虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程專業(yè)實習(xí)中的應(yīng)用探索研究

劉娟　白雪衛(wèi)

[摘 要]針對土木工程實習(xí)教學(xué)存在的問題，以土木程專業(yè)理論教學(xué)為切入點，初步嘗試采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)與實體建筑模型相結(jié)合的形式，構(gòu)建建筑工程虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)，以補(bǔ)充校外實習(xí)中的遺漏環(huán)節(jié)，輔助實踐教學(xué)，保證施工過程的完整性。

[關(guān)鍵詞]土木工徎；生產(chǎn)實習(xí)；虛擬現(xiàn)實；教學(xué)改革

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）06-0027-02

一、土木工程傳統(tǒng)生產(chǎn)實習(xí)存在的問題

土木工程生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)階段是本科階段最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，生產(chǎn)實習(xí)的質(zhì)量對本專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量有直接的影響。土木工程專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)一般安排在第七學(xué)期，此時學(xué)生已經(jīng)結(jié)束了基本理論與專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，掌握了一定的理論基礎(chǔ)。此時進(jìn)入施工現(xiàn)場實習(xí)，能及時將所學(xué)理論與實踐較好地結(jié)合。但是本專業(yè)的實習(xí)在實踐過程中也存在著一些很難解決的問題。

（一）學(xué)生聯(lián)系實習(xí)單位困難

近幾年新建工程項目少，學(xué)生即使聯(lián)系到了施工單位，施工單位由于擔(dān)心學(xué)生出現(xiàn)安全事故及為配合實習(xí)而延誤工程進(jìn)度等原因，實習(xí)過程只是讓學(xué)生到現(xiàn)場“看看”，這樣就算完成了實習(xí)任務(wù)。

（二）實習(xí)經(jīng)費(fèi)不足

學(xué)校針對學(xué)生實習(xí)只有專項經(jīng)費(fèi)，如果附近沒有適合實習(xí)的施工場地，學(xué)生要去外地實習(xí)會涉及昂貴的雇車費(fèi)用，在這種情況下，學(xué)生實習(xí)地點的選擇就受到很大的限制。

（三）實習(xí)內(nèi)容不全面

由于建筑施工的工期較長，工程狀況受季節(jié)及進(jìn)度的影響，加上每個時間段所對應(yīng)的工程不同，所以在九月份實習(xí)的學(xué)生，往往只能看到某一工程正在進(jìn)行的環(huán)節(jié)，如外墻保溫或內(nèi)部裝飾，而對于澆筑梁柱等階段卻看不到。此時的實習(xí)學(xué)生看不到整個工程的施工過程，不能了解和掌握整個項目的全部工序，學(xué)生的生產(chǎn)實習(xí)缺乏完整性，也達(dá)不到實習(xí)教學(xué)大綱規(guī)定的要求。

針對上述存在的問題，一方面，培養(yǎng)單位首先要重視生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)在培養(yǎng)本科生實踐能力與創(chuàng)新精神方面的重要作用，建立穩(wěn)定的校外實習(xí)基地。另一方面，應(yīng)借助先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實的實習(xí)系統(tǒng)，彌補(bǔ)校外實習(xí)環(huán)節(jié)的不足，打破傳統(tǒng)實習(xí)的局限，開拓學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增加實踐教學(xué)的多樣性、綜合性和開放性。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在土木工程實習(xí)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality， VR）是一種將多媒體、計算機(jī)圖形、網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)交互仿真機(jī)立體顯示等多種技術(shù)結(jié)合的新型技術(shù)，簡稱為VR技術(shù)。利用VR技術(shù)創(chuàng)建虛擬的現(xiàn)實場景，可以使用戶有身臨其境的感覺。

（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀

許多高校的實驗室都開展了這方面的研究工作，并取得了很多研究成果。例如北京航空航天大學(xué)建立了虛擬現(xiàn)實技術(shù)國家教育部重點實驗室，華中科技大學(xué)建立了互動型數(shù)字邏輯虛擬實驗教學(xué)平臺，其他院校也對虛擬現(xiàn)實的真實感和立體現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究。雖然VR技術(shù)在國內(nèi)教育領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，但在土木工程實驗實踐方面的案例較少，到目前為止，還未見成熟的土木工程虛擬實踐教學(xué)系統(tǒng)。

（二）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

在教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能將教學(xué)內(nèi)容更生動具體地表達(dá)出來，能提高學(xué)生掌握知識、技能的效率。如由于時間及實習(xí)場地的限制，許多施工環(huán)節(jié)學(xué)生都看不到，而利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，能將土木工程各種施工的詳細(xì)環(huán)節(jié)較為生動地展示給學(xué)生。結(jié)合具體的三維制圖軟件，學(xué)生可以在虛擬的環(huán)境中模擬各個施工環(huán)節(jié)，足不出戶便可以達(dá)到實踐的目的。在保證教學(xué)效果的前提下，這極大地節(jié)省了成本。另外，學(xué)生在虛擬實驗環(huán)境中，可以放心地去做多種實習(xí)內(nèi)容的嘗試，在獲得實際操作經(jīng)驗的同時還可以避免受到傷害。總之，虛擬現(xiàn)實技術(shù)為學(xué)生提供了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，改變了傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式，取而代之的是學(xué)生通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識、技能的這種新型學(xué)習(xí)方式。

三、改革的內(nèi)容

針對土木工程實習(xí)教學(xué)中存在的問題，我們以建筑工程專業(yè)理論教學(xué)為切入點，初步嘗試采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)與實體建筑模型相結(jié)合的形式，構(gòu)建建筑工程虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)，以補(bǔ)充校外實習(xí)中的遺漏環(huán)節(jié)，輔助實踐教學(xué)。

（一）課程體系改革

制定出符合培養(yǎng)要求、特色鮮明的課程體系，在課程體系中加強(qiáng)三維CAD建模、增加計算機(jī)仿真軟件及有限元分析等課程；以培養(yǎng)學(xué)生建筑施工能力為主線，以夯實基本理論知識為基礎(chǔ)，以強(qiáng)化土木施工能力為核心，對理論和實踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化和整合，形成具有“專業(yè)特色”的教學(xué)體系。

對課程資源進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，加大虛擬仿真課程體系建設(shè)的力度，爭取實現(xiàn)將虛擬仿真技術(shù)用于整套生產(chǎn)實習(xí)的全過程，實現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)與社會需求相吻合。如在計算機(jī)繪圖課程中增加三維制圖模塊，開設(shè)有限元分析及虛擬仿真課程并設(shè)置上機(jī)實訓(xùn)學(xué)時；在專業(yè)課程中加大與土木工程施工相關(guān)的課程學(xué)時，改革課程設(shè)計形式，改變以往以設(shè)計計算書提交成果的形式，為學(xué)生提供建造實體模型的場所，以小組的形式完成實體模型建造；同時用最新的科學(xué)成果、最新的技術(shù)成就充實教學(xué)內(nèi)容，形成注重能力培養(yǎng)的實踐教學(xué)體系。

（二）教學(xué)方法改革

著力推動基于問題、基于具體施工項目、基于案例等研究性教學(xué)和學(xué)習(xí)方法的改革，加強(qiáng)虛擬環(huán)境及仿真模型的開發(fā)，強(qiáng)化學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行獨立分析和解決問題的能力。

對專業(yè)課教學(xué)，采用基本理論和案例教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法，一門課程由幾位教師主講，每一位教師結(jié)合相應(yīng)的案例講授自己熟悉的部分，案例可以到施工現(xiàn)場分不同施工進(jìn)度進(jìn)行錄制或建立虛擬施工場所。這種改變了由一名任課教師從頭講到尾的教學(xué)方法，充分發(fā)揮了每名教師的教學(xué)特點。

完善和系列化教學(xué)課件，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)課程平臺建設(shè)，積極開展網(wǎng)上教學(xué)。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)與建造實體模型相結(jié)合的實踐教學(xué)模式，在虛擬的環(huán)境中，建立實習(xí)周圍場景、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、材料品種等的三維CAD模型，建立動態(tài)的模型系統(tǒng)，并對動態(tài)立體模型進(jìn)行虛擬裝配，依據(jù)裝配結(jié)果在人機(jī)交互的可視化環(huán)境中對施工方案進(jìn)行補(bǔ)充、修改。同時建立實體模型，利用虛擬技術(shù)提供的方案與實際模型相結(jié)合的形式完成施工的全過程，并運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)協(xié)助有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。更重要的是，它能借助圖形來進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)控和獲取施工數(shù)據(jù)，同時能實時動態(tài)演示和控制設(shè)計和施工的過程。

開放專業(yè)實驗室，探索開放性實驗的教學(xué)模式?？梢宰寣W(xué)生充分利用土木工程實驗及材料性能測試實驗設(shè)備資源進(jìn)行實踐活動，讓學(xué)生探索、研究自己感興趣的課題。通過開放性的實驗教學(xué)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，增強(qiáng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

此外，還可以鼓勵學(xué)生參與各種建模及結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽，增強(qiáng)學(xué)生的立體感。

（三）校企合作的人才培養(yǎng)機(jī)制

應(yīng)拓寬生產(chǎn)實習(xí)渠道，注重實習(xí)內(nèi)容與實習(xí)教學(xué)大綱的吻合，讓學(xué)生從整體上了解和把握整個在建項目的全過程和全部工序，使實習(xí)環(huán)節(jié)更具完整性。

在選擇校外實習(xí)基地時，要注重實習(xí)內(nèi)容與實習(xí)教學(xué)大綱的吻合，選擇多個不同施工進(jìn)度的實習(xí)基地，盡量讓學(xué)生了解和觀察到整個工程的施工過程，使學(xué)生通過在不同施工單位的實習(xí)，逐漸了解土木工程施工各個時期的類型和特點，充分發(fā)揮校外實習(xí)基地在培養(yǎng)學(xué)生工程觀方面的作用。

四、改革的效果及思考的問題

目前，我校虛擬實習(xí)系統(tǒng)還在逐步建設(shè)與完善中。首先，在專業(yè)教學(xué)中，我們已逐步做到增加豐富的教學(xué)案例，并邀請經(jīng)驗豐富的工程師講解實踐性較強(qiáng)的章節(jié)。其次，專業(yè)實驗室已完全開放，實驗教師按坐班制度在實驗室工作，學(xué)生可以隨時做自己感興趣的試驗。最后，實習(xí)錄像已按施工各個階段錄制完成，下一步將結(jié)合計算機(jī)建立實習(xí)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，實現(xiàn)人機(jī)交互界面，切實解決學(xué)生實習(xí)難的問題。

五、結(jié)語

針對傳統(tǒng)土木工程專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)中存在的問題，筆者提出將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于生產(chǎn)實習(xí)中。這是對土木工程生產(chǎn)實習(xí)改革的嘗試與探索，它解決了在實習(xí)過程中遇到的部分難題，增加了實踐教學(xué)的多樣性，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，取得了較好的教學(xué)效果。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 張銳.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的土木工程教學(xué)改革與探索[J]. 山西建筑，2013（39）：231-233.

[2] 何美麗.土木工程施工實習(xí)的探討與實踐[J].課程教育研究，2012（8）：241.

[3] 楊江濤.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].信息通信，2015（1）：138.

[4] 姚芳，李哲.應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)推動普通高校教學(xué)改革[J].吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2008（8）：18-20.

[5] 趙希榮，朱中華.加強(qiáng)校內(nèi)外實習(xí)基地建設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力[J].高教論壇，2010（7）：45-47.

[6] 周國恩，梁鑫，周雨.基于仿真技術(shù)在土木工程施工實習(xí)實訓(xùn)教學(xué)中的探索與實踐[J].探索與實踐，2013（28）：197-198.

[責(zé)任編輯：陳 明]