鮑立平 劉繼焜

【摘要】本文論述虛擬仿真技術(shù)在建筑施工技術(shù)實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用，指出該技術(shù)的特點，探究該技術(shù)與建筑施工技術(shù)實訓(xùn)課程的結(jié)合點，提出虛擬仿真技術(shù)與現(xiàn)場實訓(xùn)教學(xué)結(jié)合、與BIM課程體系相融合、與安全教育相融合的策略，以此解決《建筑施工技術(shù)》課程及實訓(xùn)教學(xué)的痛點、難點。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真 建筑施工技術(shù) 實訓(xùn)教學(xué) 信息化

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）15-0165-04

建筑施工技術(shù)課程是職業(yè)院校建筑工程技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，該門課程所涉及的大量知識點皆有很強的實踐性，而建筑施工技術(shù)實訓(xùn)教學(xué)是建筑施工技術(shù)課程的重要組成部分，是教學(xué)活動中的重要一環(huán)，可以檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)收獲，也是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的重要手段，對培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題能力、動手和實踐能力、技術(shù)創(chuàng)新以及工程素養(yǎng)具有重要的意義，還能幫助學(xué)生更好掌握課程的知識點和專業(yè)技能。因此，如何有效提升實訓(xùn)教學(xué)的教學(xué)成效是廣大教師關(guān)注與研究的焦點。本文以廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)建筑工程技術(shù)專業(yè)在建筑施工技術(shù)課程實訓(xùn)教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用為例，進行探討和研究。

一、虛擬仿真技術(shù)及其應(yīng)用概況

（一）虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真技術(shù)又叫作Virtual Reality（VR），是一種建立在仿真技術(shù)之上，通過計算機建立起的系統(tǒng)，而后對另一個真實系統(tǒng)或假想系統(tǒng)進行動態(tài)試驗，從而實現(xiàn)對其的仿真與模擬還原的技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)具有經(jīng)濟性、高效性、動態(tài)性等多種特點，甚至只需一臺計算機即可完成全部仿真模擬操作。除了成本非常低廉，虛擬仿真技術(shù)可以對靜態(tài)、平面信息和數(shù)據(jù)內(nèi)容進行轉(zhuǎn)化，利用相關(guān)程序和命令將其轉(zhuǎn)化成直觀立體的三維模型，進而可以有效實現(xiàn)抽象和現(xiàn)實的完美結(jié)合。與此同時，虛擬仿真技術(shù)具有極高的容錯功能，且較少受時空的約束限制。

（二）虛擬仿真技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用廣泛

虛擬仿技術(shù)最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如洲際導(dǎo)彈的研制、阿波羅登月計劃、核電站運行等方面。直至20世紀70年代中期，虛擬仿真技術(shù)開始向民用領(lǐng)域擴展，并從1980年代開始，依托計算機技術(shù)的發(fā)展大規(guī)模地應(yīng)用于儀器儀表、虛擬制造、電子產(chǎn)品設(shè)計、仿真訓(xùn)練等生產(chǎn)、生活各個方面。

目前，虛擬仿真技術(shù)在建筑行業(yè)應(yīng)用廣泛，尤其是在施工過程中。與其他行業(yè)相比，建筑工程施工工序繁多、施工技術(shù)復(fù)雜、露天和危險作業(yè)多，而且建筑的生產(chǎn)往往無法重復(fù)進行，能夠安全高效地竣工是生產(chǎn)參與者所期望的。這都給建筑行業(yè)的教學(xué)帶來了很大的技術(shù)困難。而隨著近幾年虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，其在建筑行業(yè)應(yīng)用越來越多，并拓展到教學(xué)方面，主要包括下列幾個方面。

首先，在建筑工程設(shè)計過程中，一般涉及相關(guān)專業(yè)較多，如果是大型公共建筑則涉及的專業(yè)更多。在傳統(tǒng)的建筑工程設(shè)計中各專業(yè)分開進行，最終將各自專業(yè)的設(shè)計圖紙匯總成為整體項目，因此在此過程中經(jīng)常出現(xiàn)各專業(yè)之間的矛盾現(xiàn)象，不但增加施工中統(tǒng)籌的難度還可能造成不必要的浪費?，F(xiàn)在很多設(shè)計公司或者施工單位施工前引入虛擬仿真技術(shù)，提前根據(jù)各專業(yè)圖紙?zhí)摂M整個建筑工程，進行各專業(yè)的模擬碰撞監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)其中的不足并及時調(diào)整，可以很大程度減少上述問題的發(fā)生。

其次，在建筑工程施工過程中，虛擬仿真技術(shù)可以整體模擬施工現(xiàn)場包括周圍的環(huán)境，做到高度和形狀都與實際一樣，并生成具有聲音和動作的仿真特效，場景信度高，可以讓施工管理人員在整體規(guī)劃上提前考慮，全面做好規(guī)劃，比如場地布置、施工組織設(shè)計等。另外虛擬仿真技術(shù)可以借助三維動畫展示施工中的技術(shù)重、難點，可以用于制訂施工方案，還可以輔助施工人員培訓(xùn)和學(xué)習(xí)。而且與真實的生產(chǎn)相比，這部分技術(shù)屬于難度較低的技術(shù)應(yīng)用，可以用較少的資金實現(xiàn)很好的效果，因此這方面應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛。

最后，在施工安全方面，建筑施工安全是永恒的話題，保證施工人員的人身安全永遠放在第一位。目前，多在鋼結(jié)構(gòu)施工環(huán)節(jié)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)輔助。大型鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，對不同施工方案進行模擬可以保證施工的安全。能對不同施工方案進行模擬，排查消除各種安全隱患，還可以對安全事故進行仿真模擬，讓施工人員了解施工之中的危險點并提前做好應(yīng)急預(yù)案。

（三）虛擬仿真技術(shù)與建筑施工技術(shù)實訓(xùn)課程的結(jié)合點

建筑施工技術(shù)的實訓(xùn)教學(xué)主要包括幾方面內(nèi)容：①砌筑工程。包括砌筑砂漿的制作和檢測、砌磚的操作。②鋼筋工程。包括鋼筋的識別、加工和連接。③混凝土工程。包括混凝土配置、養(yǎng)護和檢測。④模板工程。包括模板的安裝和拆卸。⑤腳手架工程。包括腳手架的安裝和拆除。⑥抹灰工程。包括抹灰砂漿的配置和抹灰施工。另外還有土石方工程、防水工程、其他裝飾裝修工程等內(nèi)容。教師通常根據(jù)課時安排實訓(xùn)課程內(nèi)容。要求學(xué)生掌握各分部的施工工藝、施工方法、質(zhì)量標準、安全措施、并能依據(jù)規(guī)范要求進行質(zhì)量檢驗和驗收。

上述建筑施工過程中存在不少難點、重點，以及危險的操作，往往都無法在常規(guī)的實訓(xùn)室實現(xiàn)。上述教學(xué)內(nèi)容，均可借助虛擬仿真技術(shù)輔助開展教學(xué)，幫助學(xué)生從理論到實踐均得到收獲。并且可以在節(jié)省財力、物力、人力并且保證安全的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生更加直觀地掌握知識，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)校更好地完成教學(xué)任務(wù)并取得不錯的教學(xué)成效。

二、虛擬仿真技術(shù)在實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用策略

（一）VR技術(shù)與現(xiàn)場實訓(xùn)教學(xué)結(jié)合

一般開設(shè)有建筑工程相關(guān)專業(yè)或者開設(shè)建筑工程技術(shù)課程的院校會配套建設(shè)建筑工程實訓(xùn)中心，規(guī)模大小不一涵蓋內(nèi)容不盡相同。以廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)為例。學(xué)校配置建筑工程實訓(xùn)室，比較常規(guī)的實訓(xùn)比如砂漿制作、檢測砂漿相應(yīng)強度和指標、混凝土配置和相應(yīng)檢測實驗、砌筑施工、鋼筋綁扎等實訓(xùn)內(nèi)容都可以在實訓(xùn)室內(nèi)完成?？擅鎸θ缡┕霾肌摻Y(jié)構(gòu)施工、預(yù)應(yīng)力構(gòu)件制作施工、剪力墻等大型復(fù)雜煩瑣的施工工藝的教學(xué)，以及不斷迭代的施工技術(shù)，學(xué)校的實訓(xùn)條件難以滿足學(xué)生實訓(xùn)要求。

廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)根據(jù)《建筑施工技術(shù)》實訓(xùn)教學(xué)的要求，建設(shè)建筑工程虛擬仿真實訓(xùn)室。該虛擬仿真實訓(xùn)室主要利用虛擬仿真技術(shù)的三維動畫技術(shù)進行專業(yè)技術(shù)教學(xué)，并根據(jù)建筑施工的主要內(nèi)容購置相應(yīng)模塊，如基礎(chǔ)開挖、樁基礎(chǔ)施工、模板安裝、地下室防水施工、鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土及大體積混凝土澆筑、二次結(jié)構(gòu)施工等內(nèi)容。這部分虛擬仿真動畫教學(xué)主要與傳統(tǒng)PPT教學(xué)、實訓(xùn)室教學(xué)相結(jié)合，教授專業(yè)技術(shù)知識點。

為了充分利用教學(xué)時間提高教學(xué)成效，根據(jù)現(xiàn)有的實訓(xùn)條件和虛擬仿真實訓(xùn)室條件，學(xué)校多以“四節(jié)連上”的方式，讓學(xué)生在課堂上能夠集中精力學(xué)習(xí)。排課時，學(xué)校常采用如下3種方式：①一節(jié)課課堂教學(xué)+兩節(jié)課實訓(xùn)室操作+一節(jié)課虛擬仿真補充;②一節(jié)課課堂教學(xué)+一節(jié)課虛擬仿真教學(xué)+兩節(jié)課實訓(xùn)室操作;③兩節(jié)課虛擬仿真教學(xué)+兩節(jié)課實訓(xùn)室操作。在實際教學(xué)中多根據(jù)教學(xué)實際，進行相應(yīng)的靈活處理，以學(xué)習(xí)效果為重。

通過引入虛擬仿真三維動畫實訓(xùn)室教學(xué)，教學(xué)出現(xiàn)了如下的改觀。

首先，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性有極大的提高。第一表現(xiàn)在出勤率上，學(xué)校建筑工程技術(shù)專業(yè)班學(xué)生人數(shù)約為45人/班，之前能夠達到全勤上課占整個課時量80%左右。加入虛擬仿真三維動畫實訓(xùn)教學(xué)后，全勤率達90%或以上，很明顯學(xué)生樂于參與這樣的課堂。其次是學(xué)生的參與度更高。引進虛擬仿真技術(shù)后，純理論教學(xué)的時間減少了。當(dāng)單純靠聽吸取知識的時間被壓縮后，動手的時間相應(yīng)增加，無論是實訓(xùn)室還是虛擬仿真實訓(xùn)室，學(xué)生的參與度更高，更能積極回應(yīng)老師提出的問題，學(xué)生玩手機睡覺的情況明顯減少。

其次，利用VR系統(tǒng)的考評結(jié)合功能，提升教學(xué)評價效果。學(xué)校課程的成績通常包括出勤成績、平時成績、實訓(xùn)成績和最終考試成績。教師在以往教學(xué)中科學(xué)評價平時成績和實訓(xùn)成績有較大難度。而借助虛擬仿真技術(shù)系統(tǒng)配置的考評體系，可以有效解決這個問題，即通過參考每名學(xué)生的學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)次數(shù)來幫助教師評估學(xué)生的平時成績。而系統(tǒng)內(nèi)也可以直接出學(xué)生的平時練習(xí)題成績，幫助教師客觀給出學(xué)生的實訓(xùn)成績。

通過引入虛擬仿真技術(shù)，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)的教學(xué)成效得到很大提高，最直觀的表現(xiàn)就是學(xué)生期末考試的及格率和優(yōu)秀率都有了很大的提升。

（二）VR技術(shù)與BIM課程體系相融合

2017年4月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《建筑業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，持續(xù)推進BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術(shù)的普及，推進其快速應(yīng)用發(fā)展。廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)組建了BIM實訓(xùn)室用于BIM課程建設(shè)，建筑工程BIM課程包括如下模塊：BIM建模及應(yīng)用、BIM造價管理、BIM施工組織設(shè)計、BIM5D施工管理、BIM裝配式建筑，BIM智能建造等。涉及的軟件類型有：Revit建模軟件、計量軟件、計價軟件，模板和腳手架設(shè)計軟件、場地布置軟件、進度計劃軟件、漫游及碰撞軟件等。BIM課程體系同時服務(wù)于建筑工程技術(shù)專業(yè)和工程造價專業(yè)等專業(yè)，不同專業(yè)根據(jù)專業(yè)側(cè)重點學(xué)習(xí)掌握BIM課程的不同模塊。該課程體系更加側(cè)重于整體，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)可以實現(xiàn)從設(shè)計到施工再到使用維護階段的全過程模擬。

目前，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)根據(jù)建筑施工技術(shù)課程實訓(xùn)教學(xué)要求，主要采取開設(shè)BIM相應(yīng)課程或者在相關(guān)課程中植入BIM模塊以實現(xiàn)VR技術(shù)與BIM課程體系相結(jié)合。開設(shè)《BIM技術(shù)與應(yīng)用》專業(yè)必修課，主要學(xué)習(xí)Revit建模軟件，實現(xiàn)整體工程項目的三維建模，與虛擬仿真的局部三維動畫相呼應(yīng)。同時在建筑施工技術(shù)課程中加入BIM施工組織設(shè)計、BIM5D施工管理模塊，在虛擬仿真技術(shù)模塊中直接進行場布和施工組織設(shè)計，并完善了BIM造價管理、施工技術(shù)管理體系。

建筑施工技術(shù)教學(xué)BIM課程體系融合VR技術(shù)后，學(xué)校教學(xué)資源利用實現(xiàn)了最大化，同時，學(xué)生利用Revit三維建模建筑施工技術(shù)課程實訓(xùn)教學(xué)中項目整體管理部分的內(nèi)容，對整個項目進行了虛擬三維仿真，可以實現(xiàn)各專業(yè)的碰撞檢查，這在以后的施工管理中意義重大。而場布和施工組織設(shè)計都是建筑施工技術(shù)的重要組成部分，盡管最后以三維動畫展示的形式呈現(xiàn)，但是BIM課程體系的場布和施工組織設(shè)計均由學(xué)生自主完成，提高了學(xué)生對專業(yè)知識的掌握程度，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)的探索欲從而提升學(xué)習(xí)效率。BIM技術(shù)與虛擬仿真技術(shù)相融合，同時分散到不同課程或者模塊中，激發(fā)學(xué)生的探索欲，進而提升了知識學(xué)習(xí)掌握的效率。

（三）VR技術(shù)與安全教育相融合

建筑施工安全在現(xiàn)場施工中是非常重要的，很多建筑工程施工現(xiàn)場都在醒目位置布置有“安全第一”的宣傳標語，但是注意安全不僅是一句簡單的口號，更是需要所有在施工現(xiàn)場的人時刻繃緊安全的弦，任何有安全隱患的事情都不能做，所有安全隱患要盡可能地消除和預(yù)防。安全事故一旦發(fā)生，后果往往不堪設(shè)想，同時會帶來巨大的經(jīng)濟損失。而安全相關(guān)的內(nèi)容大多數(shù)不可能依托現(xiàn)場實訓(xùn)教學(xué)實現(xiàn)，在以往教學(xué)中主要通過教師的教授，包括口頭講述、照片觀察、工地參看等方式。但是沒有切身的體會，很難引起學(xué)生的特別重視，如在工地現(xiàn)場時仍然存在學(xué)生不按規(guī)范戴安全帽、無視安全警示標志操作的情況。

引入虛擬仿真技術(shù)安全體驗到建筑施工技術(shù)課程實訓(xùn)教學(xué)中，可以讓學(xué)生身臨其境地體驗建筑施工安全事故的嚴峻性，并通過仿真互動對生產(chǎn)安全產(chǎn)生敬畏之心。教學(xué)過程中，首先讓學(xué)生戴好頭戴設(shè)備、握住手柄，引導(dǎo)其進入虛擬仿真里的工地現(xiàn)場，在虛擬工地里，除了展示完備的生產(chǎn)實景，還設(shè)置滅火器、沙土堆等安全生產(chǎn)設(shè)施。該系統(tǒng)同時也模擬了洞口墜落、土方坍塌、高空墜落等環(huán)節(jié)，通過語音提示，讓學(xué)生學(xué)習(xí)建筑安全生產(chǎn)知識，并即時指導(dǎo)學(xué)生在工地事故發(fā)生時做出正確反應(yīng)，讓學(xué)生在保證安全的情況下感受到安全事故的嚴峻性，產(chǎn)生敬畏之心。

通過VR安全體驗，學(xué)生紛紛表示印象深刻，甚至一部分學(xué)生表示感受非常真實，例如洞口墜落等項目不愿意體驗第二次。這樣，安全警示教育的目的已經(jīng)基本達到了。同時，學(xué)生還依托虛擬仿真技術(shù)模擬演練發(fā)生安全事故發(fā)生時的正確反應(yīng)，這個體驗式教育比單純地開展純理論教授效果顯著，最重要的就是學(xué)生感知施工安全的重要性，對安全生產(chǎn)有敬畏之心。體驗過虛擬仿真技術(shù)安全體驗后的學(xué)生再次到工地現(xiàn)場都能夠做到遵守施工安全規(guī)范要求，這也是施工安全教育的終極目標實現(xiàn)。

綜上所述，職業(yè)教育承擔(dān)著培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人才的重大責(zé)任，尤其注重培養(yǎng)學(xué)生動手能力和實際操作能力，充分利用虛擬仿真技術(shù)可以幫助學(xué)生將理論知識與實踐操作結(jié)合，提高學(xué)習(xí)興趣。虛擬仿真教學(xué)推動著職業(yè)教育的進一步發(fā)展，通過沉浸式的體驗與學(xué)習(xí)，學(xué)生仿佛身臨其境，增加了課堂環(huán)境的真實感，可極大提升學(xué)生的課堂參與度和學(xué)習(xí)成效，教學(xué)實施效果很顯著。但是虛擬仿真技術(shù)的引進通常需要較大的資金投入，具體引進的種類和數(shù)量還需要決策者多方論證后根據(jù)實際情況確定。

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注：本文系虛擬仿真技術(shù)在《建筑施工技術(shù)》實訓(xùn)教學(xué)中的研究與實踐（YJJ1912）的研究成果之一。

作者簡介：鮑立平，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)審計室副主任，高級工程師，主要從事工程審計、工程造價、工程管理等研究;劉繼焜，通訊作者，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)園林與建設(shè)工程系建筑工程技術(shù)專業(yè)負責(zé)人，工程師，主要從事建筑工程技術(shù)專業(yè)教學(xué)研究。

（責(zé)編 羅異豐）