隧道與橋梁工程虛擬仿真實訓系統在高職道橋專業教學中的應用

張俊娟 衛少陽

［摘? ? ? ? ? ?要］? 為了解決職業院校道橋專業實習實訓受場地、設備等的限制問題，楊凌職業技術學院建設了隧道與橋梁工程虛擬仿真實訓系統。這一系統包含橋梁識圖、橋隧施工、虛擬項目部與隧道漫游、隧道事故仿真VR體驗等內容。虛擬仿真實訓系統有區別于傳統教學的諸多優勢，可開展多門課程的實習實訓，消除了傳統教學方法重理論、輕實踐的弊端，提高了學生的學習興趣，取得了良好的教學效果，適應了職業院校高素質技術技能人才培養的需求，為職業院校人才的培養提供了很好的思路。

［關? ? 鍵? ?詞］? 虛擬仿真實訓系統；道路與橋梁工程技術專業；應用

［中圖分類號］? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ［文獻標志碼］? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ［文章編號］? 2096-0603（2023）08-0113-04

高職院校實踐教學是培養高素質技術技能人才的必備過程，但是由于條件的限制，有些實踐教學無法全面開展。以我校道路與橋梁工程技術專業的施工實訓為例，由于橋梁、隧道工程等往往遠離城市，而且由于施工安全管理等因素，學生現場實習實訓的機會很少，而校內的實訓基地由于場地、經費等條件限制往往不能體驗所有的實訓環節。有的學校即使有較完善的實訓場地，基本也無法讓學生進行大部分的施工操作。隨著現代科學技術的發展，虛擬仿真技術逐漸運用于各行各業。虛擬仿真技術具有三維沉浸、交互操作的優點，把虛擬仿真技術應用于實踐教學，建立虛擬仿真實訓系統，可以很好地解決以上難題。基于虛擬仿真技術的實訓教學，其中實驗環境與設備都是虛擬的，能夠大大減少設備更新維護費用與實訓場地費用。因此，近年來越來越多的高校建設了或者準備建設虛擬仿真實訓系統。

我院在2018年建成了隧道與橋梁工程虛擬仿真實訓系統。這一系統包含橋梁識圖、橋隧施工、虛擬項目部與隧道漫游、隧道事故仿真VR體驗等內容，可開展多門課程的實習實訓。本文將闡述我院的隧道與橋梁工程虛擬仿真實訓系統內容，以此來為職業院校實訓教學方式提供參考，也為職業院校高素質技術技能人才的培養提供思路。

一、隧道與橋梁工程虛擬仿真實訓系統的內容與功能

隧道與橋梁工程虛擬仿真實訓系統共包含四大模塊，每個模塊又包含許多小模塊。

（一）橋梁識圖模塊

橋梁識圖模塊主要包含空心板橋和T梁橋的橋面系、上部結構、下部結構三個部分。分為結構展示模塊和鋼筋構造模塊，結構展示模塊主要展示結構外形3D構造，與施工圖相互配合顯示。鋼筋構造模塊主要展示結構內部鋼筋3D構造，與施工圖相互配合顯示。

軟件采用三維仿真技術，按照實際工程等比設計，依照圖紙模擬出橋梁整體3D模型，真實再現施工場景，使用對象能夠以第一人稱或第三人稱的視角體驗全三維仿真環境，體驗過程中可以滿足多種操作，自由行走，畫面流暢。模型需展示地形地貌及項目模型，提供放大、縮小、旋轉、點選漫游等功能，在典型位置提供構建模型內部剖切圖；提供構件列表或構件樹形菜單，可按構件名稱快速查找和選擇構件，選中部分構件可單獨顯示進行局部展示，并且能進行消隱或者透明顯示操作（以便顯示內部鋼筋）；能夠將鋼筋和預應力鋼筋整體呈現、局部呈現、單根呈現。

（二）隧道與橋梁工程仿真施工模塊

仿真施工模塊包括橋梁工程施工、隧道工程施工、測量工程、路橋檢測等模塊的仿真學習模式、教學模式、考評模式。

軟件界面左上角工具欄為主要功能區，具備工具箱、資料庫、視頻庫等功能，提供仿真項目實施時所需要的材料、工具、施工方案、圖紙、各種記錄和視頻等其他資料，如圖1所示。工具欄簡介如下：

1.工具箱：系統工具箱中存放此次仿真程序中所需要用到的工具，主要根據性能以及使用方面的不同分別存放在材料庫、設備庫、工具庫三個庫中。

2.資料庫：資料庫是在施工過程中需要簽署或者遵守的一些規章制度等文件，以保證整個項目可以安全、有序地進行下去，資料庫中的內容可細分為四個類型，每個類型都存放著相應的文件，具體可歸納為施工方案、圖紙、記錄（安全交底記錄、技術交底）。

3.視頻庫：視頻庫中詳細地通過視頻動畫方式全面地演示了施工的整個過程，可以使學生更加透徹、清晰地了解施工流程以及注意事項。

4.題庫：題庫為針對本施工系統模塊的學習內容，做一個簡單的回顧復習，以此來測試對本章內容的掌握程度，達到加深記憶的目的。

5.在線平臺：在線平臺可鏈接到在線學習管理平臺系統。界面詳細介紹了考試學習系統安裝的整個操作指南，可供教師學員參考。功能為便于學生的學習進度、個人信息管理以及交流溝通的便捷。平臺分為管理端和學員端，可根據需求進行登錄。

6.視角切換：視角切換主要根據不同的視角展現操作界面。可以從不同角度更加全面、準確地觀察到操作細節，便于操作。

7.模式切換：隧道超前小導管支護施工系統中，模式切換主要分為三種，分別為仿真模式、教學模式、考評模式。下面將各個模式需要注意的操作事項進行詳細說明。

仿真模式下，有語音提示，且需根據提示獲取工具，點擊可進入下一步操作，需按照工序操作，不可隨意跳轉。教學模式下，有語音提示，無須獲取工具，點擊即可進入下一步操作工序，且可隨意跳轉。考評模式下，無語音提示，需正確獲得工具，點擊即可進入下一步操作，需按工序操作，不可隨意跳轉。設有題庫來測試對內容的掌握程度，達到加深記憶的目的。可根據自己的學習計劃內容自由導入或導出資料。

8.導入/導出資料：可根據自己的學習計劃內容自由導入或導出資料，導入時更改文件為資料庫中相同的名稱，便可替換之前的資料。

9.輔助工具箱：在該施工任務中將從工具庫中取到的材料、工具放置在工具箱內，方便操作，同時方便了解該任務中所需用到的各種材料、工具，一目了然，如圖1左下角所示。

（三）虛擬項目部與隧道漫游模塊

主要包括隧道洞口漫游、隧道內部漫游、拌合站漫游、鋼筋加工廠漫游、項目部漫游等6個模塊。本軟件統一運用了手動漫游系統，學生可以第一視角在隧道周邊和隧道內漫游，在需要了解的各結構部位設置明顯標記，學生點擊后可學習隧道的組成及各結構的特點等相關知識。如點擊鋼拱架，可顯示鋼拱架的作用及組成；點擊噴射混凝土，可顯示噴射混凝土的作用及施工圖片。

為了使操作的過程更明了地呈現出來，特意添加了動畫展示的視角，當前期獲取完資料以后進入動畫節點的展示時，可以按下鍵盤“R”動畫視角鍵位來切換成動畫展示模式。

（四）隧道事故仿真VR體驗模塊

隧道事故仿真體驗系統主要是以三維的方式模擬隧道洞口仰坡坍塌、洞頂塌方、突水突泥、瓦斯爆炸、隧道內火災、機械傷害等場景。并實現事故現象發生時，模擬在現場看到事故、有人受傷、出現死亡三種場景，同時系統需帶有逼真的隧道外工地三維場景，可以實現對工地的三維查看和漫游。

隧道事故仿真體驗系統能夠使體驗者身臨其境地感受實際生活中難以體驗的場景。多感知性、交互性、真實性能夠給予體驗者深刻的印象，強化體驗者對隧道施工中安全事故的感性認識，從而有效避免隧道施工中事故的發生。

其中，多感知性指的是除了具有視覺感知外，還有聽覺、觸覺及運動感知。交互性指的是體驗人員可以對軟件模擬環境中的物體進行交互，如可拿起滅火器滅火。真實性指的是軟件模塊真實模擬現實世界物理運動。

二、隧道與橋梁工程虛擬仿真實訓系統的教學優勢

（一）設計了全方位系統化的實訓項目來滿足多項實訓需求

1.在橋梁識圖模塊，把空心板梁橋和T梁橋兩種橋型的上部結構、下部結構、橋面系所有結構都展示了出來，展示包含外形3D構造和內部鋼筋3D構造。可滿足橋梁構造、識圖實訓等課程的教學及實訓。

2.在施工能力訓練模塊，共有橋梁施工、隧道施工、道路施工、路橋檢測等模塊的58個施工技能訓練項目，系統地涵蓋了典型橋梁、隧道、道路施工的整個施工流程，可以滿足橋梁施工、隧道施工、公路施工、公路檢測、施工實習等課程的教學及實訓要求。

3.在虛擬項目部與隧道漫游模塊，包含隧道洞口漫游、隧道內部漫游、拌合站漫游、鋼筋加工廠漫游、項目部漫游等6個模塊，還原了隧道的施工現場。讓學生身臨其境地體驗施工現場，可滿足認識實習的需求。

4.在隧道事故仿真VR體驗模塊，包含隧道常見的6項事故，可滿足施工安全課程“隧道”部分的教學及實踐。

而這些項目在實際中受到場地、資金等的限制，往往不能開展，形成了重理論、輕實踐的情況，而有了系統化的虛擬仿真軟件之后，可以把技能訓練貫穿于從課程教學到實踐教學的各環節，全面培養學生的技能。

（二）高仿真動畫展示標準施工工藝，以對接行業標準

依托于真實工程，3D還原出橋隧工程典型結構及構件的標準施工工藝。采用高仿真動畫的方式展示施工細節，并以文字和語音加以解說，重現施工場景。工藝流程按照國家規范、施工工藝標準施工，根據所提供的施工圖紙真實還原施工步驟，做到了教學過程與行業標準與規范的對接。

（三）采用游戲通關的方式進行施工能力訓練，以提升學習興趣

施工工藝展示模塊遵循分項工程結構展示→施工準備（場地準備、資源準備和技術準備）→施工流程→操作步驟的任務表達方式，進入單個任務模塊下進行學習操作時，操作任務本身需以案例工程為依托，結合標準的現場施工工藝流程，以具體化施工步驟的方式進行，學生必須調取系統為當前任務所配置的施工機具、材料，工具與材料放在相對應的位置才能進行下一步，而且每成功地做完一步會得到相應的分數，最終一步一步完成該項施工操作任務。在切換到考評模式時會出現該項目所用到的試題，答完試題后關閉試題，然后進行動畫操作。操作完提交成績可以得出在考評模式下所得到的相應分數。這有點類似于通關游戲，學生完成后會比較有成就感，也能提高學生的實訓興趣。

同時在進行每個任務時，可以點擊“工作內容”“崗位職責”按鈕查看該任務工作內容及其崗位職責（用文字信息展示現場施工技術人員崗位職責，包括技術員、安全員、試驗員、測量員、資料員等），做到了技能訓練與崗位職責的對接。

（四）立體化多視角展示結構構造，以幫助學生理解復雜結構

軟件采用三維仿真技術，按照實際工程等比設計，依照圖紙模擬出橋隧結構3D模型，真實再現施工場景。提供放大、縮小、旋轉、點選漫游等功能，在典型位置提供構建模型內部剖切圖。提供構件列表或構件樹形菜單，可按構件名稱快速查找和選擇構件，選中部分構件可單獨顯示或進行局部展示，并且能進行消隱或者透明顯示操作（以便顯示內部鋼筋）。能夠將鋼筋和預應力鋼筋整體呈現、局部呈現、單根呈現。在識圖實訓和施工實訓環節，點選漫游可以有助于學生理解橋梁、隧道等復雜結構的立體構造及內部鋼筋的構造，幫助學生更容易看懂施工圖紙。

（五）借助VR技術使學生身臨其境體驗工程事故，以增強安全意識

隧道事故仿真體驗系統主要是以三維的方式模擬隧道洞口仰坡坍塌、洞頂塌方、突水突泥、瓦斯爆炸、隧道內火災、機械傷害6種事故場景，能夠使體驗者身臨其境地感受實際生活中難以體驗的場景。這種猶如親臨現場的災難場景給體驗者極大的沖擊，加深體驗者對隧道施工中安全事故的感性認識，從而產生敬畏之心，在工作中能有意識地避免隧道施工事故的發生。

三、隧道與橋梁工程虛擬仿真實訓系統在教學中的應用及效果

（一）在公路隧道施工技術課程中的應用

公路隧道施工技術是道路橋梁工程技術專業的一門專業核心課，主要講授隧道結構構造及施工方法。課程總學時50學時，包含課內實訓10學時，在以往課內實訓很難進行，因為隧道工程通常在山區，遠離城市，很難做到去施工現場參觀學習，更不要說施工操作了。所以通常都是采用施工動畫或者工程視頻來輔助理論教學，而學生往往興趣不濃，也無法得到技能訓練。虛擬仿真實訓系統能很好地解決了這一問題。把這10個課時的技能訓練安排為虛擬仿真實訓，在課內就可以進行。實訓項目有隧道漫游、隧道超前支護管棚施工、隧道淺埋暗挖超前小導管施工、隧道開挖、隧道爆破施工、洞口爆破安全防護施工、通風施工、明洞施工、初期支護施工、二襯支護施工10個項目的技能訓練。涵蓋了從隧道結構認識到開挖、爆破、支護的方方面面，全面訓練了學生的技能，加深了學生對知識的掌握，提升了學生的學習興趣，取得了良好的效果。

（二）在橋梁施工技術課程中的應用

橋梁施工技術是道路橋梁工程技術專業的一門專業核心課，主要講授橋梁結構施工方法。課程總學時50學時，包含課內實訓10學時，與隧道工程一樣，橋梁工程往往也遠離城市，即使周邊有在建橋梁可以參觀學習，也只是某一種橋型，無法得到全面的技能訓練。但是利用虛擬仿真實訓系統，可以開設從下部結構到上部結構再到橋面系的各種橋型的16個項目的技能訓練。如樁基礎施工、擴大基礎施工、橋墩大體積混凝土施工、懸索橋錨錠施工、橋墩施工、橋梁預制與吊裝、后張法預應力梁施工、先簡支后連續橋梁體系轉換、水泥混凝土橋面施工、懸索橋主塔施工、斜拉橋主塔施工、懸索橋懸索系統安裝施工、合攏段施工橋面系轉換、斜拉橋斜拉索及主梁施工等，從使用效果來看，這些項目全面訓練了學生的實踐技能，取得了良好的效果。

（三）在橋梁構造課程中的應用

橋梁構造是道路橋梁工程技術專業的一門專業核心課，主要講授橋梁結構構造。課程總學時50學時，包含課內實訓10學時。橋梁結構由上部結構、下部結構、橋面系統組成，結構構造復雜，橋型多樣，內部鋼筋更是復雜。如果只是看一些視頻學生也可以理解外部概貌，但是無法理解內部的鋼筋構造。如果學生不懂內部鋼筋構造，就很難看懂施工圖，這樣可能會讓學生失去學習興趣。而虛擬仿真實訓系統的識圖模塊，就可以解決這一問題。識圖模塊主要包含空心板橋和T梁橋兩種典型橋型。不僅展示外部結構，而且展示內部的鋼筋。提供放大、縮小、旋轉、點選漫游等功能，能夠將鋼筋和預應力鋼筋整體呈現、局部呈現、單根呈現。學生可以邊看圖紙邊操作軟件看立體圖，非常有助于理解復雜的結構，可以提高學生的學習興趣及識圖能力。

（四）在安全工程課程中的應用

安全工程是道橋專業的一門專業拓展課，在以往教學中，全部為理論教學，但是施工安全對每個工程人來說都是極其重要的。而隧道工程是事故發生概率較高的工程，一般也很難體驗到真正的事故現場。因此，建設了“隧道施工事故VR仿真體驗模塊”，并安排了2學時讓學生進行事故仿真體驗。體驗內容為隧道洞口仰坡坍塌、洞頂塌方、突水突泥、瓦斯爆炸、隧道內火災、機械傷害6種場景。體驗需要佩戴VR眼鏡，學生身臨其境感受實際生活中難以體驗的場景，反應相當激烈，這種強化的體驗能讓學生對隧道施工中安全事故的印象非常深刻，從而產生敬畏之心，這就能很好地避免隧道施工中事故的發生，教學效果良好。

（五）在認識實習課程中的應用

認識實習是道路橋梁工程技術專業的學生在學習專業課程之前開設的一門實訓課。一般為一周時間，主要是外出觀看認識道路、橋梁、隧道等工程的結構。一般都是在市區內或者相鄰的縣市去參觀。道路工程、橋梁工程很容易找到參觀地點及各類形式，學生在參觀完會得到比較全面的認識。但是隧洞工程就不一樣了，首先地點比較遠，其次隧道內部不能停留，一個隧道坐在車內幾分鐘就過去了，基本達不到認識的效果，這一直是認識實習的短板。有了隧道與橋梁工程虛擬仿真實訓系統，這一問題就得到了很好的解決。在虛擬項目部與隧道漫游模塊，可實現隧道洞口漫游、隧道內部漫游、拌合站漫游、鋼筋加工廠漫游、項目部漫游等，可點擊銘牌查看各部分的構造，而且洞內還分段展示了隧道內部的噴射混凝土、二次襯砌、鋼筋、鋼拱架等的構造。學生實訓完不僅對整個隧洞施工現場有全面的認識，而且對隧道的結構組成有清楚的認識，學習興趣濃厚，效果良好。

除了上述課程，虛擬仿真實訓系統還在圖紙識讀實訓、施工綜合實訓、公路檢測實訓、公路施工實訓、測量實訓中起到了舉足輕重的作用，尤其是在無法外出實習的情況下，虛擬仿真實訓系統解決了很多實訓難題。另外，在我校開展的對外培訓中，虛擬仿真實訓中心也發揮了很大的作用，比如實訓中心承擔了我區承辦的“一帶一路”發展中國家基礎設施研修班的部分培訓任務，學員對我校的虛擬仿真實訓系統興趣很濃，收獲了多國學員的好評。

四、結語

本文介紹了我院建設的隧道與橋梁工程虛擬仿真系統的四大模塊內容與功能，即橋梁識圖模塊、橋隧施工仿真模塊、虛擬項目部與隧道漫游模塊、隧道事故仿真VR體驗模塊；分析了虛擬仿真實訓系統在教學中具有的五大優勢，即全方位系統化的實訓項目、高仿真動畫展示的標準施工工藝、通關游戲的訓練方式、立體化多視角的結構展示、身臨其境的體驗方式；總結了虛擬仿真系統在隧道施工、橋梁施工、橋梁構造、安全工程、認識實習等多門課程教學中的應用及產生的良好效果。證實了虛擬仿真實訓系統在高職學生技能訓練方面的優勢。本文可為職業院校實訓教學方式的選擇提供參考，也可為職業院校高素質技術技能人才的培養提供思路。

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◎編輯 鄭曉燕