論虛擬現實技術在土木工程實踐教學范文

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摘要：為了將虛擬現實技術引入土木工程實踐教學中，文章以真實工程案例場景為依托，以體驗式教學模式為基礎，對土木工程實踐教學內容和評價體系進行改革，構建虛擬實踐教學系統。同時，將理論與實踐課程內容相銜接，增加學生與系統的交互性操作，能夠培養學生的創新應用能力，激發學生的學習熱情，提高學生的學習效率。

關鍵詞：土木工程；實踐教學；虛擬現實技術

土木工程專業實踐教學是十分重要的教學環節，主要包括實驗、實習、課程設計及畢業設計等內容。但教學模式單一、教學難點解析不透、實踐教學資源不足等因素[1]，導致難以達到預期的教學效果。因此，對于土木工程實踐課程的教學改革迫在眉睫。虛擬現實技術（VirtualReality,VR）是近年興起的一門綜合性信息技術，在教育領域具有廣泛的應用前景，對傳統教學產生很大的沖擊[2]。目前已有部分學者對VR在土木工程實踐教學進行了應用研究[3-5]，但多數高校還是處于探索試用階段，或者只是在已有的教學中起輔助作用，并未建立一套完整的基于虛擬現實技術的實踐教學體系。本文提出以真實工程案例場景為背景，從實驗課程、課程設計和實習三種實踐教學環節出發，構筑體驗式教學模式，調整土木工程實踐教學內容，建立創新能力實踐課程評價體系，構建虛擬現實技術交互式虛擬現實實踐教學系統平臺，實現對土木工程實踐課程的全面改革。

1體驗式教學模式改革

虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真技術，教師在教學過程中通過構建虛擬的教學系統，模擬三維立體的真實工程環境，讓學生通過鼠標和鍵盤的操作與教學系統進行交互，營造體驗式學習環境，改變傳統的PPT授課模式。學生在與實際工程相接近的環境中，能夠使自己的視覺、聽覺、觸覺等多種感官系統參與其中，在虛擬世界中學習專業知識，從而解決傳統教學模式單一的問題[6]。為了提高實踐教學效率，針對實驗課程、課程設計和實習三種實踐課程形式，對部分實踐教學內容進行調整是十分必要的。

1.1實驗課程改革

土木工程實驗包括設計性實驗、演示性實驗和綜合性實驗。設計性實驗要求學生具備很強的三維空間感；演示性實驗和綜合性實驗不僅需要消耗很長時間（比如混凝土終凝時間），耗材量大（如土力學實驗），甚至在實驗過程中還會產生一些有害物質（如瀝青實驗）。虛擬現實技術通過模擬三維實驗場景、實驗演示過程和交互操作，不僅可以彌補上述傳統實驗的不足，還可以大大提高教學效率。為提高虛擬現實實驗平臺的應用效率，需要對實驗教學內容進行適當調整。關于設計性實驗，可以在課堂教學中引入虛擬現實場景，邊展示邊講解，讓學生直觀感受建筑物結構的構件細節，如樓梯間構件細節。關于演示性實驗，在課前就可以將實驗于平臺上供學生預習，既可以縮短教學實踐的時間，也可以保證實驗的安全性。關于綜合性實驗，除了實驗操作步驟講解外，還需要增加學生交互性操作講解，保證每個學生都能掌握實驗內容。學生若有不明白之處，可以隨時進行回放，解決了部分學生有問題也不愿向老師請教的問題。

1.2課程設計改革

課程設計是理論課程的補充，須增加理論與實踐的聯系。為擺脫傳統課程設計的教學模式、適應行業發展，須適當引進現代化教學軟硬件設備，讓學生在掌握專業內容的同時提高自身的計算機操作能力。在使用虛擬現實教學平臺教學時，須以實際工程案例為背景，吸納學生參與制作部分虛擬場景，增強課程交叉，提高教和學的效果。對學習成果的展示，從課程設計計算書的形式轉化為三維模型的形式。學生以小組為單位，通過自主設計和計算，在虛擬教學系統中提交建筑的三維模型，作為自己的學習成果。這樣可以避免學生照搬書本例題，促進學生充分思考，在虛擬系統中增強學生的求知欲。

1.3實習模式改革

實習教學環節是培養本科生實踐能力的重要方式，是學生從校園走向社會的過渡階段。但由于實習時間有限，而一個土建工程的施工工期往往是一年甚至數年，學生無法參與到整個工程的施工，因此對生產實習的認識缺乏完整性，難以達到實習教學大綱規定的實習要求。利用虛擬現實技術建造實習周圍場景、結構構件、材料品種等三維動態模型，并對動態立體模型進行虛擬裝配，通過人機交互可視化的方式對施工方案進行補充和修改。同時可以利用虛擬技術提供方案和實際模型相結合的方式完成施工的全過程展示，并結合有限元分析，對結構和構件進行受力分析，實現對整個施工過程的動態演示和控制設計。也可以讓學生通過觀看虛擬現實場景發現問題，并根據自己所學的專業知識提出解決方案。

2實踐教學評價體系改革

課程的評價體系直接影響著授課效率和對學生能力的培養，而目前的課程成績評價體系無法體現出學生的創新能力。這里基于虛擬現實技術的引入，提出針對課程設計和畢業環節的創新能力評定方案：首先，將學生進行分組，以7～8人為一小組，每組以設計不同類型結構建筑物為主題（可自選但不可重復）；其次，學生通過已學的CAD、Revit等軟件，繪制并虛擬組裝完成不同結構形式的民用建筑或工業建筑；最后，提交總結報告和三維結構模型，并組織學生以匯報的形式向全班學生展示自己的設計理念、結構計算原理、在設計中遇到的問題以及相應的解決方式。分別根據報告的內容（30%）、模型的創新（40%）、匯報的表達（30%）評定學生的組織能力、創新和應用實踐能力、表達能力。該評價的主要特點是考查學生的創新能力、解決實際工程問題的能力、軟件應用能力及敘述總結能力。學生通過在虛擬現實平臺中自主選擇結構和構件，并完成整個工程的設計和計算。為學生提供充足的創新空間，要求學生運用所學的理論知識解決在設計過程中遇到的實際工程問題，充分展現學生的軟件操作能力和綜合應用能力。

3結語

根據目前高校土木工程實踐課程教學中存在的問題與不足，本文提出采用虛擬現實技術，建立土木工程虛擬現實實踐教學平臺。通過構建體驗式教學模式，激發學生的學習興趣。充分利用平臺資源，從實驗課程、課程設計和實習模式出發，進行土木工程實踐教學內容改革，并通過實踐教學體系改革，重點培養學生的創新能力和綜合應用能力。通過虛擬現實技術的引進，既可以增強傳統工科與新技術的結合，還可以在有效節約教學資源的同時，提高實踐課程的授課效率，解決學生實習資源少的難題，為培養具有創新能力的應用型人才提供更好的資源和平臺。

作者：黃佳璇 金韶霞 單位：浙江科技學院中德工程師學院