VR/AR技術(shù)在土木工程教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用★

蔣亞龍

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

隨著新一輪科技產(chǎn)業(yè)革命的加速推進(jìn)，土木工程對(duì)于提升國(guó)家經(jīng)濟(jì)和改善居民生活起到推動(dòng)作用，土木工程專業(yè)的技術(shù)型、創(chuàng)新型、綜合型人才需求日益增大[1]?！半p一流”建設(shè)在我國(guó)高校正發(fā)展得如火如荼，傳統(tǒng)培養(yǎng)模式已無(wú)法完全適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)，因此急需對(duì)土木工程專業(yè)教學(xué)實(shí)踐方法平臺(tái)進(jìn)行改革創(chuàng)新。虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR/AR)作為一項(xiàng)融合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)等為一體的新興技術(shù)[2-3]，在教學(xué)實(shí)踐、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、工程設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理等方面具有諸多優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?。為了能夠更好地適應(yīng)高校教學(xué)實(shí)踐的發(fā)展創(chuàng)新，本文對(duì)虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(VR/AR)技術(shù)在土木工程教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用進(jìn)行探索?；赩R/AR技術(shù)在高等學(xué)校教學(xué)和實(shí)踐中的發(fā)展現(xiàn)狀，分析當(dāng)前土木工程傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐方法中存在的問(wèn)題，接著對(duì)VR/AR技術(shù)在土木工程教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用創(chuàng)新可達(dá)到的效果進(jìn)行探討，為土木工程教學(xué)實(shí)踐的發(fā)展和創(chuàng)新提供新的思路與方法，最終達(dá)到提升學(xué)習(xí)者的認(rèn)知、經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)能力的效果，目前，虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(VR/AR)技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已獲得較為廣泛的運(yùn)用。

1 VR/AR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(英文名稱：Virtual Reality，縮寫為VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(英文名稱：Augmented Reality，縮寫為AR)的起源可以追溯到20世紀(jì)60年代，其中VR技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)模擬出三維空間的虛擬世界，從感官上的模擬將體驗(yàn)者帶入一個(gè)十分逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，在VR技術(shù)的影響下，可以使得學(xué)生在學(xué)習(xí)中開闊自己的眼界，推進(jìn)“沉浸式”教育的建設(shè)；AR技術(shù)則是一種將虛擬信息與現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合的技術(shù)，以動(dòng)態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)三維事物的呈現(xiàn)，其廣泛用于智能交互、多媒體以及三維建模等領(lǐng)域，將計(jì)算機(jī)中生成的虛擬信息應(yīng)用于真實(shí)世界中，從而達(dá)到對(duì)現(xiàn)實(shí)世界增強(qiáng)的效果。VR/AR技術(shù)在國(guó)內(nèi)的起步晚，兩者雖然在技術(shù)途徑上有所不同，但兩者本質(zhì)是相通的，主要核心要義在于“真實(shí)世界與虛擬信息的集成”“三維尺度空間”和“人機(jī)交互”三者相互結(jié)合，且三者缺一不可[4]。

VR/AR技術(shù)作為新興的媒介手段，在國(guó)內(nèi)教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用中基本處在較為初始的階段，應(yīng)用覆蓋面小，其中裴育苗等[5]將虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)引入醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域中，建立醫(yī)學(xué)教學(xué)所需的儀器和設(shè)備的三維醫(yī)療模型，創(chuàng)建一套具有自然交互的虛擬場(chǎng)景，由此學(xué)生可以在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作，這樣不僅可以對(duì)人體器官和組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的觀察，且可以提升臨床實(shí)操表現(xiàn)；范麗亞等[6]結(jié)合實(shí)際工程，分析了基于HoloLens的人體解剖學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的功能需求、軟硬件的選型、關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)和具體實(shí)施效果；王淑佳等[7]借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)手段，通過(guò)介紹3款融合AR技術(shù)的應(yīng)用程序，將AR技術(shù)與中學(xué)生物學(xué)教學(xué)工作進(jìn)行深度融合。由此可見，國(guó)內(nèi)VR/AR技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用實(shí)踐中主要集中在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，其能夠提供諸多便利，但由于起步較晚，VR/AR技術(shù)普及度和應(yīng)用面有限。

2 土木工程教學(xué)實(shí)踐中存在的問(wèn)題

未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)需要的是實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新力充沛并具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的“復(fù)合型”人才，因此整個(gè)土木工程行業(yè)需要不斷地注入新鮮技術(shù)。作為培養(yǎng)土木工程類人才的各類院校，尤其是對(duì)于土木工程專業(yè)的強(qiáng)校更應(yīng)勇于承擔(dān)起專業(yè)建設(shè)大任，適應(yīng)新形勢(shì)、順應(yīng)新時(shí)代、不斷革新并積極探索新的教學(xué)手段[8-12]。目前土木工程教學(xué)中主要存在以下不足。

2.1 傳統(tǒng)教學(xué)模式呆板、過(guò)程枯燥，交互性不強(qiáng)

土木工程學(xué)科在教學(xué)實(shí)踐中需要數(shù)學(xué)、力學(xué)和專業(yè)基礎(chǔ)課等課程的支撐，但當(dāng)前國(guó)內(nèi)大部分高校在教授課程時(shí)主要依靠板書或者單一的播放PPT，版面書寫授課形式雖能讓學(xué)生清楚地看到知識(shí)點(diǎn)，但也會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，即授課過(guò)程中過(guò)于枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)效率大幅度降低，注意力不易集中在課堂上；而播放PPT的授課形式會(huì)造成學(xué)生跟不上老師的上課進(jìn)度，老師授課時(shí)不可能逐字逐句講述，有時(shí)介紹沒(méi)一會(huì)就翻頁(yè)至后面的內(nèi)容，直接導(dǎo)致學(xué)生錯(cuò)過(guò)許多知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)而致使學(xué)生在思想上開小差。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效受限于教學(xué)資源以及教學(xué)條件

在土木工程本科教育教學(xué)工作中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)讓學(xué)生深入理解理論原理的重要手段，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)很大程度上依賴于教學(xué)資源與教學(xué)條件的質(zhì)量，在教學(xué)資源層面，一方面目前大部分學(xué)校中實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)安排嚴(yán)重不足，學(xué)生難以將知識(shí)點(diǎn)全部吃透，另一方面當(dāng)前各大高校普遍存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、實(shí)驗(yàn)儀器落后的情況；而在教學(xué)條件層面，主要是由師資隊(duì)伍水平反映，師資隊(duì)伍建設(shè)是高校學(xué)科建設(shè)的重要內(nèi)容，在高校弱勢(shì)學(xué)科中師資水平弱的問(wèn)題尤為突出。

2.3 工程實(shí)踐以參觀為主、難以深入學(xué)習(xí)

工程實(shí)踐雖可以使得學(xué)生從實(shí)習(xí)中得到更加全面豐富的實(shí)際生產(chǎn)的知識(shí)，但由于工程實(shí)踐多以參觀的形式呈現(xiàn)，該現(xiàn)象一方面會(huì)造成學(xué)生在整個(gè)實(shí)踐過(guò)程中以游玩為目的，在專業(yè)實(shí)踐上缺乏主動(dòng)性，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、探索創(chuàng)新和解決問(wèn)題的能力上面并沒(méi)有得到提升；另一方面作為土木工程專業(yè)的工程實(shí)踐場(chǎng)地以施工現(xiàn)場(chǎng)為主，受客觀因素影響，有些較為危險(xiǎn)的區(qū)域?qū)W生們無(wú)法進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)該部分內(nèi)容的理解只能停留在課本或者視頻層面。

2.4 考核方式單一，考試多以傳統(tǒng)理論筆試形式為主

授課老師在評(píng)定課程最終成績(jī)時(shí)將考試成績(jī)?cè)谧罱K成績(jī)的占比定為7成以上，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)踐部分占總成績(jī)的比例偏低，任課老師在課程考察時(shí)并未體現(xiàn)實(shí)踐的重要性，重理論輕實(shí)踐的理念深入學(xué)生心中，這將導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)踐部分不重視，把自己的學(xué)習(xí)重心放在筆試上。

3 VR/AR技術(shù)在土木工程教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)用的探索與展望

現(xiàn)階段傳統(tǒng)土木工程教學(xué)實(shí)踐的教學(xué)手段不足以滿足當(dāng)前亟需培養(yǎng)高層次人才的需求。為了更好地激發(fā)學(xué)生對(duì)土木工程學(xué)科的興趣，更好地培養(yǎng)學(xué)習(xí)者主動(dòng)思考、實(shí)踐操練和創(chuàng)新制造的能力，因此對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)實(shí)踐模式進(jìn)行改革是十分有必要的。以提升學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量，開放性實(shí)踐教學(xué)理念旨在將先進(jìn)的技術(shù)融入到傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐工作中，VR/AR技術(shù)作為21世紀(jì)的主流技術(shù)之一，給體驗(yàn)者帶來(lái)的視覺體驗(yàn)是當(dāng)前傳統(tǒng)媒介無(wú)法做到的，可以肯定的是將VR/AR技術(shù)融入到土木工程教學(xué)實(shí)踐中勢(shì)必會(huì)帶來(lái)前所未有的體驗(yàn)，VR/AR學(xué)習(xí)環(huán)境帶給我們的不僅僅是一個(gè)工作平臺(tái)，很大概率上它將會(huì)孕育一種新式的教學(xué)模式或者說(shuō)是教學(xué)手段。

3.1 基于VR/AR技術(shù)的4D教學(xué)模式應(yīng)用

“4D”指的是Designation，Discussion，Difference和Development組成，“4D”講學(xué)模式是依據(jù)金字塔學(xué)習(xí)理論和前蘇聯(lián)教育心理學(xué)家維果茨基提出的“最近發(fā)展區(qū)”(Development)理論，是通過(guò)研究教師和學(xué)生課堂活動(dòng)內(nèi)容和目的，根據(jù)高中實(shí)際，充分結(jié)合目標(biāo)教學(xué)法以及問(wèn)題教學(xué)法優(yōu)點(diǎn)形成的?！?D”教學(xué)模式以學(xué)生為主體，強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，將老師上課的講堂變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)的學(xué)堂。通過(guò)老師有力引導(dǎo)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到高效課堂的目的。將VR/AR技術(shù)廣泛應(yīng)用于課程教學(xué)工作中，該技術(shù)可將虛擬對(duì)象與現(xiàn)實(shí)環(huán)境有機(jī)結(jié)合在一起，因其具有的較強(qiáng)交互性特點(diǎn)，可以為學(xué)生提供一個(gè)能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的虛擬世界，這無(wú)疑在滿足學(xué)生的好奇心的同時(shí)，以一種新穎的方式為學(xué)生傳授知識(shí)，從而可以大幅度提升授課老師的課程質(zhì)量，并能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，恰恰符合“4D”教學(xué)模式的理念，可見VR/AR技術(shù)在其中能得到良好的應(yīng)用。

3.2 基于VR/AR技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

以華東交通大學(xué)《土力學(xué)》實(shí)驗(yàn)課程為例，土力學(xué)顧名思義是一門研究土體的學(xué)科，主要是研究土體的應(yīng)力應(yīng)變、強(qiáng)度、滲流以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。常見的土工包括：1)土的含水率實(shí)驗(yàn)；2)土的密度實(shí)驗(yàn)；3)土的液塑限實(shí)驗(yàn)；4)土的固結(jié)實(shí)驗(yàn)；5)土的直剪試驗(yàn)；6)土的三軸剪切實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)際土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常碰到以下問(wèn)題：

1)實(shí)驗(yàn)課時(shí)安排有限，目前國(guó)內(nèi)高校中土力學(xué)實(shí)驗(yàn)課時(shí)多集中在5個(gè)～8個(gè)課時(shí)，且存在學(xué)生多設(shè)備少的現(xiàn)象，因此，學(xué)生實(shí)際上可操作的時(shí)間偏少，對(duì)于簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生尚可在有限的時(shí)間完成，但對(duì)于一些耗時(shí)較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生實(shí)際上往往做的效果差，甚至無(wú)法順利開展一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

2)授課方式比較單一，多媒體教學(xué)學(xué)生參與率低，且理論課與實(shí)驗(yàn)課脫離現(xiàn)象嚴(yán)重?，F(xiàn)階段，大多數(shù)高校施行理論課程與實(shí)驗(yàn)課程分開教學(xué)，這將會(huì)直接導(dǎo)致課程銜接不當(dāng)，分開教學(xué)一方面會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課程滯后于理論課程，學(xué)生在上實(shí)驗(yàn)課程時(shí)難以銜接上既學(xué)的理論知識(shí)，一定程度上影響到學(xué)生將理論運(yùn)用到實(shí)踐中的能力；另一方面，一般實(shí)驗(yàn)課程均會(huì)設(shè)置專門的實(shí)驗(yàn)室老師，不同的授課老師一般授課風(fēng)格與教學(xué)思路也不同，這往往影響到課程質(zhì)量。

3)實(shí)驗(yàn)課程安排模式化。由于教學(xué)課時(shí)安排在教學(xué)初期均已既定，學(xué)生基本上是依據(jù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)安排而進(jìn)行具體某個(gè)實(shí)驗(yàn)，這會(huì)導(dǎo)致學(xué)生難以將相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合與對(duì)比分析，例如我們常說(shuō)的直剪試驗(yàn)，其包括直接剪切實(shí)驗(yàn)與三軸剪切實(shí)驗(yàn)，在特定的課時(shí)中，學(xué)生總是做著課時(shí)安排里相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上如果能夠同時(shí)進(jìn)行直接剪切實(shí)驗(yàn)和三軸剪切，這樣可以使得學(xué)生加深理解兩種剪切實(shí)驗(yàn)的異同點(diǎn)。又如直接剪切實(shí)驗(yàn)又可細(xì)分為快剪、慢剪和固結(jié)快剪實(shí)驗(yàn)三種方式，若能同時(shí)進(jìn)行三種試驗(yàn)操作將有利于學(xué)生區(qū)分三者的區(qū)別，這無(wú)疑可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，在一定程度上可以規(guī)避學(xué)生出現(xiàn)知識(shí)混淆的現(xiàn)象。

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、課時(shí)安排以及實(shí)驗(yàn)室人員配置等因素的制約，想要解決上述問(wèn)題十分困難，因此虛擬實(shí)驗(yàn)室的存在一定程度上可以解決上述問(wèn)題。虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)可利用VR/AR技術(shù)，學(xué)生可以像是在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室那樣親身動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，不被客觀因素制約，學(xué)校利用該虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)參與試驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行線上實(shí)操培訓(xùn)，可向?qū)W生提供更為直觀的、交互性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，進(jìn)而能較好地提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，提升教學(xué)質(zhì)量。

3.3 “現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)+VR/AR技術(shù)”工程實(shí)踐多元化模式的應(yīng)用

以華東交通大學(xué)的施工實(shí)習(xí)為例，施工實(shí)習(xí)在土木工程專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中是一項(xiàng)必不可少的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它是所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)際工程實(shí)踐的統(tǒng)一，學(xué)校會(huì)為土木工程專業(yè)學(xué)生安排為期一至兩天的隧道施工實(shí)習(xí)，目的是使得學(xué)生在認(rèn)知上初步了解隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其主要施工過(guò)程，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐恰恰是工程教育中重要組成部分。以盾構(gòu)法隧道施工為例，盾構(gòu)法隧道施工的種類主要包括泥水盾構(gòu)和土壓盾構(gòu)兩種形式，施工工序主要內(nèi)容如下：

1)始發(fā)豎井。始發(fā)豎井的目的在于為盾構(gòu)機(jī)提供場(chǎng)地用以設(shè)備的組裝與安置。

2)盾構(gòu)機(jī)的拼裝。指的是先在拼裝室底端鋪設(shè)一定厚度混凝土材質(zhì)的墊層，并在墊層內(nèi)部埋設(shè)鋼軌。

3)盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)。其目的是使得盾構(gòu)機(jī)從始發(fā)口進(jìn)入地層中，開始一系列掘進(jìn)工作。

4)管片拼裝。在盾構(gòu)掘進(jìn)后迅速將管片拼裝成環(huán)，大部分情況需要采取錯(cuò)縫拼裝。

5)盾尾同步注漿并及時(shí)進(jìn)行二次注漿。盾構(gòu)在推進(jìn)過(guò)程中，需要在拼裝襯砌管片的同時(shí)對(duì)襯砌管片與圍巖之間的盾尾間隙進(jìn)行注漿，若注漿效果不佳時(shí)需要進(jìn)行二次補(bǔ)注漿。

6)盾構(gòu)掘進(jìn)出土。泥水盾構(gòu)的出土方式是將開挖土料與泥漿混合，由泥漿泵輸送到洞外并進(jìn)行分離，而土壓盾構(gòu)的出土方式則是由螺旋輸料器旋轉(zhuǎn)將土料運(yùn)出。

由于上述施工場(chǎng)地存在一定的危險(xiǎn)性，大多數(shù)施工工藝學(xué)生們無(wú)法親臨現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)，僅可通過(guò)理論知識(shí)或者微視頻的方式從側(cè)面進(jìn)行學(xué)習(xí)，無(wú)疑VR/AR技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)工程實(shí)踐來(lái)說(shuō)是一個(gè)福音，借助VR/AR技術(shù)，可以讓學(xué)生對(duì)盾構(gòu)掌子面掘進(jìn)、螺旋機(jī)出土、管片拼裝、盾尾同步注漿等細(xì)節(jié)過(guò)程進(jìn)行可視化學(xué)習(xí)，進(jìn)而可以全面地了解盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

土木工程是一門十分重視實(shí)踐性與操作性的學(xué)科，虛擬教育(結(jié)合VR/AR技術(shù))同人工智能和大數(shù)據(jù)一樣被譽(yù)為影響未來(lái)科技創(chuàng)新的三大領(lǐng)域，因此VR/AR技術(shù)的應(yīng)用無(wú)疑為我國(guó)傳統(tǒng)土木工程教學(xué)實(shí)踐手段提供了良好契機(jī)。利用VR/AR技術(shù)開展土木工程專業(yè)教學(xué)實(shí)踐工作，可以將傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐中難以親身操作的教學(xué)內(nèi)容形象的展現(xiàn)出來(lái)，相信“VR/AR技術(shù)+教學(xué)實(shí)踐”會(huì)碰撞出不一樣的花火，讓虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與教學(xué)實(shí)踐完美結(jié)合在一起，能夠更好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐手段中存在的諸多問(wèn)題，為土木工程教學(xué)實(shí)踐的發(fā)展和創(chuàng)新提供新穎的思路與方法，從而推動(dòng)土木工程教學(xué)實(shí)踐工作步入新時(shí)代。