基于虛擬仿真的土建施工類課程教學方法深度研究＊

李 超 余佳芯 （綿陽城市學院，四川 綿陽 621000）

土建施工類課程如《土木工程施工技術》《建筑工程施工技術》是土木工程、工程管理、工程造價專業(yè)的必修課程及專業(yè)核心課程，該類課程包括了土方工程、基礎工程、砌筑工程、混凝土結(jié)構工程及裝飾裝修工程等施工內(nèi)容，其中，重點是基礎工程、混凝土結(jié)構工程等的施工。該課程既有理論性又有實踐性，學生通過該課程的學習可以對建筑工程項目的施工工藝有更深入的了解和認識。但由于傳統(tǒng)的教學方法主要以課堂授課為主，而該課程知識點多、理論性強，學生容易出現(xiàn)厭學情緒。因此，傳統(tǒng)教學方式已無法滿足現(xiàn)代土建類專業(yè)學生培養(yǎng)目標的要求，因而將虛擬仿真技術引入該課程的教學中是非常有必要的。

虛擬仿真技術是指通過計算機等現(xiàn)代化設備來模擬各種現(xiàn)實場景，使學生身臨其境地進行操作。在虛擬仿真技術中，虛擬現(xiàn)實技術具有與真實世界相似的外觀和交互行為，并且可以在虛擬環(huán)境中完成仿真操作。因此，將虛擬仿真技術引入到土建施工類課程教學中具有非常重要的意義。

1 課程特點與教學目標

土建施工類課程是土木工程、工程管理、工程造價等專業(yè)實踐性很強的核心課程，該課程主要研究土木工程施工中各分部分項工程的施工技術、施工方案質(zhì)量保證措施及有關施工機械的選擇與應用，具有綜合性強和實踐性強的特點，涉及工程施工技術領域的方方面面，課程內(nèi)容豐富、知識面廣，對學生的理論知識和實踐能力要求很高。凡從事土木工程相關的行業(yè)均需懂得施工，凡參與工程建設的人員都應具備相關的知識和技能，其在整個工程建設中起著關鍵性的作用。通過本門課程的學習，應掌握土木工程施工的基本知識及基本規(guī)律，能夠分析和解決土木工程施工中有關施工技術問題。本課程的培養(yǎng)目標為：掌握從事工程結(jié)構設計、施工實施組織、預算和管理工作的理論知識；具有施工階段的現(xiàn)場管理、安全、材料、設備、質(zhì)量管理等能力。學生應達到的具體能力目標：掌握土木工程施工的基本知識及基本規(guī)律；掌握從事工程施工實施組織和管理工作的理論知識；具有施工階段的現(xiàn)場管理、安全、材料、設備、質(zhì)量管理等能力；具有分析和解決土木工程施工相關問題的基本能力。

基于虛擬仿真技術下的土建施工類課程課程教學方法主要分為理論知識與實踐教學兩部分，該課程采用理論與實踐相結(jié)合的教學方法，通過虛擬仿真軟件對土木工程施工過程進行模擬，通過理論和實踐相結(jié)合的方式進行教學。

2 教學方法深度研究

本課程在傳統(tǒng)教學的基礎上，結(jié)合虛擬仿真軟件開展教學。教師在某實際工程各分部分項工程的理論教學上向?qū)W生展示虛擬仿真軟件中相對應的工藝流程、施工要點、質(zhì)量要求等信息，讓學生身臨其境地掌握到所學知識。同時，這些內(nèi)容直接與規(guī)范掛鉤，與強制性條文接軌，在學習知識的同時對枯燥乏味的規(guī)范也有了形象生動的理解。學生在課堂上對同一項目的各部分項工程進行觀摩和實踐，使學生對施工有一個系統(tǒng)全面的認識。教師通過探究式教學法、案例分析法、啟發(fā)式教學法、溝通交流法、對比分析法，引導學生思考并及時了解學生對課堂知識的掌握情況，根據(jù)學生在課堂上的表現(xiàn)情況進行分析，并在下一次課前布置下節(jié)課的理論預習與內(nèi)容。這樣可以提高教學效率，充分利用有限的時間達到教學目標。通過這樣的方式可以激發(fā)學生學習興趣、增強學生實踐能力，同時也提高了學生學習效果。教師可以根據(jù)實際情況對虛擬仿真軟件中的模型進行修改，從而使模型更符合工程實際情況。下面以施工技術部分重要章節(jié)的重難點為例介紹課程教學方法。

2.1 土方工程施工

本章節(jié)主要包含土的工程分類及性質(zhì)、場地平整、土方開挖、排降水、土壁支護、土方機械化施工和土方填筑與壓實。其中，場地平整的土方量計算既是重點也是難點，同時該部分內(nèi)容比較抽象且較難理解。此時，教師可利用啟發(fā)式教學法引導學生思考為什么要進行場地平整，從而引入場地設計標高H0的概念、重要性以及確定原則。隨后利用虛擬仿真技術（圖1），采用案例式教學法進行某施工現(xiàn)場場地平整工作，模擬劃分方格網(wǎng)的真實場景以及利用水準儀確定各方格網(wǎng)角點高程的過程，再按挖填平衡原則引導學生一步一步推出計算設計標高H0=（H1+2H2+3H3+4H4）/4N的公式，而不是直接把公式拋給學生，這樣推出的公式更有利于學生對場地平整施工工藝及其對應公式的理解，避免學生對公式死記硬背，到真正的場地平整現(xiàn)場不知措辭的情況發(fā)生。在按挖填平衡原則確定H0知識點結(jié)束后，立即以習題形式組織學生開展訓練，以進行知識強化。訓練完成后采用探究式教學法引導學生思考，根據(jù)挖填平衡計算的設計標高是一個水平面的標高，但場地內(nèi)各方格網(wǎng)角點實際設計標高在實際施工中要受到泄水坡的影響，需要根據(jù)泄水坡度的要求（單坡泄水或雙坡泄水）進行計算，此時又出現(xiàn)了抽象難理解的局面。因此，教師可繼續(xù)利用虛擬仿真技術身臨其境地展示由于泄水坡的出現(xiàn)導致整個場地產(chǎn)生的變化，一旦學生形象地理解了這個變化，便能通過i=△h/l的簡單公式得到因泄水坡引起的高度變化△h，從而確定因斜水坡產(chǎn)生的各方格網(wǎng)角點實際設計標高Hn。后續(xù)再接著利用虛擬仿真技術動態(tài)操作求得各方格角點的施工高度hn（場地設計標高Hn－自然地面標高H）、繪零線（利用相似三角形求零點后連線）、挖填土方量計算（平均高度法）以及求運距（實際工程取形心之間的距離）的過程，并結(jié)合習題強化計算和繪零線的方法。通過以上方式可讓學生既能一步步得出該場地的挖方區(qū)、填方區(qū)及其運距，還能形象理解、固化知識、強化計算方法，同時，為下一講的后續(xù)工序土方調(diào)配提供計算條件。

圖1 場地平整虛擬仿真

2.2 基礎工程施工

本章節(jié)主要包含地基加固處理、淺基礎施工、預制樁施工、灌注樁施工，以上的施工均發(fā)生在地下，學生平時很少有機會見到實體，土方回填后更無法接觸到相關內(nèi)容，課堂上僅通過圖片、視頻很難全面展示相關施工工藝與施工要點。

以本章中較為抽象的泥漿護壁成孔樁為例進行基于虛擬仿真技術的教學方法闡述，如圖2所示。教師可采用啟發(fā)式教學法引導學生思考，當進行灌注樁施工遇到含水量高的軟土地區(qū)時，提出用上一講課學習干作業(yè)成孔灌注樁能否施工的問題讓學生思考。當學生通過思考否定后，便引出今天將學習的泥漿護壁成孔樁并介紹泥漿護壁成孔是用泥漿保護孔壁、防止塌孔和排出土渣而成孔，成孔機械有回轉(zhuǎn)鉆機、潛水鉆機、沖擊鉆等，其中，以回轉(zhuǎn)鉆機應用最多，根據(jù)泥漿循環(huán)方式的不同，分為正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機和反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機。無論正循環(huán)還是反循環(huán)的施工流程僅通過圖片和描述學生是很難理解的，便需要利用虛擬仿真技術先展示正循環(huán)泥漿由鉆桿內(nèi)部注入、從鉆桿底部噴出，攜帶鉆下的土渣沿孔壁向上經(jīng)孔口帶出并流入沉淀池，沉淀后的泥漿流入泥漿池再注入鉆桿，由此進行循環(huán)的情境，以便學生能夠形象地理解。接下來采用探究式教學法，讓學生根據(jù)正循環(huán)工藝試著描述反循環(huán)的施工工藝，此時部分學生便能通過探究思考找到答案。為了驗證學生的描述，此時便繼續(xù)利用虛擬仿真技術展示反循環(huán)泥漿由鉆桿與孔壁間的間隙流入鉆孔，由砂石泵在鉆桿內(nèi)形成真空，使鉆下的土渣由鉆桿內(nèi)腔吸出至地面而流向沉淀池，沉淀后再流入泥漿池，形成反循環(huán)的情境，讓學生得到自我認同的同時將知識固化。隨后采用對比分析法讓學生對正循環(huán)和反循環(huán)進行對比分析，從而得出兩個方式的差別和優(yōu)劣。最后，采用總結(jié)歸納法，讓學生根據(jù)所學的正反循環(huán)工藝總結(jié)歸納出泥漿護壁成孔樁中泥漿的作用是什么，從而歸納出保護孔壁、防止塌孔、排出土渣及冷卻與潤滑鉆頭的措施。最后，提出趣味問題泥漿護壁成孔樁中的泥漿究竟是什么讓學生思考，得出由高塑性黏土或膨潤土和水拌合的混合物的答案。通過以上多種教學方法并穿插虛擬仿真技術的形式，可以使課堂環(huán)節(jié)豐富多彩，學生學習興趣濃厚，并實實在在讓學生全面掌握所學知識。

圖2 泥漿護壁成孔樁虛擬仿真

2.3 混凝土結(jié)構工程施工

本章節(jié)主要包含鋼筋工程、模板工程、混凝土制備及運輸、混凝土成型及養(yǎng)護等，是整門課程中最重要的章節(jié)，其中，鋼筋工程則是本章中相當重要且難度較高的部分，掌握鋼筋工程對以后的工作至關重要。因此，接下來以鋼筋工程中的鋼筋下料長度為例進行基于虛擬仿真技術的教學方法闡述。首先可通過實物圖片展示鋼筋彎曲和鋼筋彎鉤，通過啟發(fā)式教學法讓學生知道根據(jù)規(guī)范、圖集等要求鋼筋需要進行彎曲和形成彎鉤，而將運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的直線鋼筋在什么長度切斷才能準確地彎曲成符合要求的形式是值得思考的問題，從而引出鋼筋下料長度的計算。鋼筋因彎曲或彎鉤會使其長度發(fā)生變化，配料中不能直接根據(jù)圖紙尺寸下料，同時還必須了解混凝土保護層、鋼筋彎曲、彎鉤等規(guī)定，才能根據(jù)圖示尺寸計算其下料長度。此時，便可通過虛擬仿真技術展示鋼筋彎曲后的變化，再采用歸納法總結(jié)出變化的特點，即在彎曲處形成圓弧，且外壁伸長、內(nèi)壁縮短，軸線長度不變，從而讓學生深刻地掌握此變化。接下來結(jié)合理論與工程實際，讓學生知道鋼筋的量度方法是沿直線量外包尺寸，所以彎起鋼筋的量度尺寸必定大于下料尺寸，而兩者之間的這個差值便稱為彎曲調(diào)整值。接著再采用探究式教學法，以90°彎曲為例，帶著學生利用以上彎曲變化原理推算出90°彎曲的調(diào)整值。隨后，可同理采用以上教學方法開展鋼筋彎鉤增加長度的教學，并通過實際例題組織學生根據(jù)彎曲調(diào)整值和彎鉤增加長度開展鋼筋下料長度的計算以固化知識。最后，運用虛擬仿真技術展示由直線鋼筋加工成箍筋的過程，再運用探究式教學法和對比分析法讓學生通過對彎曲和彎鉤的分析對比計算出箍筋的下料長度，讓學生進一步掌握彎曲、彎鉤及其關系。一旦學生能夠推出，便能深刻理解鋼筋彎曲的變化以及該變化產(chǎn)生的彎曲調(diào)整值的計算與選用，做到不僅會用數(shù)據(jù)，還知道數(shù)據(jù)的具體由來，從而使所學知識得到升華。

3 課程改革成效

通過開展基于虛擬仿真的土建施工類課程教學改革，并對245名學生進行滿意度問卷調(diào)查，結(jié)果見表1。

表1 基于虛擬仿真的土建施工類課程教學改革問卷平均分（百分制）

通過問卷數(shù)據(jù)分析，由于教學內(nèi)容形象生動、教學方法豐富多樣，評分均在95 分以上。但由于新技術的加入，對教師課堂的教學組織和課程的進度上有一定的影響，該兩項分值均在90分以下，老師還需進一步熟悉虛擬仿真軟件的操作以及與常規(guī)教學內(nèi)容的銜接，以確保教學組織井井有條，教學進度與開課計劃相匹配。總體來講，學生對加入虛擬仿真后的教學評價均在85分以上，整體滿意度較高。

現(xiàn)將虛擬仿真技術在教學改革中的成效總結(jié)歸納在以下幾個方面：①使學生建立了空間概念，幫助學生理解了概念，培養(yǎng)了學生的空間想象力；②讓學生在有限的時間內(nèi)了解了整個施工過程，提高了學習效率，豐富了學習內(nèi)容，使教學內(nèi)容更加生動有趣；③讓學生能夠身臨其境地體驗施工現(xiàn)場，增強了實踐操作效果；④使學生認識到施工過程的艱辛，從而更加珍惜現(xiàn)在所擁有的學習條件和生活條件；⑤幫助學生理解了復雜抽象的理論知識，通過動手操作將理論知識與實踐操作緊密結(jié)合起來；⑥幫助學生進行學習過程的自我評價，通過對自己學習成績的分析和對比，了解學習中的長處與不足；⑦激發(fā)了學生的學習興趣和創(chuàng)新能力；⑧讓學生對自己所學過的知識進行深入研究和分析，從而培養(yǎng)他們的獨立思考能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

4 結(jié)語

土建施工類課程是實踐性很強的專業(yè)核心課程，為了更好地培養(yǎng)學生的實踐能力，提高學生的學習興趣，從虛擬仿真軟件入手，以理論和實踐相結(jié)合的方式進行教學。在虛擬仿真教學中，采用案例分析法、對比分析法、觀察法和總結(jié)歸納法等教學方法，培養(yǎng)了學生的學習興趣和創(chuàng)新能力。通過將虛擬仿真軟件應用于土建施工類課程課程的教學中，將抽象、枯燥的理論知識轉(zhuǎn)化為形象生動、直觀的仿真項目，使學生能更好地理解并掌握理論知識。虛擬仿真軟件是一種很好的輔助教學方法，其目的在于提高學生對專業(yè)知識的學習興趣，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、創(chuàng)新思維等綜合能力。在今后的教學實踐中，將繼續(xù)探索虛擬仿真軟件在土建施工類課程課程中的應用，綜合運用各種教學方法提高學生學習興趣和教學效果，在更新教學內(nèi)容、完善教學方法和考核方式等方面進行深入研究。