袁振霞 陳雨婷 祝彥知

中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院（450007）

0 引言

土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中遇到的問(wèn)題：實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地與經(jīng)費(fèi)有限，個(gè)別實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性較大；施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)，不接收實(shí)習(xí)生；工程周期長(zhǎng)，實(shí)習(xí)時(shí)間短等[1-2]。這些問(wèn)題導(dǎo)致學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解的不透徹、實(shí)踐能力較差。 目前，虛擬仿真技術(shù)在土木行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，如施工安全教育、房產(chǎn)銷售VR 看房、三維立體模型設(shè)計(jì)等， 而將其應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)，可推動(dòng)土木過(guò)程專業(yè)教學(xué)改革，提升教學(xué)和就業(yè)質(zhì)量。

1 虛擬仿真技術(shù)在土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和應(yīng)用能力。 教育信息化的發(fā)展，帶給教師和學(xué)生學(xué)什么、怎么學(xué)、在哪里學(xué)三個(gè)問(wèn)題[3]。集成、開(kāi)放、共享的信息化平臺(tái)可以有效解決信息化帶來(lái)的問(wèn)題。我校力學(xué)與工程結(jié)構(gòu)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心于2013 年獲批為河南省首批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。 七年來(lái)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心根據(jù)專業(yè)發(fā)展需要，不斷充實(shí)軟硬件設(shè)備，利用學(xué)校信息化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)平臺(tái)，集成各種仿真模塊，搭建完成了建工虛擬仿真平臺(tái)，打破了時(shí)間和空間障礙，實(shí)現(xiàn)了資源共享。

根據(jù)全國(guó)高校本科教育工作會(huì)議精神和教育信息化發(fā)展的情況，充分利用虛擬仿真技術(shù)，堅(jiān)持以學(xué)生為本的教育理念，從時(shí)間和空間維度上搭建信息化人才培養(yǎng)體系， 按照課程情況調(diào)整教學(xué)大綱，引入虛擬仿真平臺(tái)共享資源，改革實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)模式，推動(dòng)土木過(guò)程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革，提升教學(xué)和就業(yè)質(zhì)量。

2 虛擬仿真技術(shù)在土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的作用

2.1 提高學(xué)生的應(yīng)用能力

生產(chǎn)實(shí)習(xí)是土木工程專業(yè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，是認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)之間的紐帶[4]，按照人才培養(yǎng)方案，此環(huán)節(jié)重在鞏固學(xué)生的專業(yè)知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力。 為解決生產(chǎn)實(shí)習(xí)中存在的問(wèn)題，采用線上漫游操作和VR 身臨其境體驗(yàn)的學(xué)習(xí)模式。

線上漫游操作的學(xué)習(xí)模式，基于虛擬施工工藝仿真系統(tǒng)提供的真實(shí)工程案例的三維場(chǎng)景，包括測(cè)量、地基與基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)、裝飾裝修、屋面工程5大模塊及其子模塊，每個(gè)子模塊都配套實(shí)訓(xùn)任務(wù)書，用以指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)。 學(xué)生在工地實(shí)習(xí)時(shí)只能了解某個(gè)施工階段的內(nèi)容，而該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以模擬整個(gè)施工過(guò)程和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，幫助學(xué)生更好地掌握理論課程教學(xué)中的重難點(diǎn)。 在卡通人物引導(dǎo)下，學(xué)生可以查閱相關(guān)規(guī)范和圖紙，了解工藝流程和細(xì)節(jié)；遇到難懂的知識(shí)點(diǎn)，可以點(diǎn)擊視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)，整個(gè)實(shí)習(xí)過(guò)程充滿樂(lè)趣，學(xué)生根據(jù)掌握程度可以反復(fù)學(xué)習(xí)，直到熟練掌握。

VR 身臨其境體驗(yàn)的學(xué)習(xí)模式， 是利用VR 設(shè)備沉浸性、交互性、構(gòu)想性的特點(diǎn)[5]，帶給學(xué)生視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等方面高度仿真的真實(shí)感，讓學(xué)生在模擬環(huán)境下切身體驗(yàn)施工中安全隱患帶來(lái)的后果，彌補(bǔ)線上漫游操作的不足。 清楚并避免發(fā)生安全隱患是每位土木工程師必備的基本素質(zhì)，但是在授課中學(xué)生認(rèn)為內(nèi)容枯燥乏味， 學(xué)習(xí)中存在應(yīng)付情況，為引起學(xué)生重視，將學(xué)生帶入VR 實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行VR 體驗(yàn)式教學(xué)。 體驗(yàn)式的學(xué)習(xí)，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)多人協(xié)作的能力，還可以加強(qiáng)學(xué)生的安全防范意識(shí)。

實(shí)習(xí)結(jié)束后，統(tǒng)一進(jìn)入考核模式，選擇模塊進(jìn)行測(cè)試，全方位考核學(xué)生實(shí)習(xí)情況。 虛擬仿真技術(shù)融入生產(chǎn)實(shí)習(xí)， 確保了學(xué)生在短暫的實(shí)習(xí)期間，不僅了解了施工現(xiàn)場(chǎng)各種工作崗位的職責(zé)，還熟悉了完整的工程施工流程及安全注意事項(xiàng)，極大程度解決了實(shí)習(xí)難的問(wèn)題，提高了學(xué)生的應(yīng)用能力。

2.2 培養(yǎng)學(xué)生思考和解決問(wèn)題的能力

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中融入虛擬仿真技術(shù)，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，利用其可視化的優(yōu)點(diǎn)開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，包括虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)和危險(xiǎn)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。 以開(kāi)展虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程為例（如圖1 所示），此過(guò)程是對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充，符合教育信息化的發(fā)展方向。 我院虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)現(xiàn)有《土力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》、《建筑材料虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》、《巖石力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》、《材料力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》等，虛擬仿真軟件包含多個(gè)子模塊，可滿足專業(yè)課實(shí)驗(yàn)要求。 教師在實(shí)驗(yàn)課前布置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生利用業(yè)余時(shí)間在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行學(xué)習(xí)與互動(dòng)。 首先熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備的組成、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)操作步驟，對(duì)實(shí)驗(yàn)有直觀、整體、準(zhǔn)確的認(rèn)知；再按照實(shí)驗(yàn)提示進(jìn)行設(shè)備尺寸數(shù)據(jù)的輸入。 平臺(tái)自動(dòng)匹配并判斷對(duì)錯(cuò)，完成實(shí)驗(yàn)的虛擬操作。 在虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師通過(guò)平臺(tái)引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)操作流程發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，最后帶著問(wèn)題進(jìn)入實(shí)體實(shí)驗(yàn)室；在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生和教師進(jìn)行探討交流，針對(duì)性地解決虛擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。 實(shí)體實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，還可以在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上反復(fù)溫習(xí)，鞏固相關(guān)知識(shí)，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

虛擬仿真技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，可促使學(xué)生充分利用課外時(shí)間完成課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新的興趣，引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生思考、解決問(wèn)題的能力。

圖1 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

3 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)踐教學(xué)中融入虛擬仿真技術(shù)， 不僅安全、經(jīng)濟(jì)、可靠，還對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)形態(tài)進(jìn)行了改革，拓展了教學(xué)的深度和廣度，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式的不足，取得了顯著效果。 我院土木工程專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)率達(dá)98%，據(jù)跟蹤調(diào)查，大部分學(xué)生進(jìn)入了大中型國(guó)有企業(yè)。 學(xué)生回饋，就業(yè)后可以很快進(jìn)入角色，得到用人單位的一致好評(píng)。

虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，順應(yīng)了教育信息化的發(fā)展趨勢(shì)，為學(xué)生創(chuàng)造了良好的學(xué)習(xí)氛圍，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)了一批具有實(shí)踐能力、合作能力、應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力、綜合能力的高素質(zhì)人才。