虚拟仿真技术在土木工程专业实践教学中的应用

袁振霞 陈雨婷 祝彦知

中原工学院建筑工程学院（450007）

0 引言

土木工程专业实践教学中遇到的问题：实验场地与经费有限，个别实验危险性较大；施工现场危险，不接收实习生；工程周期长，实习时间短等[1-2]。这些问题导致学生对理论知识理解的不透彻、实践能力较差。 目前，虚拟仿真技术在土木行业中得到了广泛应用，如施工安全教育、房产销售VR 看房、三维立体模型设计等， 而将其应用于实践教学，可推动土木过程专业教学改革，提升教学和就业质量。

1 虚拟仿真技术在土木工程专业实践教学中的应用

土木工程专业实践教学的目的在于培养学生的实践和应用能力。 教育信息化的发展，带给教师和学生学什么、怎么学、在哪里学三个问题[3]。集成、开放、共享的信息化平台可以有效解决信息化带来的问题。我校力学与工程结构虚拟仿真实验教学中心于2013 年获批为河南省首批虚拟仿真实验教学示范中心。 七年来，虚拟仿真实验教学中心根据专业发展需要，不断充实软硬件设备，利用学校信息化网络建设平台，集成各种仿真模块，搭建完成了建工虚拟仿真平台，打破了时间和空间障碍，实现了资源共享。

根据全国高校本科教育工作会议精神和教育信息化发展的情况，充分利用虚拟仿真技术，坚持以学生为本的教育理念，从时间和空间维度上搭建信息化人才培养体系， 按照课程情况调整教学大纲，引入虚拟仿真平台共享资源，改革实践环节的教学模式，推动土木过程专业实践教学改革，提升教学和就业质量。

2 虚拟仿真技术在土木工程专业实践教学中的作用

2.1 提高学生的应用能力

生产实习是土木工程专业重要的实践环节，是认识实习和毕业实习之间的纽带[4]，按照人才培养方案，此环节重在巩固学生的专业知识、培养学生的应用能力。 为解决生产实习中存在的问题，采用线上漫游操作和VR 身临其境体验的学习模式。

线上漫游操作的学习模式，基于虚拟施工工艺仿真系统提供的真实工程案例的三维场景，包括测量、地基与基础、主体结构、装饰装修、屋面工程5大模块及其子模块，每个子模块都配套实训任务书，用以指导学生完成实习实训。 学生在工地实习时只能了解某个施工阶段的内容，而该实验系统可以模拟整个施工过程和现场环境，帮助学生更好地掌握理论课程教学中的重难点。 在卡通人物引导下，学生可以查阅相关规范和图纸，了解工艺流程和细节；遇到难懂的知识点，可以点击视频进行学习，整个实习过程充满乐趣，学生根据掌握程度可以反复学习，直到熟练掌握。

VR 身临其境体验的学习模式， 是利用VR 设备沉浸性、交互性、构想性的特点[5]，带给学生视觉、听觉、触觉等方面高度仿真的真实感，让学生在模拟环境下切身体验施工中安全隐患带来的后果，弥补线上漫游操作的不足。 清楚并避免发生安全隐患是每位土木工程师必备的基本素质，但是在授课中学生认为内容枯燥乏味， 学习中存在应付情况，为引起学生重视，将学生带入VR 实验室，进行VR 体验式教学。 体验式的学习，不仅可以激发学生的学习主动性，培养多人协作的能力，还可以加强学生的安全防范意识。

实习结束后，统一进入考核模式，选择模块进行测试，全方位考核学生实习情况。 虚拟仿真技术融入生产实习， 确保了学生在短暂的实习期间，不仅了解了施工现场各种工作岗位的职责，还熟悉了完整的工程施工流程及安全注意事项，极大程度解决了实习难的问题，提高了学生的应用能力。

2.2 培养学生思考和解决问题的能力

在实验教学环节中融入虚拟仿真技术，建立虚拟仿真实验教学平台，利用其可视化的优点开展虚拟仿真实验，包括虚实结合的实验和危险性虚拟仿真实验。 以开展虚实结合的实验教学过程为例（如图1 所示），此过程是对实体实验的有效补充，符合教育信息化的发展方向。 我院虚拟仿真实验教学平台现有《土力学虚拟仿真实验》、《建筑材料虚拟仿真实验》、《岩石力学虚拟仿真实验》、《材料力学虚拟仿真实验》等，虚拟仿真软件包含多个子模块，可满足专业课实验要求。 教师在实验课前布置实验内容，学生利用业余时间在虚拟仿真实验平台上进行学习与互动。 首先熟悉实验设备的组成、实验原理、实验目的、实验操作步骤，对实验有直观、整体、准确的认知；再按照实验提示进行设备尺寸数据的输入。 平台自动匹配并判断对错，完成实验的虚拟操作。 在虚拟实验过程中，教师通过平台引导学生根据操作流程发现问题，最后带着问题进入实体实验室；在实体实验中，学生和教师进行探讨交流，针对性地解决虚拟实验中发现的问题。 实体实验结束后，还可以在虚拟仿真实验平台上反复温习，巩固相关知识，提交实验报告。

虚拟仿真技术融入实验环节，可促使学生充分利用课外时间完成课内实验，激发学生自主创新的兴趣，引导和培养学生思考、解决问题的能力。

图1 虚实结合的实验教学过程

3 结语

在实践教学中融入虚拟仿真技术， 不仅安全、经济、可靠，还对传统的教学形态进行了改革，拓展了教学的深度和广度，弥补了传统人才培养模式的不足，取得了显著效果。 我院土木工程专业毕业生的就业率达98%，据跟踪调查，大部分学生进入了大中型国有企业。 学生回馈，就业后可以很快进入角色，得到用人单位的一致好评。

虚拟仿真技术在实践教学中的应用，顺应了教育信息化的发展趋势，为学生创造了良好的学习氛围，激发了学生自主学习的兴趣，培养了一批具有实践能力、合作能力、应用能力、创新能力、综合能力的高素质人才。