虛擬仿真實訓(xùn)平臺在《橋梁工程》課程教學(xué)中的應(yīng)用及探究

汪荷玲，李 丹

（廣州城市職業(yè)學(xué)院；廣州市城市建設(shè)職業(yè)學(xué)校，廣東 廣州 510000）

0 前言

虛擬仿真實訓(xùn)平臺是通過計算機(jī)預(yù)先建構(gòu)基礎(chǔ)三維圖像模型，經(jīng)過編程及特定的VR設(shè)備，可在計算機(jī)中生成虛擬現(xiàn)實，戴上特殊設(shè)備后人仿佛進(jìn)入了計算機(jī)虛擬世界中，可觀察、操作、互動，非常適合一些實踐性強(qiáng)的課程教學(xué)使用[1]。

橋梁工程是道路與橋梁工程技術(shù)專業(yè)的核心課程，其教學(xué)內(nèi)容涉及面廣、技術(shù)性高、實踐性強(qiáng)、技術(shù)發(fā)展快、與實際工程聯(lián)系緊密[1]。橋梁工程施工中涉及較多的大型施工機(jī)械、不同的施工方法、復(fù)雜的施工工藝、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕そM織，課程內(nèi)容抽象、煩瑣，僅僅依靠老師課堂講解，學(xué)生很難真正掌握橋梁施工技術(shù)。

1 虛擬仿真實訓(xùn)平臺應(yīng)用的必要性

橋梁工程施工項目結(jié)構(gòu)體量大，建設(shè)周期長，老師不可能將工程現(xiàn)場搬到課堂進(jìn)行實時教學(xué)；且橋梁工程施工環(huán)節(jié)多，工藝復(fù)雜，僅僅依靠老師課堂講解，學(xué)生難以真正理解；再者橋梁工程施工工藝工法具有單向性，一旦完成不可逆，也不能重復(fù)進(jìn)行；況且目前處于后疫情時代，若讓學(xué)生去現(xiàn)場學(xué)習(xí)，極大地增加了安全隱患和防疫風(fēng)險。虛擬仿真實訓(xùn)平臺將真實的施工現(xiàn)場情境進(jìn)行“再現(xiàn)”，可以使學(xué)生在虛擬場景中進(jìn)行人機(jī)交互，減少理論或?qū)嵺`知識掌握不足造成的設(shè)備損壞和安全事故[2]，故虛擬仿真實訓(xùn)平臺在橋梁課程中的應(yīng)用，是解決工科職業(yè)教育中“看不到、進(jìn)不去、成本高、危險性大”等特殊困難的有效手段，虛擬仿真實驗教學(xué)是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物[3]。

2020年9月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化實施方案（2018—2022年）》，提出大力推進(jìn)教育信息化，加快推進(jìn)智慧教育創(chuàng)新發(fā)展，設(shè)立“智慧教育示范區(qū)”，開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目等建設(shè)。國務(wù)院印發(fā)《國家職業(yè)教育改革實施方案》（職教20條）指出，適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育”發(fā)展需求，運用現(xiàn)代信息技術(shù)改進(jìn)教學(xué)方式方法，推進(jìn)虛擬工廠等網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間建設(shè)和普遍應(yīng)用。故虛擬仿真實訓(xùn)平臺在教學(xué)中的應(yīng)用，既是迎合國家政策，又可推動虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

開展虛擬仿真實驗教學(xué)，能夠拓展實驗及實踐教學(xué)的深度和廣度，提高教學(xué)實效，實現(xiàn)理論與實踐教學(xué)的緊密結(jié)合[4]。虛擬仿真實訓(xùn)平臺應(yīng)用于橋梁工程課程中，可立體呈現(xiàn)橋梁各個構(gòu)件的尺寸及位置關(guān)系，可模擬展示各施工環(huán)節(jié)，拉近了課堂與施工現(xiàn)場的距離，實現(xiàn)了學(xué)校專業(yè)與企業(yè)就業(yè)的對接，為提高學(xué)生的職業(yè)能力和就業(yè)質(zhì)量打下一定的基礎(chǔ)。依托橋梁工程施工虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，學(xué)校不僅可以開展面向?qū)嶋H生產(chǎn)過程的實訓(xùn)教學(xué)，還可以面向施工企業(yè)開展員工培訓(xùn)，提高虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的利用率，更好地促進(jìn)橋梁工程領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展[5]。

2 虛擬仿真實訓(xùn)平臺教學(xué)應(yīng)用案例

本文運用的虛擬仿真教學(xué)平臺是北京睿格致科技有限公司研發(fā)的建設(shè)工程立體知識云庫平臺，該平臺包括土建施工類、市政道橋類、工程管理等不同專業(yè)模塊。本文采用的是市政道橋類模塊，該模塊又包括橋涵、道路、隧道等模塊，橋涵工程包括施工準(zhǔn)備、基礎(chǔ)工程、下部結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)、附屬工、涵洞工程、橋梁模型教具、特殊橋梁結(jié)構(gòu)施工等教學(xué)模塊，基本涵蓋了橋涵工程施工的所有領(lǐng)域。通過賬號密碼，進(jìn)入平臺后找到相應(yīng)的教學(xué)模塊就可進(jìn)行教學(xué)和學(xué)習(xí)。

本課程采用虛擬仿真技術(shù)與項目化教學(xué)相結(jié)合教學(xué)模式，以實際工程案例為載體，運用任務(wù)驅(qū)動法，整個教學(xué)環(huán)節(jié)通過課前預(yù)習(xí)、計劃，課中展示、實施，課后評價完成課程教學(xué)，整個教學(xué)過程涵蓋學(xué)、教、練、考、評等教學(xué)方法。下面以橋梁工程中的樁基礎(chǔ)施工為例，分別從課前、課中、課后三個環(huán)節(jié)對虛擬仿真實訓(xùn)平臺的應(yīng)用進(jìn)行詳解。

（1）課前：老師課前將從虛擬仿真教學(xué)平臺中調(diào)取樁基施工準(zhǔn)備知識的視頻和資料，及老師收集的工程項目資料，課前2天通過學(xué)習(xí)平臺發(fā)給學(xué)生，并發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)及相關(guān)知識的討論，讓學(xué)生分好組，各組提前閱讀和查閱資料，搞清楚樁基施工前應(yīng)做好哪些準(zhǔn)備工作，弄懂橋梁樁基礎(chǔ)的作用、樁基的分類等任務(wù)，課堂上各組推選代表發(fā)表各組的看法。整個課前教學(xué)過程稱之為“學(xué)”。

（2）課中：老師會先檢查預(yù)習(xí)情況，讓各組代表發(fā)言討論回復(fù)課前任務(wù)，并進(jìn)行點評和打分。接著老師通過思維導(dǎo)圖講解鉆孔灌注樁的施工工序：施工準(zhǔn)備→場地整理→測量放線→開挖泥漿池→鉆機(jī)就位→埋設(shè)護(hù)筒→鉆孔→清孔→吊放鋼筋籠→下導(dǎo)管→二次清孔→澆筑水下混凝土及拔導(dǎo)管→拆除護(hù)筒→破除樁頭施工，同時指導(dǎo)學(xué)生查看和學(xué)習(xí)虛擬仿真實訓(xùn)平臺里樁基施工的4D微課、相關(guān)視頻及工程圖片（簡稱“教”），待整個施工工序講完后，老師在虛擬仿真實訓(xùn)平臺的教學(xué)管理中發(fā)布課堂任務(wù)。利用虛擬仿真平臺的“3D互動練”模塊，讓學(xué)生置身于施工現(xiàn)場，扮演施工員，按照實訓(xùn)平臺的提示及老師的現(xiàn)在指導(dǎo)，進(jìn)行鉆孔灌注樁的全過程施工練習(xí)（簡稱“練”）。學(xué)生成功完成練習(xí)后，可查看考核綜合得分情況，自核自己任務(wù)的完成情況，不過關(guān)的還可重復(fù)練習(xí)。當(dāng)學(xué)生基本掌握鉆孔灌注樁的施工工序后，老師可擇時發(fā)布考試任務(wù)，利用虛擬仿真平臺的“3D互動考”模塊，讓學(xué)生獨立完成鉆孔灌注樁的施工，熟練掌握施工步驟，鞏固施工技能，完成該任務(wù)的考試，平臺有相應(yīng)的分?jǐn)?shù)與考后解析（簡稱“考”）。最后老師通過教學(xué)管理系統(tǒng)查看成績分析，了解學(xué)生的掌握情況并進(jìn)行打分。

（3）課后：課堂教學(xué)結(jié)束后，老師可以發(fā)布作業(yè)，如：利用思維導(dǎo)圖畫出鉆孔灌注樁的施工工序。除了采用旋挖鉆機(jī)成孔外，還有什么成孔方式、用到哪些機(jī)械、工藝又如何？或者孔灌注、挖孔樁、預(yù)制樁的適用條件分別是什么？也可以發(fā)布課后測評，學(xué)生完成后上傳至平臺反饋給老師，以便老師進(jìn)行每次課的教學(xué)評價。每學(xué)完一個章節(jié)，老師會組織一次學(xué)習(xí)成果匯報，以便老師進(jìn)行階段性評價和教學(xué)反思。

3 教學(xué)過程效果評價

由于實踐性較強(qiáng)的課程，更注重過程性評價，故下文中的教學(xué)效果評價均是指過程性評價。課程教學(xué)過程效果評價包括兩種方式：學(xué)生自評和教師評價。學(xué)生自評是根據(jù)學(xué)習(xí)效果驗收情況進(jìn)行評價，以樁基礎(chǔ)施工中安裝鋼筋籠及澆筑混凝土為例，可參照表1進(jìn)行自評。教師的評價主要是對學(xué)生的專業(yè)能力、動手能力、創(chuàng)新能力、進(jìn)行有效的評價。本案例中教師對學(xué)生的平時評價分3個部分，課前預(yù)習(xí)評價、課中學(xué)習(xí)評價、課后鞏固評價，見表2。

表1 學(xué)生平時學(xué)習(xí)自評

表2 教師評價（百分制）

本門課程結(jié)束后，整理學(xué)生平時學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生自評和教師評價數(shù)據(jù)如表3。

表3 平時學(xué)習(xí)效果評價成果（百分制）

另外還對班里的學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查。從調(diào)查的統(tǒng)計結(jié)果可知：100%的學(xué)生表示有了虛擬仿真平臺，學(xué)習(xí)橋梁工程課程的興趣大增、學(xué)習(xí)積極性顯著提高；97.3%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真平臺加深了自己對橋梁施工的理解；86.5%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真平臺讓自己對職業(yè)及將來就業(yè)有了更加清晰的認(rèn)識；83.3%的學(xué)生認(rèn)為此虛擬仿真平臺提高了自己的創(chuàng)新精神和動手實踐能力。91.9%的學(xué)生表示在此教學(xué)模式下收獲很大；81.1%的學(xué)生認(rèn)為此教學(xué)模式對于養(yǎng)成職業(yè)習(xí)慣比較有幫助；78.4%的學(xué)生認(rèn)為此教學(xué)模式對于提高團(tuán)隊合作能力有較大幫助。

從表3可以看出，學(xué)生自評時平時成績大于80分以上的占75.7%，教師評價時，平時成績大于80分以上的占81.1%，也就是說對于這門課程，大部分學(xué)生都是充分參與課程的學(xué)習(xí)。從問卷調(diào)查顯示，絕大部分同學(xué)表示通過該門課程的學(xué)習(xí)，提高了自己的專業(yè)能力和綜合能力。

4 結(jié)語

虛擬仿真實訓(xùn)平臺有效促進(jìn)課程與施工現(xiàn)場的結(jié)合，幫助老師構(gòu)建立體課堂，拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)的時間和空間，有效提升專業(yè)課程教學(xué)效果，提升學(xué)生創(chuàng)新精神與自主學(xué)習(xí)精神，助力于橋梁工程施工專業(yè)高素質(zhì)技術(shù)技能人才的培養(yǎng)。但虛擬仿真實訓(xùn)平臺也有一定的局限性，教學(xué)過程中不能過度地依賴虛擬實訓(xùn)，畢竟虛擬情景不同等同于施工現(xiàn)場，故虛擬實訓(xùn)不能完全取代實際操作，要有針對性地選擇恰當(dāng)?shù)奶摂M仿真實訓(xùn)項目，才能有效提高學(xué)生的專業(yè)技能、實踐能力、創(chuàng)新能力及綜合素養(yǎng)。