基于虛擬仿真技術(shù)的土木工程施工實(shí)踐教學(xué)改革與探討

陳佳 鄧曦 田靜

摘?要：隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已是推動(dòng)高校教育信息化的重要抓手。本文首先結(jié)合防災(zāi)科技學(xué)院土木工程施工實(shí)習(xí)存在的問題，分析了虛擬仿真技術(shù)在土木工程施工實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用的必要性;其次從教學(xué)管理、教學(xué)資源庫、師生交流學(xué)習(xí)、智能評(píng)價(jià)四個(gè)模塊構(gòu)建了虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái);最后從明確教學(xué)任務(wù);分組;熟悉施工工藝原理，操作工具、材料及程序;學(xué)生利用軟件模擬施工操作;針對(duì)存在問題進(jìn)行小組討論并總結(jié);撰寫報(bào)告及成績(jī)?cè)u(píng)定;教學(xué)反思七步分析了如何實(shí)施虛擬仿真教學(xué)。虛擬仿真教學(xué)以其高效、低成本、內(nèi)容豐富、性能有效和安全等優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于土木工程施工實(shí)習(xí)，較好地實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化，有利于提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：土木工程施工;實(shí)踐教學(xué);虛擬仿真技術(shù)

中圖分類號(hào)：G4?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.35.079

0?引言

教育部頒發(fā)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》中提出以教育信息化帶動(dòng)教育現(xiàn)代化，是我國(guó)教育事業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇，大力推進(jìn)信息機(jī)技術(shù)與教育融合，促進(jìn)創(chuàng)新教育模式的改革。同時(shí)，習(xí)近平主席在致首屆國(guó)際教育信息化大會(huì)（2015年）的賀信中也提到“積極推動(dòng)信息技術(shù)與教育融合創(chuàng)新發(fā)展”，“堅(jiān)持不懈推進(jìn)教育信息化，努力以信息化為手段擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)教育資源覆蓋面”。由此可見，將教學(xué)信息化作為主要手段，探索將信息技術(shù)與教學(xué)融合，既有良好的政策環(huán)境又符合時(shí)代對(duì)教育改革的要求。虛擬仿真教學(xué)是信息技術(shù)與教學(xué)有效融合的產(chǎn)物，是教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容。虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)將課程內(nèi)容全面、生動(dòng)地展示給學(xué)生，增強(qiáng)學(xué)生的融入感，提升其學(xué)習(xí)興趣及動(dòng)手能力，已成為實(shí)踐教學(xué)改革的必然趨勢(shì)。文獻(xiàn)分析了虛擬仿真技術(shù)在施工技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用，但未給出具體如何實(shí)施。許慧從工程管理專業(yè)教學(xué)信息化平臺(tái)建設(shè)出發(fā)，從施工技術(shù)和項(xiàng)目管理實(shí)踐兩個(gè)角度分析了虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用。胡振華主要對(duì)土木工程試驗(yàn)中如何有效應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)做了分析。由此可見，雖然目前已有大量文獻(xiàn)研究虛擬仿真教學(xué)，但仍處于初級(jí)階段，對(duì)于虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)的內(nèi)容及如何在教學(xué)中實(shí)施研究較少。

1?虛擬仿真技術(shù)在土木工程施工實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用的必要性

新常態(tài)下，應(yīng)用型本科院校教學(xué)質(zhì)量的優(yōu)劣更多體現(xiàn)在學(xué)生動(dòng)手、實(shí)踐和創(chuàng)新能力，而這些能力是通過學(xué)校的各項(xiàng)實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)中培養(yǎng)的，也是職業(yè)能力的基礎(chǔ)。實(shí)踐教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、職業(yè)能力及創(chuàng)造思維等專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的重要教學(xué)手段，也是學(xué)生接觸工程實(shí)際、獲得工程師基本訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)，能否達(dá)到預(yù)期實(shí)習(xí)效果對(duì)于學(xué)生掌握相關(guān)專業(yè)知識(shí)和技能具有重要影響。

土木工程施工實(shí)習(xí)是我校工程管理和土木工程專業(yè)必修的一門實(shí)踐課程，學(xué)生需要在工地完成三周的施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)，包括熟悉圖紙內(nèi)容、施工工藝、質(zhì)量與安全管理等內(nèi)容，即通過實(shí)踐實(shí)現(xiàn)知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化。但是，在實(shí)際的教學(xué)中存在以下問題：（1）由于現(xiàn)場(chǎng)安全隱患因素多，滿足實(shí)習(xí)條件的工地較少;（2）實(shí)習(xí)時(shí)間較短，且受到氣候、政策檢查等因素的制約，學(xué)生難以對(duì)不同類型、不同技術(shù)要求的項(xiàng)目施工全過程學(xué)習(xí);（3）施工實(shí)習(xí)全部在現(xiàn)場(chǎng)完成，師生在現(xiàn)場(chǎng)的吃喝住等問題需要解決，實(shí)習(xí)成本較高;（4）施工現(xiàn)場(chǎng)工期緊張、任務(wù)繁重，校外指導(dǎo)教師很難全程指導(dǎo)，校內(nèi)教師又缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)且指導(dǎo)學(xué)生數(shù)量過多，實(shí)習(xí)效果不夠理想;（5）教學(xué)過程中往往通過日志、報(bào)告、答辯等形式綜合評(píng)定，缺乏過程考核。因此，對(duì)于如何解決上述問題，提高實(shí)踐教學(xué)效果已經(jīng)成為我校教師需要解決的迫在眉睫的問題。

2018年《教育部關(guān)于開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》指出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措。虛擬仿技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)物體的相關(guān)信息進(jìn)行還原，具有形象、生動(dòng)、直觀、高效的特點(diǎn)。土木工程施工仿真實(shí)踐教學(xué)可以整合現(xiàn)有的土木工程施工前沿技術(shù)、各種結(jié)構(gòu)類型、各種施工技術(shù)的素材庫，打破現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)模式，解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的各種問題。不僅擴(kuò)充了專業(yè)課程信息量，也使得課程內(nèi)容直觀全面、生動(dòng)有趣，較好地提高了學(xué)生對(duì)課程的興趣并提升學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解度，現(xiàn)已成為實(shí)踐教學(xué)補(bǔ)充的重要手段。

2?土木工程施工虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

土木工程施工虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)以學(xué)生需求為出發(fā)點(diǎn)，以提高教學(xué)質(zhì)量為目的，以培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)能力為目標(biāo)，以互聯(lián)網(wǎng)、虛擬仿真技術(shù)等信息化手段為支撐，構(gòu)建一個(gè)適合我校土木工程施工類課程的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。其包括教學(xué)管理、教學(xué)資源庫、師生交流學(xué)習(xí)、智能評(píng)價(jià)四大模塊，基本可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)管理、虛擬教學(xué)與自主學(xué)習(xí)、師生交流、網(wǎng)上答疑、智能評(píng)價(jià)等功能。

（1）教學(xué)管理模塊：主要進(jìn)行系統(tǒng)管理和教學(xué)管理，包括對(duì)注冊(cè)登記、權(quán)限設(shè)置、公告、課程設(shè)置、學(xué)習(xí)情況、教師和學(xué)生基本情況等管理。

（2）教學(xué)資源庫模塊：本模塊是該平臺(tái)的核心，需要建立一個(gè)資料豐富、方便查詢、便于操作的資源庫，以便于適應(yīng)不同教學(xué)內(nèi)容的要求。具體包括工藝視頻、施工動(dòng)畫、課程視頻、文字資料等。

（3）師生交流學(xué)習(xí)模塊：能夠?qū)崿F(xiàn)師生之間、學(xué)生之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互與協(xié)作?？梢圆煌纳矸葸M(jìn)入虛擬情境中，觀看和操作虛擬施工過程，獲得親身經(jīng)歷的體驗(yàn)，并可以相互討論和相互協(xié)作學(xué)習(xí)。

（4）智能評(píng)價(jià)模塊：通過此模塊教師可以對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的具體實(shí)施加以評(píng)價(jià)，也可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生之間相互評(píng)價(jià)，以便更好地為教學(xué)管理提供服務(wù)。

3?虛擬仿真技術(shù)在土木工程施工實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用

為了使學(xué)生更好地掌握施工工藝及施工原理，并培養(yǎng)分析和解決工程實(shí)際問題的能力，在教學(xué)中采用虛實(shí)結(jié)合的方式，將工程實(shí)際與三維仿真系統(tǒng)建立統(tǒng)一對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)過程中的實(shí)施過程為：明確教學(xué)任務(wù)——分組——熟悉施工工藝原理，操作工具、材料及程序——學(xué)生利用軟件模擬施工操作——針對(duì)存在問題進(jìn)行小組討論并總結(jié)——撰寫報(bào)告及成績(jī)?cè)u(píng)定——教學(xué)反思。

3.1?明確教學(xué)任務(wù)

在上課前，根據(jù)課程教學(xué)大綱和教學(xué)要求，教師采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式開展教學(xué)工作，讓學(xué)生明確教學(xué)目標(biāo)及任務(wù)。

3.2?分組

為了更好地培養(yǎng)學(xué)生溝通及團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，本課程采用分組形式進(jìn)行，一般以3人為一組，組內(nèi)可以溝通交流，分享經(jīng)驗(yàn)，組間可以形成競(jìng)爭(zhēng)，相互點(diǎn)評(píng)。

3.3?熟悉施工工藝原理，操作工具、材料及程序

此過程可由學(xué)生根據(jù)資源庫資料自行學(xué)習(xí)也可由教師講解并演示工藝原理、實(shí)操流程、材料及機(jī)具的選取等。主要是根據(jù)仿真平臺(tái)的內(nèi)置資源進(jìn)行工程實(shí)體虛擬環(huán)境學(xué)習(xí)，使學(xué)生有真正的操作感覺，有效提升學(xué)習(xí)興趣。在此階段，教師盡量不要強(qiáng)化教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)及操作注意事項(xiàng)，應(yīng)由學(xué)生不斷去探索與發(fā)掘。

3.4?學(xué)生利用軟件模擬操作施工過程

在熟悉了基本原理及操作后，學(xué)生進(jìn)入仿真環(huán)節(jié)，在沒有任何提示的前提下學(xué)生親自動(dòng)手操作。在此過程中，學(xué)生可能會(huì)遇到一些問題，為了有效培養(yǎng)學(xué)生分析問題及解決問題的能力，先讓組內(nèi)同學(xué)通過查閱規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等自行解決，解決不了的再由教師及時(shí)給予輔導(dǎo)。

3.5?針對(duì)存在問題進(jìn)行小組討論并總結(jié)

根據(jù)仿真過程中出現(xiàn)的理論或操作問題，每小組進(jìn)行總結(jié)并發(fā)言。在此過程中，可以鍛煉學(xué)生的言語表達(dá)能力、分析問題的能力。而這些問題往往是工程中常發(fā)生的，因此，通過真實(shí)體會(huì)現(xiàn)場(chǎng)存在的問題加深印象，便于記住以便后期工作過程中出現(xiàn)類似問題。在此過程中，教師可以針對(duì)學(xué)生所存在的問題進(jìn)行講授并加以強(qiáng)調(diào)，以幫助學(xué)生掌握相關(guān)內(nèi)容。

3.6?撰寫報(bào)告并成績(jī)?cè)u(píng)定

經(jīng)過小組討論后，學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)直到熟練掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。課后學(xué)生撰寫實(shí)踐報(bào)告，教師根據(jù)過程學(xué)習(xí)情況、仿真操作情況、發(fā)言及回答問題情況、教學(xué)互動(dòng)情況、報(bào)告撰寫情況進(jìn)行綜合評(píng)定成績(jī)。

3.7?教學(xué)反思

課后教師應(yīng)針對(duì)教學(xué)過程中存在的問題和教學(xué)效果進(jìn)行總結(jié)和反思，并形成改進(jìn)方案。為了有效推進(jìn)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)改革，在教學(xué)運(yùn)行一個(gè)周期后，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的反饋，及時(shí)調(diào)整實(shí)施方案，并對(duì)相關(guān)資源進(jìn)行完善和補(bǔ)充，以保證其實(shí)施效果。

4?結(jié)論

虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)在土木工程施工中的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)教育信息化工作的基本手段，符合教育改革的需求。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)也克服了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中存在的各種問題，并以其高效、低成本、內(nèi)容豐富、性能有效和安全等優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)過程中，讓學(xué)生感知和操作虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的施工過程，較好地實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化，幫助學(xué)生全面掌握所學(xué)知識(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]張建云.仿真數(shù)字化技術(shù)在建筑施工工藝課程中的應(yīng)用[J].中國(guó)多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)報(bào)，2019，（2）.3-5.

[2]王浩.虛擬仿真技術(shù)在土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用探索[J].智庫時(shí)代，2019，（10）：208-226.

[3]楊春燕.BIM虛擬仿真技術(shù)在建筑工程施工技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017，（9）：150.

[4]許慧.虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)在工程管理專業(yè)人才培養(yǎng)中的應(yīng)用研究[J].江蘇科技信息，2018，（23）：28-30.

[5]胡振華.土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與思考[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，（10）：218-220.

[6]教育部關(guān)于開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20180607_338713.html.