張 銳

(大連交通大學(xué)土木與安全工程學(xué)院，遼寧大連 116028)

1 土木工程專業(yè)傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

土木工程是一門傳統(tǒng)的學(xué)科，目前的教學(xué)體系主要是理論與實(shí)踐相結(jié)合的培養(yǎng)模式。理論部分分為專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課。實(shí)踐部分包括實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。其目的是借助理論聯(lián)系實(shí)踐，令學(xué)生掌握基本的專業(yè)知識(shí)，具備基本的專業(yè)技能。這種模式毋庸置疑，但具體的環(huán)節(jié)仍存在著諸多問題，無法達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，教學(xué)效果不佳。

1.1 理論教學(xué)難點(diǎn)解析不透，知識(shí)結(jié)構(gòu)有待整合

土木工程專業(yè)教學(xué)中經(jīng)常會(huì)涉及到諸多空間結(jié)構(gòu)，有的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，比如:《房屋建筑學(xué)》課程中講述的樓梯間構(gòu)造，《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)》中構(gòu)件節(jié)點(diǎn)鋼筋布置等等。目前傳統(tǒng)教學(xué)主要是借助二維平、立、剖圖例做以解析，不夠直觀，尤其對于空間感不強(qiáng)的學(xué)生，接受起來總是很有難度。

此外，土木工程是一個(gè)龐大的完整的工程體系，理論學(xué)習(xí)的目的即是讓學(xué)生掌握各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和施工方法，進(jìn)而具備全局的把控能力。但目前的狀況是，各門主干專業(yè)課各自授課，雖然很多知識(shí)點(diǎn)都是相關(guān)聯(lián)的，但很難有一個(gè)途徑，將所學(xué)的各門專業(yè)課整合成一個(gè)體系，令學(xué)生對工程結(jié)構(gòu)有一個(gè)整體的認(rèn)知和把握。

1.2 實(shí)踐教學(xué)資源緊缺，限制性強(qiáng)［1，2］

首先，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，目前高校的普遍情況是，實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、數(shù)量不足，實(shí)驗(yàn)場地狹小，實(shí)驗(yàn)人員緊缺問題尤為突出。眾所周知，土木工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)較其他專業(yè)資源投入要求非常高，很多高校都力所不及。目前開設(shè)的實(shí)驗(yàn)也僅是以投入較小的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)則少之又少，尤其是一些代表高科技、新技術(shù)的研究性實(shí)驗(yàn)，就連重點(diǎn)院校也很難開設(shè)。

其次，實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)限制諸多。從認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)到生產(chǎn)實(shí)習(xí)及課程實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)，本是學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐非常好的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，但效果著實(shí)不佳。以矛盾最突出的生產(chǎn)實(shí)習(xí)為例，生產(chǎn)實(shí)習(xí)本是希望學(xué)生通過較長時(shí)間在施工現(xiàn)場親身參與工作，使其對施工環(huán)節(jié)有更深層次的理解。但接收實(shí)習(xí)的單位，都是義務(wù)性服務(wù)，而且考慮到學(xué)生的安全問題及責(zé)任歸屬問題，因此很難聯(lián)系。而且，對于一個(gè)土木工程整個(gè)的施工過程，幾周的實(shí)習(xí)時(shí)間實(shí)在是太過短暫，學(xué)生僅僅能了解到很小的一部分施工環(huán)節(jié)，信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

1.3 教學(xué)模式缺乏生動(dòng)性、自主性、創(chuàng)新性

老師教、學(xué)生學(xué)，這仍是目前教學(xué)的傳統(tǒng)模式，形式呆板，缺乏趣味性，當(dāng)然這也是其他高校專業(yè)教學(xué)普遍存在的問題。學(xué)生處于被動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài)，很難有機(jī)會(huì)讓學(xué)生可以自主選擇想要了解的知識(shí)內(nèi)容。另外，高等教育兼具培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究能力的職責(zé)。缺乏自主性、互動(dòng)性的教學(xué)模式，很難培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和鉆研精神，以及需要有創(chuàng)新意識(shí)的科研能力。

2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建“體驗(yàn)”學(xué)習(xí)模式

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［3-5］的采用，為解決土木工程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題給出了一個(gè)很好的解決途徑。所謂虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供操作者關(guān)于視覺、聽覺等感官的模擬，讓操作者如同身臨其境一般，可以實(shí)時(shí)、自由地觀察三維空間內(nèi)的事物。目前已廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、城鎮(zhèn)規(guī)劃、科學(xué)計(jì)算、可視化、教育、電子商務(wù)、醫(yī)學(xué)、軍事、藝術(shù)與娛樂等諸多領(lǐng)域。

本文即希望借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，構(gòu)建虛擬的教學(xué)系統(tǒng)，模擬真實(shí)狀態(tài)下的學(xué)習(xí)過程，通過學(xué)習(xí)者與系統(tǒng)間的交互，營造一種“體驗(yàn)式”的學(xué)習(xí)環(huán)境，打破傳統(tǒng)教學(xué)的局限，令學(xué)生掌握學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)，開闊學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

雖然目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，但在土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的成熟實(shí)例還不多。揚(yáng)州大學(xué)的王儀［6］充分闡明了虛擬現(xiàn)實(shí)在土木工程教學(xué)中的廣闊應(yīng)用前景;上海大學(xué)的汪德江等［7］對結(jié)構(gòu)工程虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提出了可行的方案;河南大學(xué)岳建偉等［8］在建筑施工教學(xué)中采用了仿真系統(tǒng)。但到目前，還未見成熟的土木工程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

圖1 土木工程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

因此，本文按照土木工程專業(yè)培養(yǎng)方案要求，試圖構(gòu)建一個(gè)完整的土木工程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，此虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。作為初步嘗試及探索，采用較為方便的Flash 8.0開發(fā)環(huán)境，完全按照真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景及設(shè)備構(gòu)建二維模型，學(xué)習(xí)者通過鼠標(biāo)、鍵盤實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的互動(dòng)，都會(huì)得到與真實(shí)世界相同的反饋，可身臨其境地了解到實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程。其中開發(fā)的部分實(shí)驗(yàn)?zāi)K操作界面如圖2，圖3所示。

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

圖3 鋼筋混凝土梁抗彎試驗(yàn)

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，它具有花費(fèi)少、可重復(fù)、不受客觀條件限制等諸多優(yōu)點(diǎn)。對于傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，可基本由虛擬實(shí)驗(yàn)代替。對于受條件限制無法開設(shè)的大型及新技術(shù)實(shí)驗(yàn)，通過虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，更可開闊學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。

4 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的土木工程理論教學(xué)的改革

針對土木工程理論教學(xué)存在的問題，以建筑工程專業(yè)理論教學(xué)為切入點(diǎn)，初步嘗試采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建建筑工程虛擬教學(xué)系統(tǒng)。從目前國內(nèi)比較成熟的建筑工程的虛擬教學(xué)系統(tǒng)來看，還僅是關(guān)注建筑構(gòu)造部分［9-11］，對于結(jié)構(gòu)部分，尤其是構(gòu)件內(nèi)部配筋構(gòu)造還鮮有表達(dá)。而且系統(tǒng)的互動(dòng)性也多是通過放大縮小及各個(gè)角度的瀏覽來實(shí)現(xiàn)，個(gè)別采用一次性拆裝的方式來顯示構(gòu)造，不能令學(xué)生對想了解的個(gè)別部分掌握自主權(quán)。因此，我們開發(fā)了一個(gè)虛擬的建筑工程教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)習(xí)者可作為虛擬人物實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)中漫游，可按照自己的想法，在漫游的過程中，實(shí)時(shí)地通過鼠標(biāo)點(diǎn)選構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)逐層隱藏，以清楚了解房屋的全部細(xì)部構(gòu)造。該系統(tǒng)的總體架構(gòu)［12］如圖4所示。

圖4 建筑工程虛擬教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用ProE建模、3D MAX建模和渲染、Virtools實(shí)現(xiàn)互動(dòng)的三種軟件技術(shù)組合的方式，能夠根據(jù)系統(tǒng)的需求，充分發(fā)揮各自軟件的優(yōu)勢特點(diǎn)。系統(tǒng)的總體界面及人物瀏覽狀態(tài)如圖5所示。通過隱藏可展示的細(xì)部構(gòu)造，以樓梯間為例，見圖6。

圖5 系統(tǒng)的總體界面及人物瀏覽狀態(tài)

圖6 樓梯間構(gòu)造及鋼筋布置示意圖

該系統(tǒng)是以某市中學(xué)教學(xué)樓為藍(lán)本，系統(tǒng)中的模型完全按照真實(shí)建筑來構(gòu)建，即包括真實(shí)建筑的全部建筑及結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)。如屋頂包括結(jié)構(gòu)層、防水層、保溫層等基本的9個(gè)構(gòu)造層次，墻體包括磚墻、保溫及抹灰等細(xì)部裝修處理，梁、柱、基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)構(gòu)件全部按照實(shí)際設(shè)計(jì)圖布置鋼筋。這樣，通過虛擬系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，學(xué)生們不僅可以掌握《房屋建筑學(xué)》課程講授的建筑構(gòu)造知識(shí)，也將《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)》《基礎(chǔ)工程》《砌體結(jié)構(gòu)》，甚至《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》以及《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)》等課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)融入進(jìn)來，實(shí)現(xiàn)了各門專業(yè)主干課程的整合，令學(xué)生們對建筑工程專業(yè)有一個(gè)整體的把握。

5 改革的效果及思考的問題

開發(fā)的虛擬教學(xué)系統(tǒng)作為傳統(tǒng)教學(xué)的輔助手段，一經(jīng)使用就受到廣大師生的一致好評，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果顯著。但此虛擬教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)尚處于探索階段，仍有很多問題值得思考。

虛擬系統(tǒng)不必追求大而全，畢竟它要花費(fèi)較大的人力物力投入，因此僅對現(xiàn)實(shí)世界無法完滿解決的問題采用虛擬手段才是上策。

目前研發(fā)的虛擬教學(xué)系統(tǒng)還僅停留在“展示”與“演示”的表面層次，更深層次的結(jié)構(gòu)施工、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)分析等功能仍未實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)展此部分的內(nèi)容，有助于將專業(yè)知識(shí)進(jìn)一步整合，并且有助于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)、施工及科研能力。

虛擬系統(tǒng)的研發(fā)需要大量的人力投入，單靠專業(yè)教師的力量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，可以將大部分工作交由學(xué)生來完成，尤其是利用本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行開發(fā)。實(shí)踐證明效果良好，非常有助于學(xué)生能力，尤其是科研能力的培養(yǎng)，并且此方式也很有助于系統(tǒng)研發(fā)的可持續(xù)性。

6 結(jié)語

針對傳統(tǒng)土木工程教學(xué)存在的諸多問題，提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建土木工程專業(yè)教學(xué)系統(tǒng)，這是一次土木工程專業(yè)教學(xué)改革的嘗試和探索。它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的弊端，整合了知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。這種“體驗(yàn)式”學(xué)習(xí)模式，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果顯著。

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