基于數字孿生技術的課程教學改革

摘" 要：砌體結構是土木工程專業的重要課程之一，數字孿生技術在課程實踐教學中的應用，能夠促進新時代大學教育的發展，具有重要意義。文章首先簡要介紹了數字孿生技術的概念，然后探討了砌體結構課程的特點和現狀，詳細論述了情境教學方法的應用和課程教材的改進和更新、融入了基于數孿技術設備的實踐性教學和多元化的大數據評價，探討了校企同頻接軌、賽教結合的教學改革新方法。最后，基于數字孿生技術的實踐性教學方法先進性、適用性較強，指出數字實體指導物理實體的“真實映射”能使課程教學更具備趣味性，值得在土木工程專業課程教學中推廣。

關鍵詞：數字孿生技術；砌體結構；教學改革

中圖分類號：G640" "文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2024）05-0057-04

基金項目：廣東省科產教融合實踐教學基地（項目編號：CXQX-ZL202103）；教育部產學合作協同育人項目（項目編號：220903 818194105）。

作者簡介：寶鼎晶（1992—），女，碩士，廣東白云學院建筑工程學院工程師，研究方向為數字建造與虛擬裝配；雷穎（1993—），女，碩士，廣東白云學院建筑工程學院工程師，研究方向為數字建造與裝配式建筑。

黨的二十大報告指出：“全面建設社會主義現代化國家，最艱巨最繁重的任務仍然在農村。”中國作為農業大國，鄉村人居環境的發展直接關系到鄉村振興戰略的實施。目前，國內村鎮地區主流建筑結構仍以造價低廉、施工方便的砌體結構為主。

砌體結構課程是土木工程專業大三年級開設的一門重要專業課，因其實踐性較強，傳統的講授法已不利于學生認識砌體結構的形象［1］。隨著數字化進程的發展，數字孿生技術可融入課堂，通過虛實結合的新模式，讓學生對砌體有感性認識，有效幫助學生理解課程內容。

數字孿生技術是指在虛擬世界構建與現實物體相對應的虛擬物體，實現對現實物體的實時性能展現。數字孿生技術通過現實物體和虛擬物體的實時映射，實現對現實物體的性能提升和優化。隨著信息技術在建筑行業的應用和融合，數字孿生技術為建筑行業虛擬與現實的交互提供了技術支撐［2］。

數字孿生技術可以將砌體結構構件（如磚柱、石板梁、砌塊墻等）的實體屬性、結構構件、承載力狀態、力學性能、使用功能和動態行為映射到虛擬世界，形成真實度很高的動態化多維度、多尺度、多物理模型，實現虛實結合，雙向真實映射、即時連接與交互。

一、砌體結構課程特點與現狀

砌體結構課程是土木工程專業中的一門重要課程，主要涵蓋砌體的組成材料與性能、砌體構件承載力計算、混合結構房屋砌體墻的設計、避免墻體開裂構造措施和砌體結構的抗震設計等。

（一）綜合性和實踐性強

砌體結構的各個部分內容密切相關，材料強度和受壓性能決定了構件的承載力，構件承載力計算是砌體結構房屋墻體設計的基礎，減輕砌體結構房屋墻體開裂的措施和抗震設計是砌體結構房屋結構安全設計的要求。該課程內容在實際工程中應用廣泛，如混合結構房屋，就是人們常說的“磚混結構”。目前，隨著混凝土材料的普及，砌體材料在國內外大中型城市鮮有出現，但在較多農村地區的低層住宅或工業廠房中，還有很多混合結構房屋或砌體結構構件的應用案例。例如普通磚材料砌筑的矩形泳池墻壁，高度為H，水的密度為ρ，在受到泳池內的水壓力時，墻壁內部會產生一定的彎曲內力，將此工程實例轉化為力學模型，即為懸臂梁受到三角形均布荷載的計算模型。因此，其內部的彎拉內力即為M=1/6qH3，當驗算該泳池的受彎性能時，若承載力不足，即受彎承載力計算結果為時，該如何解決這一具體問題呢？也就是說，當利用砌體結構受彎承載力公式M≤ftwW進行驗算時，該計算結果不符合結構抗力ftwW大于外荷載效應M的結構設計原理時，該如何處理呢？回到具體問題本身，砌體材料砌筑的池壁，高度H是一定的，要想保證池壁的高度不變，就是外荷載在池壁內部的內力不變，只能改變砌體的強度設計值或是截面抵抗矩。在公式當中很容易找到強度設計值f受組成磚砌體的砂漿和磚材料影響，也能找到截面抵抗矩W可以通過加厚墻壁來提高。通過改變池壁的厚度或是改變池壁的強度設計值來提高砌體結構構件的彎曲抗拉強度，讓結構滿足承載力要求時，充分體現了砌體結構這門課具備實踐性和綜合性的特點。

（二）設計計算公式難以理解

砌體結構這門課作為土木工程專業的必修專業課，教材中有大量的計算公式、表格需要學生認識、理解、會用。例如無筋砌體的局部受壓模型中為什么有效支撐長度比接觸長度要小，拱過梁的剪壓承載力計算公式為什么會有正應力的影響，配筋砌塊砌體的大偏心、小偏心受壓模型有什么區別。墻梁的施工階段受力轉換等問題，僅僅依靠背誦、記憶計算公式不行，學生在沒有接觸過實際工程前，很難形成形象的認識，很難學懂計算公式，更無法從感性上學會該公式。因此，砌體結構這門課就需要多一些實踐性的案例、實踐性的操作來引領，加深理解。

（三）構造措施的優化不被重視

砌體結構構件組成的混合結構房屋當中，最常出現的病害就是裂縫。例如溫度變化和地基不均勻沉降容易導致砌體結構房屋出現墻體開裂的問題，常用的解決方案是設置伸縮縫和沉降縫以減輕墻體的裂縫，通過設置圈梁、構造柱保證砌體結構房屋的整體性。然而，這些構造措施在工程中僅滿足了設計、施工的最低標準，亟待優化。

（四）教學評價模式單一

傳統的砌體結構課堂教學評價僅限于每學期期末的測試成績，無法充分體現學生的綜合能力。在以往的實踐性教學中，對學生實踐性學習效果的評價一般是在學期末進行考試，一張試卷定成績，這類評價方式往往只有目標評價，缺少了過程評價，忽視了學生的綜合能力發展。

二、砌體結構課程教學改革新方法

針對砌體結構課程的特點和現狀，以及土木工程專業的培養要求，本研究提出以下課程教學改革的新方法：

（一）普遍采用情境教學和項目教學法

砌體結構課程具有綜合性和實踐性較強的特點。僅僅通過講授理論知識和公式推導的方式進行教學，會降低學生的學習興趣。因此，在砌體結構課程教學中，應該注重培養學生的理論聯系實踐意識，強化課程設計。

引入工程實例輔助課堂教學，展開情境教學，提高教學質量。例如可以在課堂上提出問題，在本校區內建設一座以砌體材料為主要承重構件的房屋，如何驗算該砌體結構房屋的磚墻和磚柱的承載能力，本校區內新建的一座砌體結構房屋墻體出現較多裂縫，如何進行修復，能夠采取什么樣的修復措施。

開展項目教學，提高學生的實踐能力。在一學期的32學時中，至少應安排4-6學時的內容進行真實工程案例的課程設計。只有通過真實案例的實戰性項目訓練，學生的綜合技能才能不斷提高，促進學生從學校到企業的無縫轉換。

（二）與企業需求同步更新，改進課程教材

為適應區域經濟發展規劃，高等院校需要提前對區域發展的產業結構、人才需求進行調查研究，專業教學與產業布局發展規劃保持一致。新課程體系的建設需要及時引入新知識、新工藝，促進專業教學內容，課程教材要與企業需要同步更新，與行業前沿發展方向相適應，以形成“產教融合、以產養教”的良性循環。

企業在生產過程中的新產品、新工作方法應及時納入教學過程、課題研發等教育教學環節，促進專業與產業共同發展。在此基礎之上，教材應進行動態調整，及時更新教學規范、行業標準，將新技術、新工藝、工程案例動態地納入教學內容中，引導地方、行業、學校按規定建設工程行業適用教材、校本專業教材等。

（三）基于數字孿生技術的智能平臺加強實踐性教學

為適應新時代大學生的發展特點，教師應推動現代信息技術與教育教學的深度融合，提高課堂教學質量。新型教學智能平臺——“數孿演訓系統”展臺，旨在為學生構建虛實結合的學習環境，也為教師教學的游戲化和人性化提供了可能。

“數孿演訓系統”展臺是一種基于數字孿生技術的實踐性教學智能平臺，它能夠幫助學生進行虛擬協作。相較于傳統的虛擬仿真模型，數字孿生體具有更多的優勢。它可以快速地獲取傳感器數據、模擬特殊條件、精準預測學習結果，并且能夠動態地記錄實時操作。學生可以根據實踐性學習的需要，隨時切換操作狀態。

“數孿演訓系統”展臺可提供4個顯示屏，分別對應項目管理員、構件工藝員、構件裝配員和現場施工員四個角色。多名學生可圍繞數字孿生模型進行操作演習，例如構件工藝員，數字孿生技術支持虛實結合的實訓教學，提供更多動手操作機會，培養學生對建筑施工圖與結構施工圖的理解，幫助學生直觀地確定主筋直徑、預制梁柱的長度截面等。數字孿生技術還可以支持學生進行崗前預演和鍛煉，深入探究問題的關鍵所在，重點培養學生的洞察力和自我認識的深度學習能力。數字孿生技術為裝配式建筑實踐性教學提供了突破傳統空間設備局限性的解決方案，讓離散學習者回歸課堂，形成“人人可實踐”的學習氛圍。數字孿生體的可視化能夠幫助學生判斷操作流程的合理性和及時收到教師的反饋，提高任務完成的質量和效率。

（四）構建多角度多元化教學數據評價體系

為了拓展評價深度，可以采用數字孿生技術的伴隨式評價體系來進行實踐性教學評價。這種評價方式可以提高實踐性課程的考核比例，擴大對學生評價的維度，豐富評價指標，加強評價深度，促使教師不再以主觀感受為主開展教學評價，而是以“數字化的上傳數據”為核心開展智能化評價。教學系統記錄的實時映射數據可以提供可靠有效的反饋，形成“教學—數據評價—計算結果反饋—再教學”的大數據評價體系。

這種評價方式改善了傳統教學中死板的評價方式。基于數字孿生技術的虛實結合學習環境，將教學評價貫穿整個教學過程，采用多元評價方法，注重對學生學習過程的控制與評價。通過綜合實踐系統評價、課堂評價和總結性評價，可以考核具備知識考核和能力考核的雙重功效，以考查學生課程學習的整體效果和教師是否達到了教學目標。這種評價體系充分體現了課程考核的全程化和多元化思想。

（五）引入規范，與企業工作接軌

針對砌體結構課程的實踐性特點，可以采用情境教學、項目教學等方式，不斷改進教材，并利用數字孿生技術的虛實結合學習環境進行實踐性教學。由于砌體結構課程的理論公式和構造要求都將應用于實際工程，因此為增強課程教學的有效性，引入國家規范是一個不錯的選擇。通過教學過程中的規范強化，可以增強學生的責任意識，讓他們在校內就適應按“規范施工”的意識，有助于培養學生的實踐能力和職業素養，更好地為日后的工作做好準備。

在進行砌體結構實際工程時，需要依據相關的規范，如《砌體結構設計規范》（GBJ50003-2011）、《砌體結構工程施工質量驗收規范》（GB50203-2011）以及《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）等。這些規范是建設工程設計和施工的重要依據，也是實踐性教學的主要依據。引入這些砌體結構相關的設計、施工規范，或在教材中指出規范內容，可以讓學生多了解企業工作的依據，幫助他們建立良好的責任意識，與企業工作接軌，縮短學生從學校到社會的適應時間。引入砌體結構課程相關規范，促進學生對基本概念和結構設計原理的深刻理解，更好地實現課程培養目標。如砌體構件全面截面受壓的計算公式N≤φfA，是選自砌體結構設計規范的計算公式，該公式在實際工程中通常用來計算磚柱的承載力。在給學生講解此公式時，教師就可引入案例提升土木工程專業設計與施工的專業素養。

（六）賽教結合，培養學生的實際操作能力

砌體結構課程是土木工程專業的核心課程，實踐性較強。現階段，社會勞動力短缺，高素質技能型人才儲備嚴重不足。為適應這一發展形勢，需要大力支持學生積極參加社會實踐和職業技能大賽，以培養學生的綜合素質和專業技能。

賽、教結合創新人才培養模式要求改變常規的教學形式［3］，賽教結合是指通過職業技能大賽的鍛煉，來培養學生的實際操作能力。長期以來，各高校普遍開展學生學科競賽活動，大學生競賽活動已經成為學生傾慕、學校重視的重要學習和展示平臺之一［4］。對砌體結構課程而言，整個學期共32學時，至少應安排4—6學時的內容進行實際操作訓練。例如，學習砌體結構的局部受壓力學課程，可以指導學生以小組為單位完成比賽。比賽任務可以是砌筑“梁下磚墻”模型或“柱下磚基礎”模型。在課程競賽中，可以引入技能大賽的比賽制度，要求各小組在規定時間內完成相應的任務。比賽完成后，從模型的尺寸、水平、垂直、墻面平整度等四個方面，進行量化評分。同時，對該模型的外觀、施工安全、施工進度、施工總用時等方面進行主觀性評分。最后，將模型量化分析與教師主觀性評分綜合起來，進行統一賦分。除此之外，還可以對砌體結構這門課中的混合結構設計方案，以小組為單位進行比賽。比賽目的是砌筑混合結構房屋的縮小模型，在規定時間內完成相應任務后，開始評分。主要對模型的比例、尺寸，施工過程的工序、工作過程、耗時進行主觀性評分，最后將各部分量化與教師主觀評分綜合起來。

這種基于賽教結合的教學模式，將專業技能競賽與課程教學有機地結合在一起，達到了“以比賽促進教學、以比賽促進探索性學習”的效果，提高了專業教學的趣味性。并且，這種三維培養模式能夠有效促進課程教學創新改革，可以較好地提升學生的創新思維和創新能力，滿足土木工程專業創新型人才培養的需求［5］。

三、結語

砌體結構是土木工程專業的核心課程之一。其中，數字孿生技術在整個砌體結構課程實踐性教學的過程中起著重要的作用。數字孿生技術能夠滿足土木工程專業課程教學改革的實際需求，并與當前的數字化發展進程相適應。在今后的教學過程中，數字孿生技術可以進一步探索專業課程理論教學與實踐教學的融合路徑，推動專業課程教學取得新的突破，更好地適應全社會對土木工程專業人才的最新要求，保證土木工程專業人才的培養質量。

在新一代數字化智能制造相關技術的驅動下，這種實踐性教學能夠實現真實物理空間的實體與模擬信息技術空間內的虛擬實體之間的雙向映射，還能實現即時性交互、上傳數據的教學效果。通過持續調控和迭代，最終優化和提升學生的動手能力，實現物理空間、信息空間和空間服務系統的全要素、全過程、全輸入數據的集成和融合，最終實現智能化實踐性教學。

參考文獻：

［1］ 黃靚，施楚賢. 新中國成立70年來砌體結構發展與展望［J］. 建筑結構，2019，49（19）：113-118+135.

［2］ 王文喜，周芳，萬月亮，等." “元宇宙”技術綜述［J］. 工程科學學報，2022，44（04）：744-756.

［3］ 王小章，趙立波，梁霖，等." "“賽教結合”的創新人才培養模式與實踐［J］. 教書育人：高教論壇，2023（24）：74-78.

［4］ 蒲黔輝，富海鷹，占玉林，等. 基于設計思維的土木工程學科競賽管理體系的建立與更新［J］. 高等建筑教育，2023，32（06）：51-60.

［5］ 吳忠鐵，曹萬智，范萍萍，等. 基于“教-研-賽”的土木工程專業創新能力三維培養模式構建與實踐［J］. 高教學刊，2023，9（20）：49-52.

（薦稿人：唐昀超，仲愷農業工程學院城建學院土木工程系主任，副教授）

（責任編輯：鄒宇銘）