樁基礎(chǔ)虛擬施工輔助實(shí)踐教學(xué)研究

殷 勇

(鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

1 引言

基礎(chǔ)工程是土木工程相關(guān)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是土建類高校專業(yè)課程教學(xué)改革的核心內(nèi)容[1]。該課程的教學(xué)內(nèi)容涉及常見建筑基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與施工，其中基礎(chǔ)工程的施工在實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中也是一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容。學(xué)生只有通過課堂理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)兩方面環(huán)節(jié)才能更透徹地掌握課程核心，才能更好地鍛煉自身的實(shí)踐能力。目前，由于樁基礎(chǔ)在建筑的基礎(chǔ)型式中占有較大的應(yīng)用比例，在基礎(chǔ)工程的教學(xué)中其重要性日益突出。樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的理論內(nèi)容在基礎(chǔ)工程課堂教學(xué)中一般都有充足的學(xué)時安排，但施工過程在理論課程中往往講解較少或者僅在土木工程施工課程中有所涉及。因此，有效開展樁基礎(chǔ)實(shí)踐性教學(xué)是保障學(xué)生系統(tǒng)和全面掌握課程要點(diǎn)的重要措施。

2 現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)方式存在的問題

當(dāng)前，多數(shù)高校并沒有專門開設(shè)針對樁基工程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，很多都是安排在認(rèn)識實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)等實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)合并開展，而且在實(shí)施過程中有時還存在著下列一些問題。

2.1 實(shí)習(xí)資源不足

對于土建類專業(yè)而言，學(xué)生獲取現(xiàn)場實(shí)踐資源的途徑相對較單一。實(shí)踐環(huán)節(jié)的開展一般都是利用就近的工程項(xiàng)目，而樁基工程屬于隱蔽工程，施工周期較短，與學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)開展的時間有時并不能完全一致。這就造成實(shí)踐教學(xué)不能對樁基工程的全過程進(jìn)行學(xué)習(xí)，短時間內(nèi)現(xiàn)場工程能提供的實(shí)習(xí)資源相對不足，影響實(shí)踐環(huán)節(jié)的開展。

2.2 實(shí)踐條件不全面

樁基的實(shí)踐環(huán)節(jié)目前多數(shù)是以現(xiàn)場教學(xué)為主，而現(xiàn)場開展實(shí)踐教學(xué)的影響因素也較多，需要的保障條件相對較高，如天氣、交通、安全、經(jīng)費(fèi)投入等，任何一個環(huán)節(jié)不滿足均會影響教學(xué)過程。此外，從指導(dǎo)教師來看，有豐富工程經(jīng)驗(yàn)的教師數(shù)量還不足，現(xiàn)場實(shí)踐指導(dǎo)工作量大、安全責(zé)任也重，造成教師承擔(dān)現(xiàn)場實(shí)習(xí)任務(wù)的工作積極性不高[2]。

2.3 實(shí)習(xí)深度不夠

實(shí)踐環(huán)節(jié)是土木工程專業(yè)一項(xiàng)必修的學(xué)習(xí)內(nèi)容，班級人數(shù)較多時實(shí)習(xí)過程一般可以分批進(jìn)行，但盡管如此，對于樁基工程而言，部分學(xué)生的實(shí)習(xí)深度還有欠缺。工程現(xiàn)場因?yàn)楦鞣N限制，不能同時接待大批量實(shí)習(xí)人員，學(xué)生實(shí)習(xí)多以現(xiàn)場觀摩的方式進(jìn)行，并不能實(shí)際參與施工過程，對樁基施工流程的了解并不全面，學(xué)生的動手實(shí)踐能力得不到實(shí)際鍛煉，影響實(shí)習(xí)的效果[3]。

2.4 實(shí)習(xí)創(chuàng)新性不足

樁基工程實(shí)踐教學(xué)貼近工程生產(chǎn)一線，其目的是提高學(xué)生的實(shí)踐技能，夯實(shí)理論基礎(chǔ)，鍛煉思考與創(chuàng)新能力。但在目前的實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生主要根據(jù)教材或規(guī)范內(nèi)容對照性地學(xué)習(xí)，并沒有充分的空間思考為何要這樣做或者有什么好的施工工藝改進(jìn)方法，對學(xué)生的創(chuàng)新性思維起不到良好的鍛煉效果。

3 樁基虛擬施工實(shí)踐教學(xué)理念

針對樁基現(xiàn)場實(shí)踐環(huán)節(jié)存在的薄弱環(huán)節(jié)，提出了一種樁基虛擬仿真施工輔助實(shí)踐教學(xué)(實(shí)訓(xùn))方法，可以讓學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)樁基施工的全過程。該方法基于北京睿格致科技公司的知識云庫，利用BIM信息化技術(shù)編寫樁基施工在線實(shí)訓(xùn)模塊，能使學(xué)生在3D游戲化的交互體驗(yàn)中獲取樁基施工的全流程知識點(diǎn)，如圖1所示。實(shí)訓(xùn)時以樁基施工進(jìn)度為任務(wù)主線，實(shí)訓(xùn)流程環(huán)環(huán)相扣，實(shí)訓(xùn)過程由淺入深，實(shí)現(xiàn)真實(shí)施工現(xiàn)場不具備和難以完成的教學(xué)功能，可以避免現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)的各種弊端。

圖1 鉆孔灌注樁虛擬施工實(shí)訓(xùn)流程

實(shí)訓(xùn)過程圍繞樁基施工流程考核→工種選擇→材料、機(jī)械選擇，逐步引導(dǎo)完成每個工藝流程，期間對知識點(diǎn)涉及的主要施工方法、施工要點(diǎn)進(jìn)行講解，最后系統(tǒng)根據(jù)每一環(huán)節(jié)完成的準(zhǔn)確程度、時間等，精細(xì)而實(shí)時化地評測實(shí)訓(xùn)成績。實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)能夠使學(xué)生有效掌握樁基施工方法、施工工藝流程以及保證施工質(zhì)量所采取的施工措施等，達(dá)到現(xiàn)場實(shí)訓(xùn)相同的效果。

4 樁基虛擬施工實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施

4.1 實(shí)踐教學(xué)過程

在教學(xué)環(huán)節(jié)的具體實(shí)施方式上，可以遵循教與學(xué)的主線，利用樁基虛擬施工云平臺分別從教師端和學(xué)生端設(shè)置工作任務(wù)，如圖2所示。

圖2 樁基虛擬施工實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的實(shí)施

教師端工作需要依次完成備課、講課、評測三項(xiàng)任務(wù)，備課是其中主要的環(huán)節(jié)，包括班級建立、實(shí)訓(xùn)知識點(diǎn)設(shè)計(jì)、預(yù)習(xí)任務(wù)書下發(fā)等內(nèi)容；講課內(nèi)容也可以在實(shí)訓(xùn)知識點(diǎn)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)準(zhǔn)備好，考慮到在線學(xué)習(xí)的便利性，可以將一些施工要點(diǎn)配以圖片、語音或動畫分步驟列出，便于學(xué)生提前預(yù)習(xí)；評測環(huán)節(jié)需要教師發(fā)布評測任務(wù)書，規(guī)定好考核時間限制、是否可以查看結(jié)果等，具體的評分則由系統(tǒng)實(shí)時反饋，教師可以隨時了解每位學(xué)生在各環(huán)節(jié)的得分情況，針對性地開展輔導(dǎo)工作。

學(xué)生端依次由學(xué)、練、考三個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)構(gòu)成，并與教師端的備課、講課、評測環(huán)節(jié)對應(yīng)。首先學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)任務(wù)書要求，在指定時間上線領(lǐng)取實(shí)訓(xùn)任務(wù)，利用網(wǎng)頁內(nèi)容了解樁基整體施工流程，根據(jù)提供的動畫、視頻等熟悉各施工環(huán)節(jié)所需要用到的工種、材料、機(jī)械資源。在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)入實(shí)訓(xùn)練習(xí)環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)按照實(shí)際施工流程，需要學(xué)生自主動手完成各操作步驟，一些施工要點(diǎn)也會以選擇題的形式進(jìn)行考察，如前述圖1所示。最后，學(xué)生在充分練習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)入考核環(huán)節(jié)，考核環(huán)節(jié)與練習(xí)環(huán)節(jié)施工步驟相同，但每一施工步驟不允許修改，只有一次操作機(jī)會，系統(tǒng)最終根據(jù)完成的時間、質(zhì)量實(shí)時給出定量考核分?jǐn)?shù)。

采用上述實(shí)訓(xùn)流程，可以在班級中按計(jì)劃定時開展樁基施工實(shí)踐教學(xué)，理論與實(shí)訓(xùn)結(jié)合，能較有效地發(fā)揮虛擬施工實(shí)訓(xùn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)。此外，游戲化的實(shí)訓(xùn)環(huán)境體驗(yàn)還能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，更好地促進(jìn)學(xué)生對專業(yè)知識的理解。

4.2 樁基虛擬施工系統(tǒng)云庫建設(shè)

樁基虛擬施工實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程均建立在系統(tǒng)云庫上，該云庫建設(shè)是整個實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的核心。教師一方面可以在平時的備課過程中不斷更新、完善該數(shù)據(jù)庫；另一方面對于一些新型樁基或云系統(tǒng)中欠缺的內(nèi)容，則需要另外開發(fā)相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)模塊。

目前，包括樁基施工在內(nèi)的土建類虛擬施工實(shí)訓(xùn)模塊建設(shè)的難點(diǎn)均在于3D施工動畫的制作，很多高校這部分工作都交給專業(yè)的動畫制作公司，實(shí)施過程要不斷反饋修改，而且費(fèi)用較高。當(dāng)前采用一些大型的BIM施工動畫制作軟件，如3DMAX[4]、MAYA[5]、Revit[6]等應(yīng)用起來不夠方便，或缺少足夠的施工素材。在此，筆者建議可以嘗試采用BIM-FILM施工動畫制作工具，該軟件內(nèi)置了多種建筑信息化模型和施工素材，較大程度上減輕了施工動畫制作難度，可以滿足各類樁基虛擬施工實(shí)訓(xùn)模塊的制作要求，同時還可以為教師提供3D課件制作資源， 滿足個性化的教學(xué)需求。

4.3 學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

在實(shí)訓(xùn)過程中，除了樁基施工過程所需要掌握的知識點(diǎn)外，還可以通過集中培訓(xùn)培養(yǎng)學(xué)生施工動畫的制作水平，使其在今后工作中具備現(xiàn)場專項(xiàng)施工方案的編寫能力、現(xiàn)場施工指導(dǎo)能力、現(xiàn)場施工質(zhì)量檢查與驗(yàn)收能力，最終體現(xiàn)了對學(xué)生實(shí)踐動手能力的培養(yǎng)。

在編制施工動畫模塊的過程中，學(xué)生一方面先要弄懂施工流程，相當(dāng)于提前預(yù)習(xí)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，有利于掌握實(shí)踐課程知識點(diǎn)；另一方面，在自己制作動畫的過程中，會不斷對現(xiàn)有施工工藝流程進(jìn)行思考，對不合理或可以完善的地方提出自己的建議，有利于自身創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

因此，樁基施工動畫的制作實(shí)際上對學(xué)生提出了更高的實(shí)訓(xùn)要求，不僅對實(shí)踐課程知識點(diǎn)要求掌握得更全面細(xì)致，對學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新意識的鍛煉均有較好效果。

4.4 與在線課程的契合

當(dāng)前諸多高校對在線課程的建設(shè)均提出了更高的要求，樁基工程本身也是理論與實(shí)踐相互并重的專業(yè)課程。采用虛擬施工實(shí)踐教學(xué)的手段可以進(jìn)一步促進(jìn)課程在線建設(shè)的水平，避免了傳統(tǒng)在線課程只重視理論環(huán)節(jié)建設(shè)的缺點(diǎn)，使得在線課程的內(nèi)容體系更豐富和全面。

5 結(jié)語

樁基虛擬施工是樁基工程課程實(shí)踐教學(xué)的有效手段，也是今后在線課程建設(shè)的重點(diǎn)。該方法利用虛擬仿真技術(shù)以施工進(jìn)度為實(shí)訓(xùn)主線，三維模擬施工工藝全過程。學(xué)生通過三維交互游戲式體驗(yàn)，在施工場景中虛擬實(shí)際工藝，達(dá)到課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)的目標(biāo)。在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中，借助BIM-FILM施工動畫制作工具的應(yīng)用，不僅可以完善樁基虛擬施工系統(tǒng)云庫中的教學(xué)資源，還可以對學(xué)生的動手及創(chuàng)新能力起到鍛煉作用。