融合虛擬仿真與信息技術的施工技術課程創新教學研究

郭濤 周小龍 鄭顯春

摘要：施工技術課程創新教學研究的目的在于更新課程教學資源，培養學生創新思維，實現了虛擬仿真技術對課程教學過程的優化，激發學生的學習興趣，提升學生解決工程問題的能力。在信息化教學背景下，“云端”教學平臺可以對課程全過程進行評價，形成完整的學習鏈條，激發學生學習的積極性和專注度，從而實現對學生更全面、更公正的評價。為保證課程的教學效果，培養適應課程創新教學的高質量教師隊伍非常重要。融合虛擬仿真和信息技術的施工技術課程創新教學研究有利于培養新時代高等工程人才，為新課程體系的建立提供借鑒。

關鍵詞：虛擬仿真?信息技術?施工技術教學?課程評價

中圖分類號：G642;U445-4

Research?on?the?Innovative?Teaching?of?the?Construction?Technology?Course?Integrating?Virtual?Simulation?and?Information?Technologies

GUO?Tao1，2??ZHOU?Xiaolong1，2??ZHENG?Xianchun1，2

（1.Hebei?University?of?Architecture；2.Hebei?Key?Laboratory?of?Diagnosis，?Reconstruction?and?Anti-Disaster?of?Civil?Engineering，?Zhangjiakou，?Hebei?Province，?075000?China）

Abstract：The?purpose?of?research?on?the?innovative?teaching?of?the?Construction?Technology?curriculum?is?to?update?the?teaching?resources?of?the?course，?train?students?innovative?thinking，?realize?the?optimization?of?the?teaching?process?of?the?course?by?virtual?simulation?technology，?stimulate?students'?learning?interest?and?improve?students'?ability?to?solve?engineering?problems.?Under?the?background?of?information-based?teaching，?the?"cloud"?teaching?platform?can?evaluate?the?whole?process?of?the?course?to?form?a?complete?learning?chain?and?stimulate?students'?enthusiasm?and?concentration?in?learning，?so?as?to?achieve?the?more?comprehensive?and?fair?evaluation?of?students.?In?order?to?guarantee?the?teaching?effect?of?the?curriculum，?it?is?very?important?to?cultivate?high-quality?teachers?who?can?adapt?to?the?innovation?teaching?of?the?curriculum.?Research?on?the?innovative?teaching?of?the?Construction?Technology?course?that?integrates?virtual?simulation?and?information?technologies?is?conducive?to?the?training?of?advanced?engineering?talents?in?the?new?era，?and?provides?reference?for?the?establishment?of?the?new?curriculum?system.

Key?Words：?Virtual?simulation;?Information?technology;?Construction?Technology?teaching;?Curriculum?evaluation

隨著新興技術的蓬勃發展，新一輪技術發展變革驅動著社會向數字化轉型，建筑業面臨著巨大的競爭和轉型壓力。社會需求是工程教育不斷改革發展的原動力，各高校要順應建筑業發展趨勢，設置適應產業發展新要求的課程體系[1]。

國務院《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》提出“鼓勵學校利用數字教育資源及教育服務平臺，逐步探索網絡化教育新模式，擴大優質教育資源覆蓋面，促進教育公平。”施工技術課程作為專業核心課具有實踐操作性強、綜合協調性寬、社會覆蓋面廣、發展變化快等特征[2]。傳統的教學方式不能滿足現代化建造業對高級工程人才的要求，影響學生的創新能力和高階思維的培養，無法有效提升學生解決問題的能力。適應高等工程人才培養的“金課”是以課程為基本單元，依托信息化教學平臺為創新教學手段。這些創新教學手段有整合優質教育資源、開展跨學科教學、優化信息化教育環境、自我掌控學習進度、打造智慧教學空間、創新課堂開展方式、線上線下多元化教學等。在這樣的背景下，融合信息技術與虛擬仿真的施工技術課程創新實踐，可以提升課程教學質量，實現現代工程教育教學目標。

1?施工技術課堂教學的不足

（1）目前，施工技術課程教學內容往往只注重學習傳統的施工技術及工藝，缺乏新興的建造技術，只能實現千篇一律的建設項目，這樣對培養創新型人才是不利的。

（2）隨著信息化技術、移動技術、智能建造技術在工程建設過程中的應用不斷提升，傳統施工技術課堂教學模式無法有效傳授智慧工地的學習任務，學生在校學習的內容與企業需求之間脫節，無法適應現代建筑業的發展變化。

（3）施工技術的課程內容復雜、實踐性強，因教學場地的限制，教學形式主要以課堂講授為主，比較單調、枯燥，不容易讓學生產生形象化的認識，不能提升學生的實踐能力。

（4）教材內容更新速度往往不夠及時，新技術的應用相對滯后，差異化的內容也無法體現。

（5）學校在上課過程中面臨著配套資源短缺的情況，網上資源不夠全面、系統，甚至有些現場操作不規范，起不到為學生示范的作用。

（6）課程學習效果評定難以全面量化。傳統的施工技術課程評價對學生實踐、創新能力考核較少，往往僅憑書面作業、試卷作為判斷依據，缺乏對學生全過程、多方面的關注和考核。

2?施工技術課程的創新教學設計

2.1?更新課程教學資源，培養創新思維

施工技術課程的創新教學設計要建立多專業課程交叉資源共享，將行業領域的最新需求嵌入教學過程，更重視教學內容的實踐性和前沿性。通過更新教學內容和創新課程體系，幫助學生發散思維，拓展理論及實際研究方向[3]。通過學習，學生不僅掌握傳統的施工技術，還掌握施工新興技術的主要工法、工藝流程、技術標準等知識。這種教學方式培養了學生針對建筑過程中復雜問題進行識別、表達和判斷的能力，以及綜合運用、分析并解決復雜工程問題的能力。新興技術包括建筑信息模型（Building?Information?Modeling，BIM）應用技術、機器人和自動化系統、無人機、裝配式建筑構件制作與安裝等，結合建造技術、信息工程、智能自動化、能源、計算機及應用等多專業交叉融合的特點，實現了從簡單工具到復雜系統。新技術的應用使建筑質量更高，成本更低，也是建筑更安全、更美觀，并對環境的產生更小的影響。

BIM是建筑行業的一項新興技術。BIM技術是虛擬構建項目，以便項目的所有階段都可以在現場施工開始之前進行規劃和修正。這一層次的預規劃包括所有材料、勞動力和項目建設順序的空間協調，實現了建造過程的虛擬規劃。建筑信息建模由二維變為三維空間模型，還可以添加時間、成本、可持續性、資產管理等多維度信息。

智能機械化施工，機器人系統在制造業已經相當普遍，并被證明更安全、高效、準確和高產。由于建筑環境的動態性和非結構化，機器人和自動化將在建筑行業發揮越來越重要的作用。例如：自動挖掘機、傳感器壓實機、巡檢機器人、墻體組裝機器人、砌磚機、路沿澆筑機器人、混凝土精整機器人、立柱焊接機器人等。機器人系統應用于建筑施工現場，可以有效地減少施工時間，提高施工精度，并通過取代人類進行危險操作來提高安全性。無人機作為一種趨勢技術，在工人無法到達的施工現場提供所需的數據，可以用于建筑施工過程中的調查、協助檢查、改進質量，提高生產力和質量控制精度。

可持續發展和高效施工的目標要求深化推廣非現場的工廠化住宅生產，即預制裝配式施工技術。技術優勢包括制造過程中質量的穩定性、生產速度的提高、減少浪費和不足、提高生產效率以及改善環境性能等。這些都是將更多的施工過程從效率低下、管理困難的建筑工地轉移到相對安全、高效和更規范的現場環境，并可以帶來更好的社會效益。

2.2融合虛擬仿真技術，培養實踐能力

2.2.1?適用施工技術課程教學的虛擬仿真平臺特點

根據施工技術課程特點，虛擬仿真平臺上的課程學習任務涵蓋了建造全過程，加強了學習過程中的實踐性，讓學生真實體驗現場建造的細節。配合新興施工技術的信息化、移動化、智能化的教學內容，虛擬仿真平臺的資源可以線上更新，并及時將現代施工技術的發展變化融入教學中，讓學生掌握新技術、新技能。平臺能夠提升教學效率，讓教師自由添加教學點，也可對教學點的資源進行編輯，從而豐富教學內容、自由記錄教學進度以及持續推進教學。

品茗教育系列軟件的工程建造智慧工坊、智慧工地的應用教學沙盤，實現了科學規范的施工技術現場演示，模擬工程現場全方位精細化和高效率監管。模擬真實建造過程，分階段、分場景詳細介紹建造現場。模擬場景分為6個階段：施工準備、地基基礎、主體結構、裝飾裝修、屋面工程和室外工程，詳細介紹了建造現場。建造的每個階段都對接了對應的教學資源，詳盡還原了施工現場的工藝工法，可在場景和教學頁面自由切換，快速定位教學場景。學生以漫游的視角觀看整個施工場地，體驗現場建造過程。

智能建造技術實訓系統的學習任務涉及智能建造技術、BIM應用、物聯網、自動控制、智能檢測、大數據與AI計算、智能測量、信息化管理、VR教育、慧眼AI、工地云平臺、移動巡更等。以真實項目案例中的圖紙、模型、數據為依托，教師完成任務后布置和發布，學生接受任務后以闖關模式自主完成知識實訓、任務答題。這個平臺將學生帶入真實項目的工作場景，通過理論與實踐相結合，學習相關技術及項目管理的知識。

2.2.2?虛擬仿真技術優化課程教學過程

根據教師的教學設計實現課堂教學與虛擬仿真教學線上線下的融合，虛擬仿真平臺可實現施工技術課堂教學知識點與智慧工地場景的結合，讓學生如身臨其境般置身于工地現場學習知識。通過生動的教學場景的打造，學生被“帶入”課程中。學生的學習興趣被激發，解決工程問題的能力也獲得了提升。由于線下學時有限，配合教學進度學生可線上自主完成教師在虛擬仿真平臺發布的任務。根據內容的復雜和難易程度，學習任務分為個人任務與小組任務兩種模式。小組任務需小組成員合作討論完成。

針對學生在虛擬仿真平臺的實踐里出現的問題及重難知識點，授課教師要及時設置互動、成果點評、任務檢測，加強線上線下師生督學，形成合力促進教學[4]。主講教師可在平臺任務里自由添加教學點，也可對教學點的資源進行編輯，豐富教學內容。教師通過監管大屏進行班級學習情況的實時監管。平臺還可以記錄教學進度，方便教學的連續性。此外，平臺能自動進行智能考評、實時排行、實訓進度管理等。

線下課堂里教師可進入平臺演示虛擬仿真動畫或實地操作應用視頻，并可以展示“知識點”模塊，學生可掌握智慧工地每個應用的工作原理、操作事項、應用價值。教學場景涉及工地入口、土方基坑施工區、主體建筑施工區、員工生活區、管理辦公區、材料加工區、安全教育區等，通過互聯網信息技術進行場景的全面還原，將現場搬到課堂中、屏幕前，打破了空間限制條件。

配合施工技術線下教學內容與進度，教師發布線上平臺的任務。具體任務模塊及要求包括以下方面。

• 項目概況。了解項目概況信息，掌握項目組織架構類型及其特點，掌握智慧工地管理理念及BIM、物聯網、VR/AR等技術的基本概念。
• BIM圖審/場布。了解圖紙會審概念及流程、掌握BIM圖紙會審的要點；了解項目整體工序及部署情況，掌握場地布置基本原則與要求。
• 勞務實名制。了解實名制背景，掌握實名制系統組成及應用方法。
• 環境監測。了解環境監測主要內容，掌握揚塵監測系統組成及應用方法。
• 智能水電監測。了解臨時用電/用水管理背景現狀，掌握水電監測系統組成及應用方法。
• 基坑工程施工方案（小組任務）。掌握本項目基坑工程施工方案，掌握深基坑監測主要內容與方法。
• 施工現場慧眼。了解AI技術原理，掌握施工現場慧眼AI應用情景。
• 現場安全教育。了解施工現場安全教育背景現狀，掌握VR安全教育應用方法。
• 大體積混凝土。掌握大體積混凝土施工存在主要問題及大體積混凝土測溫系統的應用。
• 塔吊作業。熟悉施工現場塔吊作業存在的問題。
• 現場情況處理（小組任務）。了解施工現場常見問題并掌握其解決措施；依據施工現場管理情景，對事件與任務做出合理判斷并給出合理措施。
• 實測實量。了解量測的主要項目內容及標準，掌握實測實量的組成及應用原理。???
• 高支模施工。掌握高支模主要施工內容、方法和高支模監測系統應用。
• 施工現場升降機。掌握施工現場升降機作業存在的問題，了解升降機監控系統的應用。
• 臨邊防護監測。掌握四口、五臨邊內容及臨邊防護監測的應用。
• 卸料平臺作業。了解施工現場卸料平臺作業存在的問題。

2.3?融合信息技術，進行課程全過程評價

課程教學評價的目的是提升教學質量，新的技術環境呼喚新的教學評價方式[5]。有效的評價應該更注重學習的過程性、綜合性、全面性，做到人機協同分析評價。教師要根據線上線下各教學環節完善課程教學體系，利用信息技術搭建課程評價體系。施工技術課程總評成績可以按平時成績、虛擬仿真平臺實踐成績、考試成績三大部分綜合計算。虛擬仿真平臺實踐成績可根據學生完成任務的情況，由平臺自動記錄。針對課程要求，學校可采用SPOC、MOOC、超星學習通、雨課堂等“云端”教學平臺。學生可以把虛擬仿真平臺操作過程中的問題、收獲、現場圖片等信息上傳到“云端”教學平臺，隨時與教師進行互動。這能有效防止一些同學在完成虛擬仿真平臺任務時的代操作以及抄襲任務的問題。教師也可據此了解學生的學習參與度和學習效果，在做學生評價時給與加分。這種評價方式有效監督了學生的學習過程，并提升了學生對課程的參與度。

“云端”教學平臺可實現課程考核多元化：圖文+視頻+討論+作業+預習+課堂互動（彈幕、投稿）+課堂練習+考試。根據課程要求，教師設計各個評價元素的占比。（1）圖文。可上傳虛擬仿真平臺上的學習收獲或圖片。（2）視頻。結合課程教學過程及學生反饋的難點問題，插入講解視頻，也可插入慕課學習資源等。軟件可記錄觀看時長。（3）討論。通過發起相關的討論話題，同學們可以在平臺上交流回復、積極發言以及提供有建設性的交流內容，平臺會給予計分。平臺針對討論內容分析出高頻詞，協助教師更快了解學生對討論內容的理解程度。（4）作業和預習。通過平臺相應功能模塊，教師提前設計好內容發布，學生在課前、課后學習與答題后，平臺會自動計分。（5）課堂互動。學生通過彈幕、投稿等方式及時有效地回應教師在課堂上的提問，進行有效互動，活躍課堂氣氛。（6）課堂練習。教師隨堂發布習題，學生獲得答題分數，有效檢測課堂的聽課效果，保證學生在課堂上的專注投入。（7）考試。教師配合課程進度，設計階段考核，如單元考試、期中考試、期末考試等。平臺發布的線上考試能夠督促學生及時掌握課程內容，作為線下考試的有效補充，也能促使學生取得更理想的成績。

借助信息化教學平臺的大數據，多元化評價考核指標更注重學生全過程、多元化的表現。通過學生的控制和引導，建立“監督?－?反饋?－?評價?－?改進”這種完整的學習鏈條。課程評價體系要更注重學生成果的產出及學習效果[6]。學生要取得課程成績就要投入足夠的精力，形成完整的學習鏈條，激發自己學習的積極性和專注度。平臺通過各種考核指標對學生進行更全面、更公平的評價。

3?培養適應課程創新教學的高質量教師隊伍

教師是課程的主要實施者，提升教師教學創新能力，打造高質量教學團隊是實現課程創新教學的重要保障。建設融合虛擬仿真與信息技術的施工技術課程，對教師能力提出更高的要求，既要有扎實的專業理論素養，還要掌握先進的教育教學技術[7]；既要對建設行業的發展有著精準的把控和透徹的分析，具備較強的實踐能力，還要具備較強的創新思維和數字技術應用能力。高校要積極組織并展開教師教學技術及創新力提升的培訓，鼓勵教師參加高水平的行業專家交流活動、專項講座或者網絡課程；制定制度規范的教師工程實踐經歷，鼓勵教師參加專業執業資格考試，培養“雙師型”教師，提升教師的實踐指導能力；鼓勵教師參加各級各類教學技能競賽，并配合適當的考核測評，全面建設高質量的教師隊伍。

4?結語

融合虛擬仿真和信息技術的施工技術課程創新教學研究，體現了現代化建設行業發展對人才的培養需求。課程創新教學能夠激發學生學習的積極性和創造力，提升學生解決復雜工程問題的能力。“云端”教學平臺的應用能夠實現對學生更全面、更公正的評價。為保障課程創新教學的效果，學校要加強培養高質量師資隊伍的建設。施工技術課程創新教學有利于培養新時代高等工程人才，為新課程體系的建立提供借鑒。

參考文獻

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[2]?趙培莉.“智慧工地”背景下課程考核方式的改革創建：以“建筑施工技術”課程為例[J].教育教學論壇，2023，3（13）：66-69.

[3] 丁研.新工科背景下智能建筑課程創新思考與實踐[J].高等建筑教育，2023（3）：56-62.

[4] 王益琳.數字化轉型背景下職教智慧課堂實踐研究：以建筑?CAD?課程為例[J].現代職業教育，2023（12）：29-32.

[5] 鄧偉，楊曉丹，高倩倩，等.人工智能支持下的課堂教學評價模型研究[J].中國教育信息化，2023（8）：3-14.

[6] 郭濤，周小龍，于楓珍.高校土木工程專業“金課”建設實踐研究[J].中國現代教育裝備，2020（11）：78-80.

[7]?楊明.創新型人才培養目標下高校混合式“金課”建設：契合性與建設路徑[J].長春教育學院學報，2021（4）：38-42.