虛擬現(xiàn)實技術(shù)在《橋梁上部結(jié)構(gòu)施工》教學(xué)中的應(yīng)用研究

蔣夢雅，白洋，王彬彬

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221000；2.徐州市城市軌道交通有限責(zé)任公司，江蘇徐州 221000）

目前高職教育正處于蓬勃發(fā)展中。為了提高高職教育的教學(xué)水平，把學(xué)生培養(yǎng)成高素質(zhì)技能人才，教育工作者通過多樣化的教學(xué)方法與手段，不斷進(jìn)行改革創(chuàng)新。肖建平[1]把高職項目化課程的基本目標(biāo)描述為“培養(yǎng)學(xué)生在復(fù)雜的工作情境中做出判斷并采取行動的職業(yè)能力，開發(fā)學(xué)生的技術(shù)思維”；學(xué)生先進(jìn)的知識儲備在課程的教學(xué)項目中得到了實質(zhì)性的應(yīng)用與強(qiáng)化。

1 傳統(tǒng)教學(xué)存在問題

目前教學(xué)方法多樣化，在某種程度上提升了教學(xué)效果。然而仍然存在以下問題：課內(nèi)外實訓(xùn)設(shè)備費用高昂，校方難以及時更新；課程講授局限性較大，教學(xué)方式較為枯燥，無法從根本上引起學(xué)生注意力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[2]。

故僅僅采用傳統(tǒng)教學(xué)方法與手段是不夠的。對于某些實踐性較強(qiáng)的課程，在其教學(xué)過程中，注重學(xué)生對施工工藝與施工環(huán)境的理解，需要提供一種和現(xiàn)場類似的施工情境，便于學(xué)生學(xué)習(xí)與實訓(xùn)。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種先進(jìn)的信息化教學(xué)手段。隨著科技發(fā)展，該技術(shù)正不斷融入課程的教學(xué)中。它是以計算機(jī)技術(shù)為核心框架，通過可視化交互系統(tǒng)處理各種數(shù)據(jù)，構(gòu)建出一個虛擬的空間供學(xué)習(xí)者進(jìn)行體驗各種情境的一種技術(shù)，在虛擬的環(huán)境中學(xué)生可以進(jìn)行愉悅的自主學(xué)習(xí)[3]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)獲取的信息量比單一地聽老師講課強(qiáng)得多，知識的保持也大大優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)效果[4]；該技術(shù)可提供更逼真的“沉浸式”虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境與虛擬的技能實訓(xùn)操作，有利于學(xué)生增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)，提高教學(xué)質(zhì)量[5]。

3 《橋梁上部結(jié)構(gòu)施工》教學(xué)分析

《橋梁上部結(jié)構(gòu)施工》是道路橋梁工程技術(shù)專業(yè)的核心課程。該專業(yè)所培養(yǎng)的學(xué)生以道路、橋梁工程施工企業(yè)一線施工員為主要就業(yè)崗位，橋梁施工工藝復(fù)雜，工序多，施工精度要求高。

在“T梁架設(shè)與體系轉(zhuǎn)換”這個教學(xué)單元中，學(xué)習(xí)難度較大。學(xué)生從未接觸過公路或鐵路橋梁架橋機(jī)，僅通過觀看圖片等傳統(tǒng)方法難以理解和掌握抽象的施工工藝。

T梁橋架設(shè)無法在課堂實施，利用校企合作開發(fā)的“橋梁施工虛擬仿真實訓(xùn)平臺”和“架橋機(jī)VR模擬系統(tǒng)”對架橋過程進(jìn)行模擬，學(xué)生在模擬架橋過程中掌握課程重難點，磨煉學(xué)生自身技能。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在《橋梁上部結(jié)構(gòu)施工》教學(xué)實踐

4.1 教學(xué)策略

基于T梁架設(shè)施工特點，對接橋梁施工員崗位要求，利用課程教學(xué)平臺、微課、施工視頻輔助學(xué)生課前預(yù)習(xí)，依托虛擬仿真實訓(xùn)平臺、VR模擬操作系統(tǒng)，采用混合式教學(xué)，通過任務(wù)驅(qū)動，將真實、具體的施工過程向教學(xué)環(huán)節(jié)的情景化、模塊化轉(zhuǎn)變，從而突出教學(xué)重點，突破教學(xué)難點。

4.2 應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)資源

4.2.1 橋梁結(jié)構(gòu)施工虛擬仿真實訓(xùn)平臺

該平臺由學(xué)校與橋梁施工一線企業(yè)聯(lián)合開發(fā)，可用于模擬實施梁體架設(shè)等關(guān)鍵過程。其平臺軟件如圖1所示，提供模擬架橋機(jī)施工虛擬仿真過程，并支持局部放大功能。同時可通過平臺推演架橋施工全過程，實現(xiàn)對架橋機(jī)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，強(qiáng)化對簡支梁橋架設(shè)工藝的理解和掌握程度。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)施工虛擬仿真平臺

4.2.2 架橋機(jī)VR模擬系統(tǒng)

VR模擬操控臺如圖2所示，以VR虛擬視角并模擬真實施工環(huán)境，利用虛實結(jié)合技術(shù)讓學(xué)生通過模擬架橋機(jī)操作，完成梁體的架設(shè)，生動直觀，可發(fā)現(xiàn)架橋?qū)嵤┲械膯栴}，并提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖2 VR模擬操控臺

4.3 教學(xué)實施

分為五個環(huán)節(jié)，依次是“認(rèn)識結(jié)構(gòu)、展示工藝，編制方案，模擬實施、評價優(yōu)劣”。

4.3.1 認(rèn)識結(jié)構(gòu)

課上利用架橋機(jī)VR遨游系統(tǒng)對架橋機(jī)進(jìn)行遨游，該系統(tǒng)可以全角度地對架橋機(jī)進(jìn)行查看，并可對架橋機(jī)重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)部觀察來進(jìn)一步加強(qiáng)認(rèn)識；通過小組匯報和VR遨游來解決教學(xué)重點。

4.3.2 展示工藝

在掌握架橋機(jī)結(jié)構(gòu)組成后，教師通過三維動畫講解架橋機(jī)的整個施工工藝流程，隨后，學(xué)生利用校企合作共同開發(fā)的“橋梁施工虛擬仿真實訓(xùn)平臺”在移動端進(jìn)行練習(xí)，從而進(jìn)一步掌握架橋施工工藝。本環(huán)節(jié)利用三維模擬動畫和“仿真實訓(xùn)平臺”來解決教學(xué)重點。

4.3.3 編制方案

教師組織學(xué)生編制該真實工程的橋梁架設(shè)專項施工方案，小組根據(jù)教師的提示完成方案并匯報；教師錄制整個匯報過程并將錄像與小組編制的專項方案上傳至在線開放課程平臺，小組互評、企業(yè)教師他評。本環(huán)節(jié)通過組織學(xué)生編制真實項目施工方案，并進(jìn)行自評、他評、互評來突破教學(xué)難點。

4.3.4 模擬實施

小組在完成架橋施工專項方案的基礎(chǔ)上，利用架橋機(jī)VR模擬系統(tǒng)，虛實結(jié)合，將所編制的架橋機(jī)施工專項方案模擬實施；小組隨機(jī)選派一位同學(xué)根據(jù)編制方案進(jìn)行模擬架橋，老師與其余同學(xué)通過監(jiān)控屏實時監(jiān)控架橋過程。該環(huán)節(jié)，將VR模擬虛實結(jié)合技術(shù)最大限度地還原架橋全過程，將施工方案模擬實施從而突破教學(xué)難點。

4.3.5 評價優(yōu)劣

通過在線開放課程平臺記錄學(xué)生階段性、過程性成果，并依據(jù)學(xué)生課前預(yù)習(xí)情況，分組匯報，教師評價，小組互評、操作實施等環(huán)節(jié)的成績，賦予權(quán)值，加權(quán)得到本次課程單元學(xué)生最終成績。

4.4 教學(xué)效果評價與總結(jié)

（1）每個教學(xué)環(huán)節(jié)都融入了虛擬現(xiàn)實技術(shù)。同時結(jié)合其他信息化手段，將抽象的架橋施工過程形象化，生動化，學(xué)生通過完成課前、課中、課后任務(wù)，學(xué)做合一，潛移默化地將知識升華為自身技能。

（2）通過虛實結(jié)合技術(shù)，校企合作研發(fā)“橋梁結(jié)構(gòu)施工虛擬仿真實訓(xùn)平臺”和架橋機(jī)VR模擬系統(tǒng)，學(xué)生通過VR模擬系統(tǒng)可以推演、模擬橋梁架橋施工方案，強(qiáng)調(diào) “編制方案—模擬實施—發(fā)現(xiàn)問題—調(diào)整方案—成功實施”這一完整學(xué)習(xí)路徑，令學(xué)生深刻認(rèn)識到施工過程的嚴(yán)謹(jǐn)性；

（3）雖然教學(xué)效果有了較大的提高，但是也存在投入經(jīng)費較大、學(xué)生自主學(xué)習(xí)空間過大，課堂管理難度加大、對專業(yè)教師的要求更高等問題。后續(xù)的教學(xué)實施過程的，應(yīng)當(dāng)注重以上問題，不斷進(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié)語

高職院校教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)雖然處于起步階段，但是優(yōu)勢凸顯，提供了“沉浸式”虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境、虛擬的技能操作，較大的激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點也決定了其存在一定改進(jìn)的空間，因此需要將傳統(tǒng)教學(xué)方式與之相結(jié)合，協(xié)同發(fā)展，不斷完善教學(xué)方式與手段，使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)有機(jī)地融入信息化教學(xué)中去。