基于虛擬仿真的土建施工類課程教學(xué)方法深度研究＊

李 超 余佳芯 （綿陽城市學(xué)院，四川 綿陽 621000）

土建施工類課程如《土木工程施工技術(shù)》《建筑工程施工技術(shù)》是土木工程、工程管理、工程造價(jià)專業(yè)的必修課程及專業(yè)核心課程，該類課程包括了土方工程、基礎(chǔ)工程、砌筑工程、混凝土結(jié)構(gòu)工程及裝飾裝修工程等施工內(nèi)容，其中，重點(diǎn)是基礎(chǔ)工程、混凝土結(jié)構(gòu)工程等的施工。該課程既有理論性又有實(shí)踐性，學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)可以對建筑工程項(xiàng)目的施工工藝有更深入的了解和認(rèn)識。但由于傳統(tǒng)的教學(xué)方法主要以課堂授課為主，而該課程知識點(diǎn)多、理論性強(qiáng)，學(xué)生容易出現(xiàn)厭學(xué)情緒。因此，傳統(tǒng)教學(xué)方式已無法滿足現(xiàn)代土建類專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的要求，因而將虛擬仿真技術(shù)引入該課程的教學(xué)中是非常有必要的。

虛擬仿真技術(shù)是指通過計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化設(shè)備來模擬各種現(xiàn)實(shí)場景，使學(xué)生身臨其境地進(jìn)行操作。在虛擬仿真技術(shù)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有與真實(shí)世界相似的外觀和交互行為，并且可以在虛擬環(huán)境中完成仿真操作。因此，將虛擬仿真技術(shù)引入到土建施工類課程教學(xué)中具有非常重要的意義。

1 課程特點(diǎn)與教學(xué)目標(biāo)

土建施工類課程是土木工程、工程管理、工程造價(jià)等專業(yè)實(shí)踐性很強(qiáng)的核心課程，該課程主要研究土木工程施工中各分部分項(xiàng)工程的施工技術(shù)、施工方案質(zhì)量保證措施及有關(guān)施工機(jī)械的選擇與應(yīng)用，具有綜合性強(qiáng)和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，涉及工程施工技術(shù)領(lǐng)域的方方面面，課程內(nèi)容豐富、知識面廣，對學(xué)生的理論知識和實(shí)踐能力要求很高。凡從事土木工程相關(guān)的行業(yè)均需懂得施工，凡參與工程建設(shè)的人員都應(yīng)具備相關(guān)的知識和技能，其在整個工程建設(shè)中起著關(guān)鍵性的作用。通過本門課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握土木工程施工的基本知識及基本規(guī)律，能夠分析和解決土木工程施工中有關(guān)施工技術(shù)問題。本課程的培養(yǎng)目標(biāo)為：掌握從事工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工實(shí)施組織、預(yù)算和管理工作的理論知識；具有施工階段的現(xiàn)場管理、安全、材料、設(shè)備、質(zhì)量管理等能力。學(xué)生應(yīng)達(dá)到的具體能力目標(biāo)：掌握土木工程施工的基本知識及基本規(guī)律；掌握從事工程施工實(shí)施組織和管理工作的理論知識；具有施工階段的現(xiàn)場管理、安全、材料、設(shè)備、質(zhì)量管理等能力；具有分析和解決土木工程施工相關(guān)問題的基本能力。

基于虛擬仿真技術(shù)下的土建施工類課程課程教學(xué)方法主要分為理論知識與實(shí)踐教學(xué)兩部分，該課程采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，通過虛擬仿真軟件對土木工程施工過程進(jìn)行模擬，通過理論和實(shí)踐相結(jié)合的方式進(jìn)行教學(xué)。

2 教學(xué)方法深度研究

本課程在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬仿真軟件開展教學(xué)。教師在某實(shí)際工程各分部分項(xiàng)工程的理論教學(xué)上向?qū)W生展示虛擬仿真軟件中相對應(yīng)的工藝流程、施工要點(diǎn)、質(zhì)量要求等信息，讓學(xué)生身臨其境地掌握到所學(xué)知識。同時，這些內(nèi)容直接與規(guī)范掛鉤，與強(qiáng)制性條文接軌，在學(xué)習(xí)知識的同時對枯燥乏味的規(guī)范也有了形象生動的理解。學(xué)生在課堂上對同一項(xiàng)目的各部分項(xiàng)工程進(jìn)行觀摩和實(shí)踐，使學(xué)生對施工有一個系統(tǒng)全面的認(rèn)識。教師通過探究式教學(xué)法、案例分析法、啟發(fā)式教學(xué)法、溝通交流法、對比分析法，引導(dǎo)學(xué)生思考并及時了解學(xué)生對課堂知識的掌握情況，根據(jù)學(xué)生在課堂上的表現(xiàn)情況進(jìn)行分析，并在下一次課前布置下節(jié)課的理論預(yù)習(xí)與內(nèi)容。這樣可以提高教學(xué)效率，充分利用有限的時間達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。通過這樣的方式可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力，同時也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)效果。教師可以根據(jù)實(shí)際情況對虛擬仿真軟件中的模型進(jìn)行修改，從而使模型更符合工程實(shí)際情況。下面以施工技術(shù)部分重要章節(jié)的重難點(diǎn)為例介紹課程教學(xué)方法。

2.1 土方工程施工

本章節(jié)主要包含土的工程分類及性質(zhì)、場地平整、土方開挖、排降水、土壁支護(hù)、土方機(jī)械化施工和土方填筑與壓實(shí)。其中，場地平整的土方量計(jì)算既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，同時該部分內(nèi)容比較抽象且較難理解。此時，教師可利用啟發(fā)式教學(xué)法引導(dǎo)學(xué)生思考為什么要進(jìn)行場地平整，從而引入場地設(shè)計(jì)標(biāo)高H0的概念、重要性以及確定原則。隨后利用虛擬仿真技術(shù)（圖1），采用案例式教學(xué)法進(jìn)行某施工現(xiàn)場場地平整工作，模擬劃分方格網(wǎng)的真實(shí)場景以及利用水準(zhǔn)儀確定各方格網(wǎng)角點(diǎn)高程的過程，再按挖填平衡原則引導(dǎo)學(xué)生一步一步推出計(jì)算設(shè)計(jì)標(biāo)高H0=（H1+2H2+3H3+4H4）/4N的公式，而不是直接把公式拋給學(xué)生，這樣推出的公式更有利于學(xué)生對場地平整施工工藝及其對應(yīng)公式的理解，避免學(xué)生對公式死記硬背，到真正的場地平整現(xiàn)場不知措辭的情況發(fā)生。在按挖填平衡原則確定H0知識點(diǎn)結(jié)束后，立即以習(xí)題形式組織學(xué)生開展訓(xùn)練，以進(jìn)行知識強(qiáng)化。訓(xùn)練完成后采用探究式教學(xué)法引導(dǎo)學(xué)生思考，根據(jù)挖填平衡計(jì)算的設(shè)計(jì)標(biāo)高是一個水平面的標(biāo)高，但場地內(nèi)各方格網(wǎng)角點(diǎn)實(shí)際設(shè)計(jì)標(biāo)高在實(shí)際施工中要受到泄水坡的影響，需要根據(jù)泄水坡度的要求（單坡泄水或雙坡泄水）進(jìn)行計(jì)算，此時又出現(xiàn)了抽象難理解的局面。因此，教師可繼續(xù)利用虛擬仿真技術(shù)身臨其境地展示由于泄水坡的出現(xiàn)導(dǎo)致整個場地產(chǎn)生的變化，一旦學(xué)生形象地理解了這個變化，便能通過i=△h/l的簡單公式得到因泄水坡引起的高度變化△h，從而確定因斜水坡產(chǎn)生的各方格網(wǎng)角點(diǎn)實(shí)際設(shè)計(jì)標(biāo)高Hn。后續(xù)再接著利用虛擬仿真技術(shù)動態(tài)操作求得各方格角點(diǎn)的施工高度hn（場地設(shè)計(jì)標(biāo)高Hn－自然地面標(biāo)高H）、繪零線（利用相似三角形求零點(diǎn)后連線）、挖填土方量計(jì)算（平均高度法）以及求運(yùn)距（實(shí)際工程取形心之間的距離）的過程，并結(jié)合習(xí)題強(qiáng)化計(jì)算和繪零線的方法。通過以上方式可讓學(xué)生既能一步步得出該場地的挖方區(qū)、填方區(qū)及其運(yùn)距，還能形象理解、固化知識、強(qiáng)化計(jì)算方法，同時，為下一講的后續(xù)工序土方調(diào)配提供計(jì)算條件。

圖1 場地平整虛擬仿真

2.2 基礎(chǔ)工程施工

本章節(jié)主要包含地基加固處理、淺基礎(chǔ)施工、預(yù)制樁施工、灌注樁施工，以上的施工均發(fā)生在地下，學(xué)生平時很少有機(jī)會見到實(shí)體，土方回填后更無法接觸到相關(guān)內(nèi)容，課堂上僅通過圖片、視頻很難全面展示相關(guān)施工工藝與施工要點(diǎn)。

以本章中較為抽象的泥漿護(hù)壁成孔樁為例進(jìn)行基于虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)方法闡述，如圖2所示。教師可采用啟發(fā)式教學(xué)法引導(dǎo)學(xué)生思考，當(dāng)進(jìn)行灌注樁施工遇到含水量高的軟土地區(qū)時，提出用上一講課學(xué)習(xí)干作業(yè)成孔灌注樁能否施工的問題讓學(xué)生思考。當(dāng)學(xué)生通過思考否定后，便引出今天將學(xué)習(xí)的泥漿護(hù)壁成孔樁并介紹泥漿護(hù)壁成孔是用泥漿保護(hù)孔壁、防止塌孔和排出土渣而成孔，成孔機(jī)械有回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、潛水鉆機(jī)、沖擊鉆等，其中，以回轉(zhuǎn)鉆機(jī)應(yīng)用最多，根據(jù)泥漿循環(huán)方式的不同，分為正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)和反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)。無論正循環(huán)還是反循環(huán)的施工流程僅通過圖片和描述學(xué)生是很難理解的，便需要利用虛擬仿真技術(shù)先展示正循環(huán)泥漿由鉆桿內(nèi)部注入、從鉆桿底部噴出，攜帶鉆下的土渣沿孔壁向上經(jīng)孔口帶出并流入沉淀池，沉淀后的泥漿流入泥漿池再注入鉆桿，由此進(jìn)行循環(huán)的情境，以便學(xué)生能夠形象地理解。接下來采用探究式教學(xué)法，讓學(xué)生根據(jù)正循環(huán)工藝試著描述反循環(huán)的施工工藝，此時部分學(xué)生便能通過探究思考找到答案。為了驗(yàn)證學(xué)生的描述，此時便繼續(xù)利用虛擬仿真技術(shù)展示反循環(huán)泥漿由鉆桿與孔壁間的間隙流入鉆孔，由砂石泵在鉆桿內(nèi)形成真空，使鉆下的土渣由鉆桿內(nèi)腔吸出至地面而流向沉淀池，沉淀后再流入泥漿池，形成反循環(huán)的情境，讓學(xué)生得到自我認(rèn)同的同時將知識固化。隨后采用對比分析法讓學(xué)生對正循環(huán)和反循環(huán)進(jìn)行對比分析，從而得出兩個方式的差別和優(yōu)劣。最后，采用總結(jié)歸納法，讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)的正反循環(huán)工藝總結(jié)歸納出泥漿護(hù)壁成孔樁中泥漿的作用是什么，從而歸納出保護(hù)孔壁、防止塌孔、排出土渣及冷卻與潤滑鉆頭的措施。最后，提出趣味問題泥漿護(hù)壁成孔樁中的泥漿究竟是什么讓學(xué)生思考，得出由高塑性黏土或膨潤土和水拌合的混合物的答案。通過以上多種教學(xué)方法并穿插虛擬仿真技術(shù)的形式，可以使課堂環(huán)節(jié)豐富多彩，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚，并實(shí)實(shí)在在讓學(xué)生全面掌握所學(xué)知識。

圖2 泥漿護(hù)壁成孔樁虛擬仿真

2.3 混凝土結(jié)構(gòu)工程施工

本章節(jié)主要包含鋼筋工程、模板工程、混凝土制備及運(yùn)輸、混凝土成型及養(yǎng)護(hù)等，是整門課程中最重要的章節(jié)，其中，鋼筋工程則是本章中相當(dāng)重要且難度較高的部分，掌握鋼筋工程對以后的工作至關(guān)重要。因此，接下來以鋼筋工程中的鋼筋下料長度為例進(jìn)行基于虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)方法闡述。首先可通過實(shí)物圖片展示鋼筋彎曲和鋼筋彎鉤，通過啟發(fā)式教學(xué)法讓學(xué)生知道根據(jù)規(guī)范、圖集等要求鋼筋需要進(jìn)行彎曲和形成彎鉤，而將運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的直線鋼筋在什么長度切斷才能準(zhǔn)確地彎曲成符合要求的形式是值得思考的問題，從而引出鋼筋下料長度的計(jì)算。鋼筋因彎曲或彎鉤會使其長度發(fā)生變化，配料中不能直接根據(jù)圖紙尺寸下料，同時還必須了解混凝土保護(hù)層、鋼筋彎曲、彎鉤等規(guī)定，才能根據(jù)圖示尺寸計(jì)算其下料長度。此時，便可通過虛擬仿真技術(shù)展示鋼筋彎曲后的變化，再采用歸納法總結(jié)出變化的特點(diǎn)，即在彎曲處形成圓弧，且外壁伸長、內(nèi)壁縮短，軸線長度不變，從而讓學(xué)生深刻地掌握此變化。接下來結(jié)合理論與工程實(shí)際，讓學(xué)生知道鋼筋的量度方法是沿直線量外包尺寸，所以彎起鋼筋的量度尺寸必定大于下料尺寸，而兩者之間的這個差值便稱為彎曲調(diào)整值。接著再采用探究式教學(xué)法，以90°彎曲為例，帶著學(xué)生利用以上彎曲變化原理推算出90°彎曲的調(diào)整值。隨后，可同理采用以上教學(xué)方法開展鋼筋彎鉤增加長度的教學(xué)，并通過實(shí)際例題組織學(xué)生根據(jù)彎曲調(diào)整值和彎鉤增加長度開展鋼筋下料長度的計(jì)算以固化知識。最后，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)展示由直線鋼筋加工成箍筋的過程，再運(yùn)用探究式教學(xué)法和對比分析法讓學(xué)生通過對彎曲和彎鉤的分析對比計(jì)算出箍筋的下料長度，讓學(xué)生進(jìn)一步掌握彎曲、彎鉤及其關(guān)系。一旦學(xué)生能夠推出，便能深刻理解鋼筋彎曲的變化以及該變化產(chǎn)生的彎曲調(diào)整值的計(jì)算與選用，做到不僅會用數(shù)據(jù)，還知道數(shù)據(jù)的具體由來，從而使所學(xué)知識得到升華。

3 課程改革成效

通過開展基于虛擬仿真的土建施工類課程教學(xué)改革，并對245名學(xué)生進(jìn)行滿意度問卷調(diào)查，結(jié)果見表1。

表1 基于虛擬仿真的土建施工類課程教學(xué)改革問卷平均分（百分制）

通過問卷數(shù)據(jù)分析，由于教學(xué)內(nèi)容形象生動、教學(xué)方法豐富多樣，評分均在95 分以上。但由于新技術(shù)的加入，對教師課堂的教學(xué)組織和課程的進(jìn)度上有一定的影響，該兩項(xiàng)分值均在90分以下，老師還需進(jìn)一步熟悉虛擬仿真軟件的操作以及與常規(guī)教學(xué)內(nèi)容的銜接，以確保教學(xué)組織井井有條，教學(xué)進(jìn)度與開課計(jì)劃相匹配?？傮w來講，學(xué)生對加入虛擬仿真后的教學(xué)評價(jià)均在85分以上，整體滿意度較高。

現(xiàn)將虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)改革中的成效總結(jié)歸納在以下幾個方面：①使學(xué)生建立了空間概念，幫助學(xué)生理解了概念，培養(yǎng)了學(xué)生的空間想象力；②讓學(xué)生在有限的時間內(nèi)了解了整個施工過程，提高了學(xué)習(xí)效率，豐富了學(xué)習(xí)內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容更加生動有趣；③讓學(xué)生能夠身臨其境地體驗(yàn)施工現(xiàn)場，增強(qiáng)了實(shí)踐操作效果；④使學(xué)生認(rèn)識到施工過程的艱辛，從而更加珍惜現(xiàn)在所擁有的學(xué)習(xí)條件和生活條件；⑤幫助學(xué)生理解了復(fù)雜抽象的理論知識，通過動手操作將理論知識與實(shí)踐操作緊密結(jié)合起來；⑥幫助學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)過程的自我評價(jià)，通過對自己學(xué)習(xí)成績的分析和對比，了解學(xué)習(xí)中的長處與不足；⑦激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力；⑧讓學(xué)生對自己所學(xué)過的知識進(jìn)行深入研究和分析，從而培養(yǎng)他們的獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

4 結(jié)語

土建施工類課程是實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)核心課程，為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從虛擬仿真軟件入手，以理論和實(shí)踐相結(jié)合的方式進(jìn)行教學(xué)。在虛擬仿真教學(xué)中，采用案例分析法、對比分析法、觀察法和總結(jié)歸納法等教學(xué)方法，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。通過將虛擬仿真軟件應(yīng)用于土建施工類課程課程的教學(xué)中，將抽象、枯燥的理論知識轉(zhuǎn)化為形象生動、直觀的仿真項(xiàng)目，使學(xué)生能更好地理解并掌握理論知識。虛擬仿真軟件是一種很好的輔助教學(xué)方法，其目的在于提高學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、創(chuàng)新思維等綜合能力。在今后的教學(xué)實(shí)踐中，將繼續(xù)探索虛擬仿真軟件在土建施工類課程課程中的應(yīng)用，綜合運(yùn)用各種教學(xué)方法提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果，在更新教學(xué)內(nèi)容、完善教學(xué)方法和考核方式等方面進(jìn)行深入研究。