殷 勇 （鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

實(shí)踐教學(xué)是工科專業(yè)課程教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，對提升理論課堂教學(xué)效果有顯著的促進(jìn)作用?；A(chǔ)工程施工是土建類專業(yè)課程中一個(gè)實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)，如何有效開展相應(yīng)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)是促進(jìn)學(xué)生掌握課程知識(shí)的關(guān)鍵，也是相應(yīng)課程教學(xué)改革的重點(diǎn)。目前，有很多教育工作者圍繞基礎(chǔ)工程施工探討了相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)問題，孫靜分析了基礎(chǔ)工程實(shí)踐教學(xué)及理論與實(shí)踐教學(xué)一體化的問題，提出了現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)與虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)相配合的“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)模式[1]。何玉榮分析了基礎(chǔ)工程課程實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容，提出了建立實(shí)踐教學(xué)基地，形成校企合作的實(shí)踐教學(xué)方式[2]。楊永生對基礎(chǔ)工程施工實(shí)踐教學(xué)模式與教學(xué)方法進(jìn)行了研究，認(rèn)為在工學(xué)交替與任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式下，采用“教學(xué)做”合一與“情景”教學(xué)法可以有效提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與獨(dú)立工作能力[3]?，F(xiàn)有的研究成果均表明了實(shí)踐環(huán)節(jié)與基礎(chǔ)工程施工理論課的相互促進(jìn)作用，多數(shù)強(qiáng)調(diào)了如何較好地組織與實(shí)施現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)，但隨著虛擬仿真實(shí)訓(xùn)技術(shù)的發(fā)展，圍繞基礎(chǔ)工程虛擬施工方面的實(shí)踐教學(xué)研究還不充分。本文探討了虛擬施工實(shí)訓(xùn)技術(shù)的特點(diǎn)，從BIM-FILM施工動(dòng)畫制作入手，分析了樁基工程虛擬施工實(shí)訓(xùn)模塊的實(shí)際方法，提出了相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)模式。

1 虛擬施工實(shí)訓(xùn)技術(shù)的特點(diǎn)

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)技術(shù)成為國內(nèi)眾多高校、企業(yè)爭相建設(shè)的熱點(diǎn)內(nèi)容。雖然在虛擬施工實(shí)訓(xùn)模塊的開發(fā)過程中，有時(shí)存在著三維施工動(dòng)畫制作較難，投入較大的問題，但產(chǎn)品一旦成型后，利用三維仿真技術(shù)可以形象直觀展示各種工藝流程、施工要點(diǎn)，避免了傳統(tǒng)圖像、圖紙、簡單動(dòng)畫等單調(diào)且枯燥的二維展示方式，具有較明顯的應(yīng)用優(yōu)勢及前景[4]。

1.1 對建筑企業(yè)的影響

①為員工培訓(xùn)提供便捷途徑。虛擬施工實(shí)訓(xùn)技術(shù)可以根據(jù)行業(yè)相關(guān)規(guī)范程序化、有步驟地再現(xiàn)實(shí)際工藝步驟。企業(yè)新員工可以在不消耗建筑材料、確保安全的條件下積累施工經(jīng)驗(yàn)，對整個(gè)工程的實(shí)施過程做到心中有數(shù)，了解自身的崗位責(zé)任，獲得較好的培訓(xùn)效果。

②提升企業(yè)形象。虛擬施工技術(shù)通過3D或4D動(dòng)畫提供生動(dòng)逼真的施工案例介紹，利用企業(yè)網(wǎng)站可以展示自身技術(shù)水平，拓展企業(yè)文化，不僅能夠促進(jìn)項(xiàng)目的合作，而且更有助于企業(yè)形象和品牌價(jià)值的提升。

③提高企業(yè)競爭力。將虛擬施工技術(shù)及時(shí)應(yīng)用在投標(biāo)現(xiàn)場，可以在短時(shí)間內(nèi)，讓招標(biāo)方清晰了解項(xiàng)目的實(shí)施過程及關(guān)鍵程序，通過立體化的信息展示項(xiàng)目實(shí)施效果，能夠迅速獲得合作方的認(rèn)同，提高項(xiàng)目中標(biāo)幾率[5]。

2 對高校實(shí)踐教學(xué)的影響

2.1 學(xué)生角度

一方面，實(shí)踐教學(xué)過程中，利用虛擬施工實(shí)訓(xùn)技術(shù)可以讓學(xué)生以游戲化的角色參與學(xué)習(xí)過程，提高了其學(xué)習(xí)興趣，能輕松完成相關(guān)知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)；另一方面，可以借助一些簡單的施工動(dòng)畫制作技術(shù)，讓學(xué)生參與到虛擬實(shí)訓(xùn)模塊的建設(shè)中，不僅有利于提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，而且可以在完成虛擬施工作品的同時(shí)，深刻體會(huì)其中的工藝流程、要點(diǎn)，達(dá)到以做代學(xué)的目的。

2.2 教師角度

采用虛擬施工實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式有利于發(fā)揮線上教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，避免了現(xiàn)場實(shí)習(xí)受制于天氣、場地、人數(shù)、安全、費(fèi)用等因素的制約，教師能把更多的時(shí)間投入到虛擬施工模塊開發(fā)與教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)中，通過教學(xué)模式的優(yōu)化取得最優(yōu)的實(shí)踐教學(xué)效果。因此，虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)也是當(dāng)前很多工科專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)改革的重點(diǎn)，在今后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)還會(huì)引起眾多教師的關(guān)注和探討。

3 樁基虛擬施工實(shí)訓(xùn)模塊開發(fā)

樁基礎(chǔ)屬于非常常見的一類基礎(chǔ)形式，在各類土建工程中應(yīng)用廣泛，針對樁基開展虛擬施工實(shí)訓(xùn)教學(xué)是土建類專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。樁基實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊的開發(fā)是建立虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式的基礎(chǔ)，而虛擬實(shí)訓(xùn)模塊的核心內(nèi)容則是3D施工動(dòng)畫的建立。一個(gè)流暢且形象化的樁基三維施工動(dòng)畫，可以較好地展示施工流程及工藝要點(diǎn)，結(jié)合交互式操作便能實(shí)現(xiàn)在線實(shí)訓(xùn)的效果。

3.1 樁基虛擬施工3D動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)

3D交互式施工動(dòng)畫可以借助BIM-FILM虛擬施工系統(tǒng)簡便實(shí)現(xiàn)，不同于常規(guī)動(dòng)畫制作系統(tǒng)難掌握、成果慢的特點(diǎn)，該系統(tǒng)應(yīng)用BIM+仿真與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠配合專用素材庫與BIM模型無縫接合，通過自主設(shè)計(jì)施工動(dòng)畫，滿足了快速制作個(gè)性化3D施工實(shí)訓(xùn)模塊的需要。

在樁基施工動(dòng)畫制作過程中，將施工規(guī)范流程進(jìn)行文字編輯并轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)語音播報(bào)，還可以針對施工要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)說明，增加動(dòng)畫展示的信息量，達(dá)到視覺與聽覺統(tǒng)一的效果。

3.2 實(shí)訓(xùn)模塊的建立

在虛擬施工動(dòng)畫成品基礎(chǔ)上構(gòu)建樁基虛擬施工仿真實(shí)訓(xùn)模塊，如圖1所示。鉆孔灌注樁施工的主要工藝流程，以列表形式在左側(cè)逐條展示，并隨著施工進(jìn)程的完成情況實(shí)施更新。實(shí)訓(xùn)過程中，系統(tǒng)會(huì)提示每一步驟應(yīng)該完成的工作任務(wù)，對施工流程中涉及的一些主要施工機(jī)械、施工材料、工種選擇等內(nèi)容，模塊下方任務(wù)欄會(huì)提供交互式作業(yè)界面作為實(shí)訓(xùn)互動(dòng)環(huán)節(jié)。

該實(shí)訓(xùn)模塊置于云端，可隨時(shí)隨地在線使用，無需特別更新計(jì)算機(jī)設(shè)備。學(xué)生在使用過程中能交互式實(shí)現(xiàn)樁基施工前相關(guān)參數(shù)與主要步驟的輸入、施工中樁基設(shè)備安放和組裝，施工過程的動(dòng)態(tài)演示及施工狀態(tài)的實(shí)時(shí)輸出，施工步驟的分析處理與評價(jià)。通過樁基虛擬實(shí)訓(xùn)模塊，能夠達(dá)到與線下實(shí)習(xí)相同的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，對每一施工步驟、施工要點(diǎn)有直觀認(rèn)識(shí)，并且交互式操作也使學(xué)生的參與度更高，有利于提升實(shí)訓(xùn)效果。

圖1 鉆孔灌注樁虛擬施工3D互動(dòng)實(shí)訓(xùn)

4 樁基虛擬施工實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式

4.1 實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式構(gòu)建

結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與樁基虛擬施工實(shí)訓(xùn)模塊，可以構(gòu)建一種以學(xué)生為中心的多元化、全過程的樁基虛擬施工實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，具體思路詳見圖2。從教師教學(xué)來講，整個(gè)實(shí)訓(xùn)流程圍繞實(shí)訓(xùn)模塊開展，包括前期實(shí)訓(xùn)模塊開發(fā)、實(shí)訓(xùn)模塊應(yīng)用、后期實(shí)訓(xùn)模塊完善三部分，其中前期實(shí)訓(xùn)模塊功能開發(fā)既可以由教師設(shè)計(jì)完成，也可以由學(xué)生參與完成，學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)模塊本身即可將理論知識(shí)與實(shí)訓(xùn)技能結(jié)合，實(shí)現(xiàn)以做代學(xué)的目的。對于學(xué)生而言，該實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式以樁基施工任務(wù)為主線，從提出問題出發(fā)，到施工方案的提出，施工方案的實(shí)施，直至最終的實(shí)訓(xùn)效果分析、評價(jià)，全流程、多渠道的學(xué)習(xí)方式可以完全覆蓋實(shí)訓(xùn)各環(huán)節(jié)，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

圖2 樁基虛擬施工全過程實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式

4.2 實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式實(shí)施

樁基虛擬施工實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式基于云端數(shù)據(jù)庫資源運(yùn)行，實(shí)訓(xùn)前，教師首先需要在備課環(huán)節(jié)提前設(shè)置，并逐步完善樁基施工相關(guān)的數(shù)據(jù)庫資源，包括常見樁基礎(chǔ)施工相關(guān)的規(guī)范、操作流程學(xué)習(xí)視頻、施工設(shè)備介紹、互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)學(xué)習(xí)資源等。學(xué)生在虛擬施工實(shí)訓(xùn)前應(yīng)通過該數(shù)據(jù)庫資源，熟悉樁基施工流程與技術(shù)要求，對實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)有一個(gè)準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)和整體把握，再根據(jù)現(xiàn)場條件選擇適合的樁基類型，確定施工方案。

實(shí)訓(xùn)中的施工過程包括樁基施工場地準(zhǔn)備、設(shè)備選擇、布置與組裝、實(shí)時(shí)交互操作等幾個(gè)環(huán)節(jié)，能讓學(xué)生切實(shí)體會(huì)到實(shí)際樁基施工操作的全流程及核心步驟，提高學(xué)習(xí)興趣；實(shí)訓(xùn)后，通過后臺(tái)操作規(guī)范數(shù)據(jù)的匹配，系統(tǒng)平臺(tái)可以給出“通過”與“不通過”的評價(jià)，學(xué)生可以回看生成的實(shí)訓(xùn)報(bào)告，檢查自己的實(shí)訓(xùn)過程，針對性地圍繞失誤操作進(jìn)行討論及學(xué)習(xí)；指導(dǎo)教師也可利用該環(huán)節(jié)判斷學(xué)生實(shí)訓(xùn)情況，分別進(jìn)行客觀評價(jià)與指導(dǎo)，解決樁基現(xiàn)場施工實(shí)訓(xùn)時(shí)學(xué)生多、教師少而無法準(zhǔn)確評估每個(gè)學(xué)生掌握程度的問題。同時(shí)，這一環(huán)節(jié)中生成的實(shí)訓(xùn)報(bào)告也可以讓樁基實(shí)訓(xùn)課程的過程留痕、成果留痕，形成真實(shí)的學(xué)習(xí)檔案。

此外，該實(shí)訓(xùn)模塊的成果還可以利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將實(shí)訓(xùn)的過程進(jìn)行分享，得到共享授權(quán)的師生，隨時(shí)可以通過系統(tǒng)平臺(tái)訪問共享的實(shí)訓(xùn)課程信息，利用互聯(lián)網(wǎng)的開放、實(shí)時(shí)、互動(dòng)特點(diǎn)，學(xué)生可以方便地在業(yè)余時(shí)間進(jìn)行傳播學(xué)習(xí)與溝通，拓展了學(xué)習(xí)的物理空間，增強(qiáng)了師生間、學(xué)生間的互動(dòng)，提高樁基虛擬施工模塊的使用效率。

4.3 實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式反饋與完善

根據(jù)樁基實(shí)訓(xùn)模塊的實(shí)施過程，分析評價(jià)樁基虛擬施工實(shí)訓(xùn)模塊的運(yùn)行情況，改進(jìn)使用過程中出現(xiàn)的問題，不斷優(yōu)化實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，提高虛擬仿真實(shí)訓(xùn)效果。

此外，在樁基虛擬施工項(xiàng)目的選擇上，初期可以建設(shè)部分常見樁基礎(chǔ)的實(shí)訓(xùn)模塊，如鉆孔灌注樁、預(yù)制樁等，后期可以根據(jù)模塊運(yùn)行情況，進(jìn)一步拓展完善人工挖孔樁、沉管灌注樁、夯擴(kuò)灌注樁等其他樁型的虛擬施工實(shí)訓(xùn)，提高實(shí)訓(xùn)模塊的應(yīng)用范圍。

5 結(jié)語

樁基工程是一門實(shí)踐性與理論性均較強(qiáng)的專業(yè)課程，常規(guī)的課堂教學(xué)偏重理論知識(shí)的講授，而當(dāng)前樁基工程的現(xiàn)場實(shí)踐環(huán)節(jié)，多數(shù)面臨著工程場地安全、實(shí)踐案例不全、無法使大批量學(xué)生全過程的跟蹤學(xué)習(xí)等問題。因此，在一般土建類高校的實(shí)踐教學(xué)中幾乎無法開設(shè)或?qū)嵺`效果不理想。利用樁基虛擬施工仿真實(shí)訓(xùn)模塊，可以讓學(xué)生全員參與、全天候且全過程跟蹤學(xué)習(xí)，通過實(shí)訓(xùn)模式的構(gòu)建與優(yōu)化，能有效提升學(xué)生的專業(yè)技能和課程的教學(xué)效果，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的應(yīng)用型專業(yè)人才，提供了便捷的途徑。