虛擬仿真在土木工程施工PBL教學改革中的應用

魏明漢

（中原工學院 建筑工程學院，河南鄭州 450007）

土木工程施工是土建類專業的一門核心課，主要講授土木工程中的各種施工技術和施工組織設計等內容，是一門實踐性極強的課程[1][2]。受教學手段限制，在課程的日常教學中，教師無法為學生提供真實的工程環境與實踐，只能將實踐性極強的內容以理論的形式講授，脫離了工程實際，導致教學過程較為枯燥，不能有效地培養學生的工程能力[3]。

虛擬仿真技術應用到教育行業后，推進了教學體系、教學方法的改革，為土木工程施工的教學提供了新的技術手段[4]。中原工學院力學與工程結構虛擬仿真實驗教學中心是河南省高等學校首批虛擬仿真實驗教學中心，具有虛擬力學試驗、土木工程虛擬施工工藝及建筑工程VR 安全培訓體驗等多個土建類相關虛擬仿真實驗系統[5]，為相關課程的教學提供了新的教學手段，有利于突破現有教學模式的束縛、提升教學質量。針對土木工程施工課程存在的不足，探討虛擬仿真在本課程中的應用。

1 土木工程施工教學現狀

土木工程施工主要講授土木工程材料、施工技術和施工組織設計等內容，其教學目標是使學生理解和掌握土木工程施工的基本技術和原理等內容。土木工程的實踐性在本課程中表現得尤為明顯，課程中有大量的施工技術、過程、機械等相關內容。教材通常采用文字描述結合圖片、示意圖等對內容加以展示，教師則在教材的基礎上增加現場圖片、施工視頻等為學生進行更加真實、具體的講授，以期能更好地講解課程內容。本課程的教學存在有以下問題：

（1）教學理論性強、實踐性弱。土木工程施工是各種施工技術的綜合體，具有極強的實踐性，其教學重點實際就是各種施工技術。但由于教材編寫、授課方法等原因，導致教學中存在很多理論性的內容。同時，對于施工工藝、施工機械或技術，即便采用圖片、動畫或者視頻等手段進行講解，仍然缺乏直觀體驗，難以被深入理解。施工機械的性能和操作過程等沒有實際操作更是難以講授、傳遞、理解和掌握。這樣脫離實際的講授過程很難吸引學生的學習興趣。目前本科院校的學生沒有大量時間深入現場獲取施工過程的直接體驗。

（2）教材內容滯后。我國施工技術發展飛快，而教材內容的更新換代則相對緩慢。通常教材會選用較為成熟、常見的施工內容，再經過審核等過程，導致教材里講授的技術落后于不斷發展的施工技術，降低了學生的學習興趣。

（3）傳統教學方法脫離工程。盡管主要講授的是各種各樣的施工技術，但本課程目前基本還是采用教材＋PPT 講授的方法。受學生安全、課程學時等條件約束，現場觀摩學習雖然有較好的學習效果，但難以實施。

（4）土木工程專業一般開設實習環節，但土木工程現場實習存在安全隱患多、成本較高、制約條件較多、時間較短難以參與各類工程等問題，對培養學生的實踐能力雖有幫助，但不能根本性地解決問題。

通過以上分析可以發現，傳統的教學方法不利于學生深刻理解施工技術，更不利于培養學生解決復雜土木工程問題的能力，很難達成面向產出的課程教學目標，難以培養具備解決工程實際問題能力的土木工程專業人才。

2 虛擬仿真技術的優勢

虛擬仿真即虛擬現實技術，其利用計算機技術形成數字化虛擬環境，用戶可以在該虛擬環境中進行活動、獲取相應的體驗與感受[6]。基于計算機技術的快速發展，虛擬仿真技術目前已較為逼真，用戶能夠獲取接近于真實的體驗與感受[7]。虛擬仿真實驗平臺是采用虛擬仿真技術構建的具有相應物理環境及行為感知的虛擬空間，突破了傳統實驗的場地、設備等限制，可以有效地彌補實驗設備不足、不能現場觀摩等傳統教學方式的不足，滿足學生對知識的驗證、強化和創新等多方面的需求。

土木工程施工仿真實驗平臺可以模擬現有土木工程的各類施工過程、各種建筑結構和機械的操作等，為學生提供了一個接近真實工程的虛擬環境，是一種創新性的教學手段，可突破現有教學模式，解決土木工程施工課程中的多項問題[8，9]。將虛擬仿真實驗平臺引入到本課程的教學過程中，可以擴充課程內容，為學生提供前沿施工技術，可以使學生身臨其境、教學過程生動有趣，能極大地提升學生的學習興趣，培養學生的實踐能力、解決復雜工程問題的能力[10，11]。同時虛擬仿真還具有安全、可重復、學習比較靈活等優點[12]。

3 教學模式

土木工程施工課程實踐性強而理論性弱，但受教學模式的制約，在傳統課堂教學中較為注重理論知識，學生實踐能力不能得到較好的鍛煉[13]。基于此，設計了基于PBL 教學理念的結合虛擬仿真實驗平臺的教學模式。采用該教學模式講授本課程時，首先為學生設置一個工程問題，如開挖一個基坑、搭建一個工業廠房等。學生則通過教材初步學習、理解解決該工程問題所需的各項技術、操作、計算等，然后通過虛擬仿真實驗平臺完成該工程問題[14]。在完成該問題的過程中，通過與工程施工基本一致的虛擬過程，理解并掌握各種施工技術[15，16]。該教學模式的主要內容和特點有以下幾個方面。

（1）重構教學內容、精心設計工程問題。

與其他各課程的教材一樣，土木工程施工的教材各章節之間邏輯關系清晰、結構嚴謹，編排比較適合傳統教學模式，內容依次進行，完成全部知識的傳授。但采用PBL 教學法后，講授內容圍繞各個工程問題展開，著重提升學生解決工程問題的知識與能力，因此講授內容與順序有可能會與教材不一致，甚至部分內容缺失。因此，本教學模式的第一步就是要重構教學內容，將各章節的教學內容分配至各工程問題之中。同時精心選取、設計工程問題，進行典型化處理，所有的工程問題能夠涵蓋課程的全部知識點且盡量不重復。同時，使各個工程問題都要具有代表性，既要將課程的基本理論融入案例，又要根據教學目標設計不同的側重點。課前教學應提前告知學生將要分析的工程問題，讓學生充分地理解工程問題的背景知識，理解解決該工程問題需要的理論知識，并給學生提供相關資料，引導學生進行課前探討。

（2）工程問題貫穿課堂。

傳統課堂教學一般按照課程回顧-知識講解-知識應用的順序講解，土木工程施工課程采用傳統教學方法時受限于教學手段，往往會偏理論、弱實踐，或者將實踐性的施工技術以理論知識的形式向學生展示，導致學生學習的積極性不高。基于PBL 的教學模式則直接從工程問題出發，按照提出工程問題-分析解決辦法或者步驟-虛擬仿真平臺解決工程問題的順序展開教學，所有的教學環節均基于工程問題展開。這種教學模式，可以使學生具有一個明確的、可操作的工程問題，在這個工程問題的導向下一步步吸取所需知識，激發學生學習熱情，提高學習效果。

（3）內容更新換代快。

教材往往更新換代較慢，跟不上土木工程施工技術的發展速度，導致教材講授的內容經常落后于時代。采用虛擬仿真實驗平臺之后，可以利用軟件的可更新性，更新落后技術，增加先進技術，使學生能夠掌握較為先進的施工技術。

4 教學實踐與反饋

土木工程施工課程課時少、內容多，采用PBL 教學模式后學時更為有限，只有對教學內容精心設計、對學時合理分配，才能在有限的時間內完成教學任務。根據知識點的重要程度，在課堂教學中應優先講解重要的及難度較高的知識點，減少次要、難度低的知識點的講解，或交由學生在解決問題的過程中自行掌握。

土木工程施工一般有以下章節：土方工程、基礎工程、砌體工程、混凝土結構工程、預應力混凝土工程、結構安裝工程、防水工程、裝飾工程等。從施工角度來講，這些章節可以分為土方工程、基礎工程、砌體工程、混凝土工程、安裝工程、防水與裝飾六大部分，其中前四個為重點內容，后兩個為次重點內容。這六大部分內容均可利用PBL 教學法并結合虛擬仿真實驗平臺展開教學。同時根據內容多少，某一部分內容又分為若干個工程問題分布學習，比如混凝土結構工程。以土方工程為例，教學實踐可按照以下步驟展開：

（1）課前導學。在課上告知學生將要講授的內容及工程問題，為學生列出解決該工程問題所需的步驟，學生按照步驟提前預習、查資料等。同時指出重點內容與非重點內容，要求學生自行掌握簡單知識，如土的工程分類和基本性質。

（2）在課堂上，利用部分時間，按照解決該工程問題的步驟逐步講解各知識點，如土方量計算與調配、準備工作、開挖與回填。然后剩余時間讓學生利用虛擬實驗平臺進行該工程的模擬，在模擬的過程中吸收、理解、掌握各項知識，培養學生的工程實踐能力、分析和解決問題的能力。

（3）在學生完成模擬后，收集學生遇到的問題，并引導學生展開討論，分析問題并提出解決辦法，之后再次進行模擬，解決初次模擬中遇見的各項問題。

2021年春季學期，在我院2019 級城市地下空間工程專業的土木工程施工課程中嘗試采用了該教學模式，教學效果顯著提高。在課堂上學生受工程問題驅動，學習熱情明顯提高。同時學生對虛擬仿真平臺接受程度也較高，認為雖有瑕疵，但比較接近工程實際問題，彌補了不能去現場的缺陷。為了解該教學模式的教學效果，對學生進行了問卷調查。根據問卷調查結果，大部分學生認為基于PBL 的教學模式學習目標明確、虛擬仿真平臺提供了工程實踐機會，學生積極性極大提高。

5 結語

土木工程施工課程實踐性強，但受限于傳統教學方法，不能提供實踐機會，不能有效地培養學生的實踐能力。采用PBL 教學法，結合虛擬仿真實驗平臺，進行課程教學改革，通過重構教學內容、精心設計工程問題，利用虛擬仿真實驗平臺模擬解決工程問題，引導學生在實踐中學習，激發了學生的學習熱情，有效提升了教學效果。該教學模式的應用還需要注意：工程問題對教學內容的覆蓋情況、虛擬仿真過程的考核等問題。