虛擬現實技術在建筑抗震設計課程教學中的應用探討

賈冠華　劉宏　冀慧　曹瑞東　郭智峰

[摘 要]虛擬現實（VR）技術作為一種全新的虛擬仿真實驗形式，可以加強虛擬實驗的沉浸性、具象性和交互性，激發學生的學習興趣，提高學生的實踐創新能力。文章分析了VR技術在土木工程專業教學中的應用現狀，探討了VR仿真實驗在建筑抗震設計課程中的應用模式。文章在采用模塊化方法將建筑抗震設計課程的教學內容進行分類的基礎上，探索并設計了VR實驗項目群，同時提出VR實驗在建筑抗震設計課程教學中的實施方法，為建筑抗震設計課程改革和土木工程專業結構類課程開展VR仿真實驗提供借鑒。

[關鍵詞]虛擬現實;虛擬仿真實驗;建筑抗震設計;課程教學;模塊化分類

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）05-0096-03

2019年10月教育部印發的《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》指出，課程是人才培養的核心要素，課程質量直接決定人才培養質量，強調要解決好教與學的模式創新問題，強化現代信息技術與教育教學深度融合，要在2019年至2021年內認定1500門左右國家虛擬仿真實驗教學一流課程。

隨著計算機和信息技術的快速發展，專業課程教學全過程實時引入虛擬仿真技術已經可以實現。虛擬仿真技術成為解決部分因高成本、高危險、不可逆而無法開展的教學實踐項目或大型綜合訓練項目的有效手段，可以充分調動學生課程學習和參與實驗的主觀能動性，顯著提升學生的學習興趣和潛能，增強學生解決復雜工程問題和創新創造的綜合能力。

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR技術）是計算機技術融合多媒體技術、仿真技術、傳感技術等，通過在視覺、聽覺、觸覺等感官上逼真模擬環境和場景，讓使用者如同身臨其境，是人們通過計算機對復雜數據進行可視化操作與交互的全新方式[1]。VR技術作為一種全新的虛擬仿真試驗形式，因其特有的沉浸性、多感知性、交互性，必將對工程教育教學產生深遠的影響。

一、虛擬仿真技術在土木工程專業實驗平臺建設中的應用現狀

作為傳統工科專業，土木工程具有綜合性強、實踐性強、與工程實際聯系緊密的特點，但是土木工程專業實驗和實踐教學具有時空分布廣、工程參與方多、危險性高等特點，導致實踐教學成本極高、組織困難，使經費有限的院校在專業試驗和實踐教學方面達不到預期效果[2-3]。工程實踐能力培養作為工程教育的重要內容，不僅是檢驗教育成效的關鍵性指標，更是“新工科”培養解決復雜工程問題和具備創新創業能力的迫切要求。因此，為解決土木工程傳統理論教學與工程化培養之間的矛盾，實現理論教學與實踐教學緊密結合，土木工程專業應立足于推動教育信息化在培養學生創新和實踐能力方面的應用。

教育部分別于2013年、2017年分階段開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心和示范性虛擬仿真實驗教學項目的建設工作。到2019年，土木類國家級虛擬仿真實驗教學中心有9個，獲批的土木類示范性虛擬仿真實驗教學項目達到13項。

現代計算機信息技術在軟硬件上的快速發展，已經逐漸被應用到建筑教育等行業，包括建筑信息模型（BIM）、地理信息系統（GIS）、虛擬現實（VR）和增強現實（AR）等技術。其中BIM、GIS技術已趨于成熟，在建筑、交通行業被推廣應用，并在土木工程教學過程中被廣泛研究。將BIM技術與VR技術融合，VR技術可以增強BIM應用效果，加強可視性和具象性，同時通過虛擬展示和交互操作，可以讓靜態知識轉化為動態的、可操作的知識，為學習者提供沉浸式體驗，激發學生的求知欲。但是VR技術仍然處于起步階段，尤其是在教育領域，局限于課程類型的差異，VR技術的應用有其自身的特點。

二、VR技術在土木工程教學中的應用現狀

相比發展較為成熟的BIM仿真技術，VR技術在土木工程專業教學中的應用很少，目前的研究主要是針對課程特點和教學內容進行可行性探索，仍未大量應用于課堂教學。

陸海燕、鮑文博、王海軍等[4-5]自主開發了土建類專業BIM與VR仿真教學平臺，并探索與實踐了BIM與VR在CAD課程和土木工程施工課程中的創新教學模式。袁杰、趙倩怡、童華煒等[6]同樣將VR技術與土木工程施工教學相結合，以腳手架施工為例設計虛擬場景，并進行了教學實踐。鑒于VR技術在物理、化學等基礎課程實驗教學中已經有應用案例，李志新、徐開東、王繼娜等[7]對VR技術在建筑材料實驗教學中的應用進行了有益探索。此外，王培濤、任奮華、蔡美峰[8]創建了VR技術和 3D 打印技術 “虛實結合”的教學模式與平臺，并將其應用于巖土工程課程教學中。VR技術在土木工程課程教學中的探索實踐表明，基于VR技術的虛擬仿真平臺可以解決學生現場實驗或實習面臨的實習資源短缺、高成本、高風險和長周期等不利問題，能夠激發學生的學習興趣，提高學生的實踐創新能力，促進師生間的良性互動，是新工科建設背景下土木工程教學改革的新突破。

VR技術在土木工程教學中的應用目前主要偏向于實踐性較強的施工類課程，在其他專業課程尤其是結構設計類課程的教學應用中尚處于起步階段。魯正、龔依捷、周穎等[9]將虛擬仿真技術應用于建筑結構抗震課程教學，提出基于虛擬實驗的土木類專業課教育改革思路，但是該虛擬仿真實踐仍然停留在試驗演示階段，交互性和用戶體驗有待提高。由此可見，基于VR技術的土木工程結構設計類課程的教學模式探索勢在必行。

三、基于VR技術進行建筑抗震設計課程教學改革的必要性

建筑抗震設計課程是土木工程專業建筑工程方向的一門必修課，一般院校在大學四年級第七學期開設。該課程以工程地震知識和結構動力學為基礎，結合試驗研究和震害經驗，以抗震設計的基本概念和方法為重點，綜合了土木工程專業建筑工程方向所有的專業基礎課，對學生學習提出較高的要求，具有很強的綜合性。本課程的教學目標是使學生了解建筑結構在地震作用下的反應，掌握建筑結構抗震設計的基本原則，能夠進行建筑結構地震作用和效應的計算、抗震承載力和變形的驗算，掌握不同結構的抗震構造措施，使學生具備解決工程結構防災減災的素質、解決工程抗震設計和施工等方面問題的能力。

目前該課程主要以傳統的講授式教學模式（ lecture based learning，LBL） 為主，學生被動接受教師講課內容，參與度很低，屬于傳統的“填鴨式”教育。在傳統模式下，由于地震屬于自然災害，教師無法創造有效的實體體驗模型，學生對地震的認識只能從教師準備的PPT、視頻和口述中得到粗淺的認識，而不能從切身體驗中得到全方位的感知;而學生在掌握了抗震的基礎知識和計算方法后，對不同結構類型的建筑進行抗震設計，但是設計的結果是否能滿足建筑抗震要求，無法第一時間得到證實，如果不滿足抗震要求會導致何種嚴重后果，也無法進行個性化的展示。因此，為了提高建筑抗震設計課程的教學質量，有必要對課程的教學模式進行改革，真正將學生的理論學習與實踐學習相結合，將學生靜態知識轉化為動態可操作性知識，激發學生的求知欲，提高學生解決復雜工程問題的能力。

將先進的仿真模擬技術、多媒體技術、信息化技術引入建筑抗震設計課程教學，構建一種多感知、可交互、沉浸式的虛擬現實教學模式，可以讓學生通過虛擬現實感知地震對建構筑物的震害影響，更加深刻理解建筑抗震設計對工程結構安全的重要性。

四、VR技術在建筑抗震設計課程教學中的應用方法探索

本文嘗試以VR技術為基礎，通過對建筑抗震設計課程中的知識點類型和知識點的重要性進行模塊化歸類，研究如何將課程各章節抽絲剝繭地分析后獲得適宜開展VR試驗的教學內容，以此探索VR技術在建筑抗震設計課程全過程教學中實現的可能性。

（一）建筑抗震設計課程教學內容模塊化分類

山西大學土木工程專業建筑抗震設計課程的主要教學內容、學時和教學方式安排見表1所示。

以VR實驗平臺建設為基礎，根據建筑抗震設計課程教學內容和教學大綱，對建筑抗震設計教學內容進行分類。如圖1所示，建筑抗震設計分為四個模塊。1.認知型模塊：主要指課程涉及的基本概念，包括地震的成因、地震波傳播特征、震級與烈度、建（構）筑物的震害特征、場地及其震害特征等。2.解析型模塊：主要指教學內容中的基本計算理論，包括場地類別的劃分、液化場地的判別、地震作用的計算方法等。3.深化型模塊：主要指具體建筑物的結構抗震設計方法與抗震構造要求，包括混凝土結構、鋼結構、砌體結構、隔振與消能減震等具體的抗震設計方法。4.綜合型模塊，主要是指完成建筑抗震設計課程學習之后，在大四第二學期的畢業實習和畢業設計中將會綜合性地應用本課程的學習內容，為此設立該綜合模塊為后續環節提供前期指導;同時該模塊將VR實驗群整合，為低年級學生的認識實習、生產實習等實踐環節提供平臺，讓低年級學生更早認識與理解抗震設計在整個建筑設計階段的重要性，為將來進入高年級專業課學習奠定感性認識基礎，增強學生的專業自豪感。通過課程模塊化劃分，實現了課程內容的分解，達到提煉并設計VR實驗教學內容的目標。

（二）構建建筑抗震設計課程VR實驗項目群

以課程模塊化分類為基礎，提煉實現VR實驗教學的內容，構建建筑抗震設計課程VR實驗項目群。

針對認知型模塊，將VR技術軟件與多媒體技術相結合，建立以從地震及其成因到建筑震害為主線的虛擬現實體驗式試驗項目群，即建立“地震及其成因→地震波傳播→地震對建筑和場地的破壞特征→地震烈度”的震害邏輯順序綜合虛擬場景，讓學生對地震及其引起的震害有直觀感受和認識。

針對深化型模塊，將VR技術與有限元軟件倒塌計算模型相匹配，建立不同結構類型的結構內部或局部在地震作用下的受力、變形和震損特征虛擬場景教學模塊，即建立“建筑結構三維總體模型及倒塌模型→局部構件、節點，附屬結構破壞受力、變形和破壞”虛擬場景，讓學生從震害現象到破壞機理深刻理解各抗震設計內容和構造要求對建筑結構抗震性能的重要影響。

針對綜合型模塊，可以將認知型和深化型模塊對應的試驗項目群各試驗內容設置參數變量與獨立入口。針對大四學生畢業實習和畢業設計，可以通過設置不同的設計參數、變量體驗場地和結構的抗震設計安全性，為畢業設計提供參考和依據;針對低年級學生，可以通過獨立入口，比如僅體驗認知型模塊中的地震成因、結構震害等，以加強他們對專業的感性認識。

對于解析型模塊，因涉及理論計算教學內容，不適宜也無法開設虛擬仿真實驗教學。

（三）VR實驗項目在建筑抗震設計課程教學中的實踐與反饋

將建立的建筑抗震設計課程VR實驗項目平臺應用于教學，基于學生反饋，逐步完善VR實驗教學方法和VR實驗教學平臺。

課程教學參照教學大綱，根據教學進度和內容，適當安排2～4學時，學生分小組運用VR實驗平臺在課堂中進行探索性學習。教學要以學生為主體，教師通過學生評價獲取教學效果評級，同時對學生提出的意見進行課堂教學模式改進和VR實驗平臺改進。

針對認識實習、生產實習、畢業設計和畢業實習，根據教學大綱，每個實踐環節安排1～2個VR試驗項目，試驗過程中同樣收集學生反饋意見以改進實踐教學模式和VR試驗平臺的用戶體驗性。

隨著新工科和“一流本科”建設的推進，充分利用計算機和信息技術開展專業課程教學改革已勢在必行。土木工程專業作為傳統工科專業，產教融合在其人才培養過程中具有重要的作用。利用虛擬仿真技術，可以較好地解決實踐教學中遇到的實際困難，但是基于VR技術的土木工程教學實驗平臺建設仍處于探索階段。本文以建筑抗震設計課程教學改革為基礎，嘗試將VR技術引入教學過程并推廣至其他實踐環節，以改善土木工程結構設計類課程枯燥的教學模式，增強學生的學習興趣和參與度，提高學生解決復雜工程問題的能力，這對本校土木工程專業課程建設和人才培養改革具有重要意義。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 梁彩花.淺談虛擬現實技術對連鎖經營管理專業教學的影響[J].教育理論與實踐，2018（24）：50-51.

[2] 徐偉杰，徐明，郭彤，等.“金課”背景下土木類虛擬仿真實驗教學發展趨勢：基于2018年國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺公示數據[J].高等建筑教育，2020（1）：74-85.

[3] 劉娟，白雪衛.虛擬現實技術在土木工程專業實習中的應用探索研究[J].大學教育，2017（6）：27-28.

[4] 陸海燕，鮑文博，寧寶寬，等.BIM與VR技術在土木工程施工教學改革中的探索與實踐[J].高等建筑教育，2018（5）：127-131.

[5] 陸海燕，鮑文博，王海軍，等.基于BIM與VR技術的土木工程CAD教學模式實踐探討[J].土木建筑工程信息技術， 2017（4）：62-66.

[6] 袁杰，趙倩怡，童華煒，等.基于VR的土木工程施工課程改革與實踐[J].高等工程教育研究，2019（3）：99-101，129.

[7] 李志新，徐開東，王繼娜，等.VR技術在建筑材料實驗教學中的應用探討[J].內江科技，2018（6）：56-57.

[8] 王培濤，任奮華，蔡美峰.基于虛擬現實和3D打印技術的“虛實結合”教學模式在巖土工程課程中的應用探索[J].高等建筑教育，2020（1）：156-161.

[9] 魯正，龔依捷，周穎，等.虛擬實驗在建筑結構抗震課程教學中的應用[J].高等建筑教育，2019（2）：106-111.

[責任編輯：鐘 嵐]