虛擬現(xiàn)實技術在土木工程成人教育中的應用研究

李 成 李皓月 蔡 伽

(河北開放大學 河北石家莊 050080)

1 引言

作為一門傳統(tǒng)的工科專業(yè)，土木工程專業(yè)與實際工程聯(lián)系緊密，具有很強的實踐性特征。Jaron Lanier在20世紀80年代初提出Virtual Reality，直譯為虛擬現(xiàn)實，它的含義是：把客觀世界中的某一局部用電子的方式模擬出來，并且能夠讓人進入這個局部世界，猶如身臨其境；而且這種身臨其境不是靜態(tài)的，當你在該局部世界活動時，你會感到“境”的相應變化[1]。本文將虛擬現(xiàn)實技術融入到土木工程專業(yè)成人教育中，為探索線上線下融合的教學模式，提高專業(yè)教學質量提供參考。

2 傳統(tǒng)土木工程成人教育課程教學實施過程中存在的問題

2.1 教學效果參差不齊

由于教師教學技術手段的差異和學生積極性、基礎水平的不同，導致傳統(tǒng)成人教育教學效果參差不齊，教師無法通過平臺把握學生的理解、領悟水平，學生存在學習效率低下，難以找到興趣點的問題，學生很難完成對所學知識的有效建構。

2.2 教師與學生之間缺乏互動和交流

在傳統(tǒng)的成人教育教學過程中，教師通過教學平臺上傳文本、視頻等課程資源，學生主要在教學平臺上進行課程的學習，雖然每個學期都設置有答疑環(huán)節(jié)和面授導學，但教師和學生之間難以通過此過程建立有效的互動和交流。同時，在講授課程的過程中，教師無法有效、及時獲得學生的互動反饋，導致部分教師的興趣下降，按照自己的進度開展教學，忽略了學生的感受。

2.3 學生課堂體驗感不足

受技術水平瓶頸的限制，學生通過教學平臺學習的課堂體驗感不足，難以獲得沉浸感。尤其對于工科領域一些實踐性很強的教學科目，單純的二維平面教學使得基礎知識不牢固的成人學習者難以很好理解抽象的理論知識，更不能在實踐中得到很好的應用。

3 虛擬現(xiàn)實技術的特征

虛擬現(xiàn)實技術有以下幾方面的特征：（1）交互性。虛擬現(xiàn)實技術具有很強的交互性特征，通過人機交互系統(tǒng)的設置，用戶能夠使用頭盔顯示器、鍵盤、鼠標等設備達到與虛擬世界進行交互的目的。同時，用戶還能利用自己的語言、肢體動作等操作虛擬世界中的實物。（2）沉浸性。虛擬現(xiàn)實技術通過計算機技術將人類視覺和聽覺系統(tǒng)進行整合從而構成一個非真三維的圖像世界。用戶只需要戴上特定的頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等設備，就可以很好地融入虛擬環(huán)境中，產生很強的沉浸感。（3）建構性。虛擬現(xiàn)實技術具有很強的建構性特征，主要體現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實技術可以有效拓展視野，為使用者提供了豐富而廣闊的想象空間，達到土木工程成人學習者主動建構知識的目的。（4）多感知性。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中不僅有視覺和聽覺系統(tǒng)，而且有觸覺和動覺系統(tǒng)，因此用戶在系統(tǒng)中能夠享受到多種方面的感知，產生真實世界的體驗。

4 線上線下融合的教學模式構建與應用

“建構主義(constructivism)”也翻譯為結構主義[2]，瑞士心理學家皮亞杰(J.Piaget)最早提出建構主義理論[3]。根據(jù)建構主義基本思想，學習者獲取知識的過程是在一定的情景下，在老師或者學習伙伴的幫助下，通過意義建構的方式對學習資料的學習。在建構學習的過程中，教師僅僅起到組織、幫助、指導的輔助作用，學生起主要的構建作用。根據(jù)建構主義的教學觀，學生在建構學習的過程中，并不是學到多少知識點，而是根據(jù)教師提供的線索不斷構建知識框架、開發(fā)新的思維方式，從而達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和自主學習的目的。借助虛擬現(xiàn)實技術，為學生提供一個豐富、逼真的教學情景，使學生有充足的獨自建構知識框架的空間，保證學生在“最近發(fā)展區(qū)”學習，從而達到教師和學生之間相互促進、互相協(xié)調發(fā)展的良性循環(huán)。

1975年芝加哥大學Mihaly Csikszentmihalyi博士首次提出沉浸理論：人們在某項活動中，完全排他，沉浸在活動當中，達到只關注活動本身，注意力高度集中的狀態(tài)[4]。教學模式設計過程中一個非常重要的方面就是沉浸感。在實際土木工程成人教育教學中，學生由于各種原因不能將所學到的理論知識，尤其是動手操作性強的技能得到應用。借助于虛擬現(xiàn)實技術，使學生在練習的過程中產生強烈的沉浸感，使學生更好得進行深度學習，有助于其創(chuàng)造性思維的開發(fā)，提高其學習效率[5]。

基于建構主義和沉浸理論構建土木工程成人教育線上線下有機融合的教學模式并探索其在土木工程理論和實踐教學中的應用。

4.1 理論教學中的應用

選取對學生理解能力高的課程，例如：建筑結構、建筑施工技術、建筑力學、建設監(jiān)理、鋼結構等，探索虛擬現(xiàn)實技術與土木工程理論課程的深度融合，在教學大綱、教學方法以及課程考核中增加虛擬現(xiàn)實技術元素，通過拓寬成人學生的學習途徑達到提升學習興趣、提高成人學生學習主動性的目的。

通過將多門關聯(lián)性強的專業(yè)基礎課、專業(yè)課、專業(yè)拓展課集合構建虛擬現(xiàn)實技術綜合教學平臺進行交叉課程的融合。人本主義學習理論認為，學習者是學習的中心，要在個人需求的基礎上進行所有的學習活動[6]。在理論教學中引入虛擬現(xiàn)實技術可以使成人學生在線上學習之余，發(fā)揮主觀能動性完成課程的實踐，加深對所學理論知識的理解，提高成人學生實際操作能力，達到線上線下有機融合的目標。

4.2 實踐教學中的應用

實訓、實驗和實習是土木工程專業(yè)課程實踐類教學的三個主要方面。土木工程實訓是學生進行實踐操作，培養(yǎng)動手能力的重要實踐環(huán)節(jié)，在虛擬現(xiàn)實技術的基礎上開發(fā)虛擬實踐系統(tǒng)，可以有效降低實訓成本，降低學生的實訓過程中的風險。土木工程類的相關實驗大部分造價非常昂貴，實驗設備和實驗場地要求也很高，采用虛擬現(xiàn)實技術并制定相關的實驗規(guī)程能夠大幅度減少實驗費用，同時也能滿足成人學生靈活的學習特點，取得令人滿意的實驗效果。在土木工程專業(yè)實習方面，在虛擬現(xiàn)實基礎上建立土木工程虛擬實習基地，使成人學生參與到整個工程的全過程建設中，而且可以進行相關實習內容的回放，使成人學生獲得多方面、全方位的實習體驗。

5 結語

虛擬現(xiàn)實技術在土木工程成人教學中具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。通過虛擬現(xiàn)實技術在土木工程成人理論、實踐教學中的應用，可以有效解決傳統(tǒng)土木工程成人教育課程教學實施過程中存在的問題，提高學生的學習效率，提升學生的學習體驗，實現(xiàn)線上教學與線下體驗的有機融合。