虛擬仿真在土木工程施工PBL教學(xué)改革中的應(yīng)用

魏明漢

（中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南鄭州 450007）

土木工程施工是土建類專業(yè)的一門核心課，主要講授土木工程中的各種施工技術(shù)和施工組織設(shè)計(jì)等內(nèi)容，是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的課程[1][2]。受教學(xué)手段限制，在課程的日常教學(xué)中，教師無法為學(xué)生提供真實(shí)的工程環(huán)境與實(shí)踐，只能將實(shí)踐性極強(qiáng)的內(nèi)容以理論的形式講授，脫離了工程實(shí)際，導(dǎo)致教學(xué)過程較為枯燥，不能有效地培養(yǎng)學(xué)生的工程能力[3]。

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到教育行業(yè)后，推進(jìn)了教學(xué)體系、教學(xué)方法的改革，為土木工程施工的教學(xué)提供了新的技術(shù)手段[4]。中原工學(xué)院力學(xué)與工程結(jié)構(gòu)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是河南省高等學(xué)校首批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，具有虛擬力學(xué)試驗(yàn)、土木工程虛擬施工工藝及建筑工程VR 安全培訓(xùn)體驗(yàn)等多個土建類相關(guān)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[5]，為相關(guān)課程的教學(xué)提供了新的教學(xué)手段，有利于突破現(xiàn)有教學(xué)模式的束縛、提升教學(xué)質(zhì)量。針對土木工程施工課程存在的不足，探討虛擬仿真在本課程中的應(yīng)用。

1 土木工程施工教學(xué)現(xiàn)狀

土木工程施工主要講授土木工程材料、施工技術(shù)和施工組織設(shè)計(jì)等內(nèi)容，其教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生理解和掌握土木工程施工的基本技術(shù)和原理等內(nèi)容。土木工程的實(shí)踐性在本課程中表現(xiàn)得尤為明顯，課程中有大量的施工技術(shù)、過程、機(jī)械等相關(guān)內(nèi)容。教材通常采用文字描述結(jié)合圖片、示意圖等對內(nèi)容加以展示，教師則在教材的基礎(chǔ)上增加現(xiàn)場圖片、施工視頻等為學(xué)生進(jìn)行更加真實(shí)、具體的講授，以期能更好地講解課程內(nèi)容。本課程的教學(xué)存在有以下問題：

（1）教學(xué)理論性強(qiáng)、實(shí)踐性弱。土木工程施工是各種施工技術(shù)的綜合體，具有極強(qiáng)的實(shí)踐性，其教學(xué)重點(diǎn)實(shí)際就是各種施工技術(shù)。但由于教材編寫、授課方法等原因，導(dǎo)致教學(xué)中存在很多理論性的內(nèi)容。同時，對于施工工藝、施工機(jī)械或技術(shù)，即便采用圖片、動畫或者視頻等手段進(jìn)行講解，仍然缺乏直觀體驗(yàn)，難以被深入理解。施工機(jī)械的性能和操作過程等沒有實(shí)際操作更是難以講授、傳遞、理解和掌握。這樣脫離實(shí)際的講授過程很難吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。目前本科院校的學(xué)生沒有大量時間深入現(xiàn)場獲取施工過程的直接體驗(yàn)。

（2）教材內(nèi)容滯后。我國施工技術(shù)發(fā)展飛快，而教材內(nèi)容的更新?lián)Q代則相對緩慢。通常教材會選用較為成熟、常見的施工內(nèi)容，再經(jīng)過審核等過程，導(dǎo)致教材里講授的技術(shù)落后于不斷發(fā)展的施工技術(shù)，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（3）傳統(tǒng)教學(xué)方法脫離工程。盡管主要講授的是各種各樣的施工技術(shù)，但本課程目前基本還是采用教材＋PPT 講授的方法。受學(xué)生安全、課程學(xué)時等條件約束，現(xiàn)場觀摩學(xué)習(xí)雖然有較好的學(xué)習(xí)效果，但難以實(shí)施。

（4）土木工程專業(yè)一般開設(shè)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，但土木工程現(xiàn)場實(shí)習(xí)存在安全隱患多、成本較高、制約條件較多、時間較短難以參與各類工程等問題，對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力雖有幫助，但不能根本性地解決問題。

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法不利于學(xué)生深刻理解施工技術(shù)，更不利于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜土木工程問題的能力，很難達(dá)成面向產(chǎn)出的課程教學(xué)目標(biāo)，難以培養(yǎng)具備解決工程實(shí)際問題能力的土木工程專業(yè)人才。

2 虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢

虛擬仿真即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，其利用計(jì)算機(jī)技術(shù)形成數(shù)字化虛擬環(huán)境，用戶可以在該虛擬環(huán)境中進(jìn)行活動、獲取相應(yīng)的體驗(yàn)與感受[6]?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)目前已較為逼真，用戶能夠獲取接近于真實(shí)的體驗(yàn)與感受[7]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺是采用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的具有相應(yīng)物理環(huán)境及行為感知的虛擬空間，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的場地、設(shè)備等限制，可以有效地彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、不能現(xiàn)場觀摩等傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足，滿足學(xué)生對知識的驗(yàn)證、強(qiáng)化和創(chuàng)新等多方面的需求。

土木工程施工仿真實(shí)驗(yàn)平臺可以模擬現(xiàn)有土木工程的各類施工過程、各種建筑結(jié)構(gòu)和機(jī)械的操作等，為學(xué)生提供了一個接近真實(shí)工程的虛擬環(huán)境，是一種創(chuàng)新性的教學(xué)手段，可突破現(xiàn)有教學(xué)模式，解決土木工程施工課程中的多項(xiàng)問題[8，9]。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺引入到本課程的教學(xué)過程中，可以擴(kuò)充課程內(nèi)容，為學(xué)生提供前沿施工技術(shù)，可以使學(xué)生身臨其境、教學(xué)過程生動有趣，能極大地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、解決復(fù)雜工程問題的能力[10，11]。同時虛擬仿真還具有安全、可重復(fù)、學(xué)習(xí)比較靈活等優(yōu)點(diǎn)[12]。

3 教學(xué)模式

土木工程施工課程實(shí)踐性強(qiáng)而理論性弱，但受教學(xué)模式的制約，在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中較為注重理論知識，學(xué)生實(shí)踐能力不能得到較好的鍛煉[13]?；诖耍O(shè)計(jì)了基于PBL 教學(xué)理念的結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的教學(xué)模式。采用該教學(xué)模式講授本課程時，首先為學(xué)生設(shè)置一個工程問題，如開挖一個基坑、搭建一個工業(yè)廠房等。學(xué)生則通過教材初步學(xué)習(xí)、理解解決該工程問題所需的各項(xiàng)技術(shù)、操作、計(jì)算等，然后通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺完成該工程問題[14]。在完成該問題的過程中，通過與工程施工基本一致的虛擬過程，理解并掌握各種施工技術(shù)[15，16]。該教學(xué)模式的主要內(nèi)容和特點(diǎn)有以下幾個方面。

（1）重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容、精心設(shè)計(jì)工程問題。

與其他各課程的教材一樣，土木工程施工的教材各章節(jié)之間邏輯關(guān)系清晰、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，編排比較適合傳統(tǒng)教學(xué)模式，內(nèi)容依次進(jìn)行，完成全部知識的傳授。但采用PBL 教學(xué)法后，講授內(nèi)容圍繞各個工程問題展開，著重提升學(xué)生解決工程問題的知識與能力，因此講授內(nèi)容與順序有可能會與教材不一致，甚至部分內(nèi)容缺失。因此，本教學(xué)模式的第一步就是要重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，將各章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容分配至各工程問題之中。同時精心選取、設(shè)計(jì)工程問題，進(jìn)行典型化處理，所有的工程問題能夠涵蓋課程的全部知識點(diǎn)且盡量不重復(fù)。同時，使各個工程問題都要具有代表性，既要將課程的基本理論融入案例，又要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)不同的側(cè)重點(diǎn)。課前教學(xué)應(yīng)提前告知學(xué)生將要分析的工程問題，讓學(xué)生充分地理解工程問題的背景知識，理解解決該工程問題需要的理論知識，并給學(xué)生提供相關(guān)資料，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課前探討。

（2）工程問題貫穿課堂。

傳統(tǒng)課堂教學(xué)一般按照課程回顧-知識講解-知識應(yīng)用的順序講解，土木工程施工課程采用傳統(tǒng)教學(xué)方法時受限于教學(xué)手段，往往會偏理論、弱實(shí)踐，或者將實(shí)踐性的施工技術(shù)以理論知識的形式向?qū)W生展示，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高?；赑BL 的教學(xué)模式則直接從工程問題出發(fā)，按照提出工程問題-分析解決辦法或者步驟-虛擬仿真平臺解決工程問題的順序展開教學(xué)，所有的教學(xué)環(huán)節(jié)均基于工程問題展開。這種教學(xué)模式，可以使學(xué)生具有一個明確的、可操作的工程問題，在這個工程問題的導(dǎo)向下一步步吸取所需知識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)習(xí)效果。

（3）內(nèi)容更新?lián)Q代快。

教材往往更新?lián)Q代較慢，跟不上土木工程施工技術(shù)的發(fā)展速度，導(dǎo)致教材講授的內(nèi)容經(jīng)常落后于時代。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺之后，可以利用軟件的可更新性，更新落后技術(shù)，增加先進(jìn)技術(shù)，使學(xué)生能夠掌握較為先進(jìn)的施工技術(shù)。

4 教學(xué)實(shí)踐與反饋

土木工程施工課程課時少、內(nèi)容多，采用PBL 教學(xué)模式后學(xué)時更為有限，只有對教學(xué)內(nèi)容精心設(shè)計(jì)、對學(xué)時合理分配，才能在有限的時間內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)。根據(jù)知識點(diǎn)的重要程度，在課堂教學(xué)中應(yīng)優(yōu)先講解重要的及難度較高的知識點(diǎn)，減少次要、難度低的知識點(diǎn)的講解，或交由學(xué)生在解決問題的過程中自行掌握。

土木工程施工一般有以下章節(jié)：土方工程、基礎(chǔ)工程、砌體工程、混凝土結(jié)構(gòu)工程、預(yù)應(yīng)力混凝土工程、結(jié)構(gòu)安裝工程、防水工程、裝飾工程等。從施工角度來講，這些章節(jié)可以分為土方工程、基礎(chǔ)工程、砌體工程、混凝土工程、安裝工程、防水與裝飾六大部分，其中前四個為重點(diǎn)內(nèi)容，后兩個為次重點(diǎn)內(nèi)容。這六大部分內(nèi)容均可利用PBL 教學(xué)法并結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺展開教學(xué)。同時根據(jù)內(nèi)容多少，某一部分內(nèi)容又分為若干個工程問題分布學(xué)習(xí)，比如混凝土結(jié)構(gòu)工程。以土方工程為例，教學(xué)實(shí)踐可按照以下步驟展開：

（1）課前導(dǎo)學(xué)。在課上告知學(xué)生將要講授的內(nèi)容及工程問題，為學(xué)生列出解決該工程問題所需的步驟，學(xué)生按照步驟提前預(yù)習(xí)、查資料等。同時指出重點(diǎn)內(nèi)容與非重點(diǎn)內(nèi)容，要求學(xué)生自行掌握簡單知識，如土的工程分類和基本性質(zhì)。

（2）在課堂上，利用部分時間，按照解決該工程問題的步驟逐步講解各知識點(diǎn)，如土方量計(jì)算與調(diào)配、準(zhǔn)備工作、開挖與回填。然后剩余時間讓學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行該工程的模擬，在模擬的過程中吸收、理解、掌握各項(xiàng)知識，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、分析和解決問題的能力。

（3）在學(xué)生完成模擬后，收集學(xué)生遇到的問題，并引導(dǎo)學(xué)生展開討論，分析問題并提出解決辦法，之后再次進(jìn)行模擬，解決初次模擬中遇見的各項(xiàng)問題。

2021年春季學(xué)期，在我院2019 級城市地下空間工程專業(yè)的土木工程施工課程中嘗試采用了該教學(xué)模式，教學(xué)效果顯著提高。在課堂上學(xué)生受工程問題驅(qū)動，學(xué)習(xí)熱情明顯提高。同時學(xué)生對虛擬仿真平臺接受程度也較高，認(rèn)為雖有瑕疵，但比較接近工程實(shí)際問題，彌補(bǔ)了不能去現(xiàn)場的缺陷。為了解該教學(xué)模式的教學(xué)效果，對學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查。根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果，大部分學(xué)生認(rèn)為基于PBL 的教學(xué)模式學(xué)習(xí)目標(biāo)明確、虛擬仿真平臺提供了工程實(shí)踐機(jī)會，學(xué)生積極性極大提高。

5 結(jié)語

土木工程施工課程實(shí)踐性強(qiáng)，但受限于傳統(tǒng)教學(xué)方法，不能提供實(shí)踐機(jī)會，不能有效地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。采用PBL 教學(xué)法，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行課程教學(xué)改革，通過重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容、精心設(shè)計(jì)工程問題，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺模擬解決工程問題，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有效提升了教學(xué)效果。該教學(xué)模式的應(yīng)用還需要注意：工程問題對教學(xué)內(nèi)容的覆蓋情況、虛擬仿真過程的考核等問題。