過學校的各項實訓、實習中培養(yǎng)的，也是職業(yè)能力的基礎(chǔ)。實踐教學作為培養(yǎng)學生實踐能力、職業(yè)能力及創(chuàng)造思維等專業(yè)培養(yǎng)目標的重要教學手段，也是學生接觸工程實際、獲得工程師基本訓練的重要環(huán)節(jié)，能否達到預期實習效果對于學生掌握相關(guān)專業(yè)知識和技能具有重要影響。

土木工程施工實習是我校工程管理和土木工程專業(yè)必修的一門實踐課程，學生需要在工地完成三周的施工現(xiàn)場實習，包括熟悉圖紙內(nèi)容、施工工藝、質(zhì)量與安全管理等內(nèi)容，即通過實踐實現(xiàn)知識向能力的轉(zhuǎn)化。但是，在實際的教學中存在以下問題：（1）由于現(xiàn)場安全隱患因素多，滿足實習條件的工地較少;（2）實習時間較短，且受到氣候、政策檢查等因素的制約，學生難以對不同類型、不同技術(shù)要求的項目施工全過程學習;（3）施工實習全部在現(xiàn)場完成，師生在現(xiàn)場的吃喝住等問題需要解決，實習成本較高;（4）施工現(xiàn)場工期緊張、任務繁重，校外指導教師很難全程指導，校內(nèi)教師又缺乏工程實踐經(jīng)驗且指導學生數(shù)量過多，實習效果不夠理想;（5）教學過程中往往通過日志、報告、答辯等形式綜合評定，缺乏過程考核。因此，對于如何解決上述問題，提高實踐教學效果已經(jīng)成為我校教師需要解決的迫在眉睫的問題。

2018年《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)工作的通知》指出虛擬仿真實驗教學項目是推進現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學項目、拓展實驗教學內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質(zhì)量和水平的重要舉措。虛擬仿技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)真實物體的相關(guān)信息進行還原，具有形象、生動、直觀、高效的特點。土木工程施工仿真實踐教學可以整合現(xiàn)有的土木工程施工前沿技術(shù)、各種結(jié)構(gòu)類型、各種施工技術(shù)的素材庫，打破現(xiàn)有實踐教學模式，解決傳統(tǒng)教學中存在的各種問題。不僅擴充了專業(yè)課程信息量，也使得課程內(nèi)容直觀全面、生動有趣，較好地提高了學生對課程的興趣并提升學生對知識的理解度，現(xiàn)已成為實踐教學補充的重要手段。

2?土木工程施工虛擬仿真實踐教學平臺的構(gòu)建

土木工程施工虛擬仿真教學平臺以學生需求為出發(fā)點，以提高教學質(zhì)量為目的，以培養(yǎng)學生職業(yè)能力為目標，以互聯(lián)網(wǎng)、虛擬仿真技術(shù)等信息化手段為支撐，構(gòu)建一個適合我校土木工程施工類課程的虛擬仿真教學平臺。其包括教學管理、教學資源庫、師生交流學習、智能評價四大模塊，基本可以實現(xiàn)教學管理、虛擬教學與自主學習、師生交流、網(wǎng)上答疑、智能評價等功能。

（1）教學管理模塊：主要進行系統(tǒng)管理和教學管理，包括對注冊登記、權(quán)限設(shè)置、公告、課程設(shè)置、學習情況、教師和學生基本情況等管理。

（2）教學資源庫模塊：本模塊是該平臺的核心，需要建立一個資料豐富、方便查詢、便于操作的資源庫，以便于適應不同教學內(nèi)容的要求。具體包括工藝視頻、施工動畫、課程視頻、文字資料等。

（3）師生交流學習模塊：能夠?qū)崿F(xiàn)師生之間、學生之間實現(xiàn)實時交互與協(xié)作。可以不同的身份進入虛擬情境中，觀看和操作虛擬施工過程，獲得親身經(jīng)歷的體驗，并可以相互討論和相互協(xié)作學習。

（4）智能評價模塊：通過此模塊教師可以對學生學習的具體實施加以評價，也可以實現(xiàn)學生之間相互評價，以便更好地為教學管理提供服務。

3?虛擬仿真技術(shù)在土木工程施工實踐教學中應用

為了使學生更好地掌握施工工藝及施工原理，并培養(yǎng)分析和解決工程實際問題的能力，在教學中采用虛實結(jié)合的方式，將工程實際與三維仿真系統(tǒng)建立統(tǒng)一對應關(guān)系。利用虛擬仿真技術(shù)在教學過程中的實施過程為：明確教學任務——分組——熟悉施工工藝原理，操作工具、材料及程序——學生利用軟件模擬施工操作——針對存在問題進行小組討論并總結(jié)——撰寫報告及成績評定——教學反思。

3.1?明確教學任務

在上課前，根據(jù)課程教學大綱和教學要求，教師采用任務驅(qū)動的方式開展教學工作，讓學生明確教學目標及任務。

3.2?分組

為了更好地培養(yǎng)學生溝通及團隊協(xié)作意識，本課程采用分組形式進行，一般以3人為一組，組內(nèi)可以溝通交流，分享經(jīng)驗，組間可以形成競爭，相互點評。

3.3?熟悉施工工藝原理，操作工具、材料及程序

此過程可由學生根據(jù)資源庫資料自行學習也可由教師講解并演示工藝原理、實操流程、材料及機具的選取等。主要是根據(jù)仿真平臺的內(nèi)置資源進行工程實體虛擬環(huán)境學習，使學生有真正的操作感覺，有效提升學習興趣。在此階段，教師盡量不要強化教學重點、難點及操作注意事項，應由學生不斷去探索與發(fā)掘。

3.4?學生利用軟件模擬操作施工過程

在熟悉了基本原理及操作后，學生進入仿真環(huán)節(jié)，在沒有任何提示的前提下學生親自動手操作。在此過程中，學生可能會遇到一些問題，為了有效培養(yǎng)學生分析問題及解決問題的能力，先讓組內(nèi)同學通過查閱規(guī)范、標準等自行解決，解決不了的再由教師及時給予輔導。

3.5?針對存在問題進行小組討論并總結(jié)

根據(jù)仿真過程中出現(xiàn)的理論或操作問題，每小組進行總結(jié)并發(fā)言。在此過程中，可以鍛煉學生的言語表達能力、分析問題的能力。而這些問題往往是工程中常發(fā)生的，因此，通過真實體會現(xiàn)場存在的問題加深印象，便于記住以便后期工作過程中出現(xiàn)類似問題。在此過程中，教師可以針對學生所存在的問題進行講授并加以強調(diào)，以幫助學生掌握相關(guān)內(nèi)容。

3.6?撰寫報告并成績評定

經(jīng)過小組討論后，學生可以反復練習直到熟練掌握相關(guān)知識點。課后學生撰寫實踐報告，教師根據(jù)過程學習情況、仿真操作情況、發(fā)言及回答問題情況、教學互動情況、報告撰寫情況進行綜合評定成績。

3.7?教學反思

課后教師應針對教學過程中存在的問題和教學效果進行總結(jié)和反思，并形成改進方案。為了有效推進虛擬仿真實踐教學改革，在教學運行一個周期后，教師應根據(jù)學生的反饋，及時調(diào)整實施方案，并對相關(guān)資源進行完善和補充，以保證其實施效果。

4?結(jié)論

虛擬仿真實踐教學在土木工程施工中的應用是實現(xiàn)教育信息化工作的基本手段，符合教育改革的需求。同時，虛擬仿真實踐教學也克服了傳統(tǒng)實踐教學中存在的各種問題，并以其高效、低成本、內(nèi)容豐富、性能有效和安全等優(yōu)勢應用于實踐教學過程中，讓學生感知和操作虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的施工過程，較好地實現(xiàn)“教、學、做”一體化，幫助學生全面掌握所學知識。

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