VR/AR技术在土木工程教学实践中的应用★

蒋亚龙

(华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013)

随着新一轮科技产业革命的加速推进，土木工程对于提升国家经济和改善居民生活起到推动作用，土木工程专业的技术型、创新型、综合型人才需求日益增大[1]。“双一流”建设在我国高校正发展得如火如荼，传统培养模式已无法完全适应当前发展趋势，因此急需对土木工程专业教学实践方法平台进行改革创新。虚拟现实/增强现实技术(VR/AR)作为一项融合计算机图形学、传感技术、网络技术、人机接口技术等为一体的新兴技术[2-3]，在教学实践、实习实训、工程设计、运营管理等方面具有诸多优势和发展潜力。为了能够更好地适应高校教学实践的发展创新，本文对虚拟/增强现实(VR/AR)技术在土木工程教学实践中的应用进行探索。基于VR/AR技术在高等学校教学和实践中的发展现状，分析当前土木工程传统教学实践方法中存在的问题，接着对VR/AR技术在土木工程教学实践中的应用创新可达到的效果进行探讨，为土木工程教学实践的发展和创新提供新的思路与方法，最终达到提升学习者的认知、经验和专业能力的效果，目前，虚拟现实/增强现实(VR/AR)技术在发达国家已获得较为广泛的运用。

1 VR/AR技术在教学中的应用现状

虚拟现实技术(英文名称：Virtual Reality，缩写为VR)和增强现实技术(英文名称：Augmented Reality，缩写为AR)的起源可以追溯到20世纪60年代，其中VR技术是指利用计算机模拟出三维空间的虚拟世界，从感官上的模拟将体验者带入一个十分逼真的虚拟现实环境，在VR技术的影响下，可以使得学生在学习中开阔自己的眼界，推进“沉浸式”教育的建设；AR技术则是一种将虚拟信息与现实世界相结合的技术，以动态的方式实现三维事物的呈现，其广泛用于智能交互、多媒体以及三维建模等领域，将计算机中生成的虚拟信息应用于真实世界中，从而达到对现实世界增强的效果。VR/AR技术在国内的起步晚，两者虽然在技术途径上有所不同，但两者本质是相通的，主要核心要义在于“真实世界与虚拟信息的集成”“三维尺度空间”和“人机交互”三者相互结合，且三者缺一不可[4]。

VR/AR技术作为新兴的媒介手段，在国内教学实践应用中基本处在较为初始的阶段，应用覆盖面小，其中裴育苗等[5]将虚拟现实(VR)技术引入医学教育领域中，建立医学教学所需的仪器和设备的三维医疗模型，创建一套具有自然交互的虚拟场景，由此学生可以在虚拟场景中进行学习和操作，这样不仅可以对人体器官和组织结构进行全面的观察，且可以提升临床实操表现；范丽亚等[6]结合实际工程，分析了基于HoloLens的人体解剖学教学系统的功能需求、软硬件的选型、关键开发技术和具体实施效果；王淑佳等[7]借助增强现实技术(AR)手段，通过介绍3款融合AR技术的应用程序，将AR技术与中学生物学教学工作进行深度融合。由此可见，国内VR/AR技术在教学应用实践中主要集中在医学领域，其能够提供诸多便利，但由于起步较晚，VR/AR技术普及度和应用面有限。

2 土木工程教学实践中存在的问题

未来新兴产业需要的是实践能力强、创新力充沛并具备国际竞争力的“复合型”人才，因此整个土木工程行业需要不断地注入新鲜技术。作为培养土木工程类人才的各类院校，尤其是对于土木工程专业的强校更应勇于承担起专业建设大任，适应新形势、顺应新时代、不断革新并积极探索新的教学手段[8-12]。目前土木工程教学中主要存在以下不足。

2.1 传统教学模式呆板、过程枯燥，交互性不强

土木工程学科在教学实践中需要数学、力学和专业基础课等课程的支撑，但当前国内大部分高校在教授课程时主要依靠板书或者单一的播放PPT，版面书写授课形式虽能让学生清楚地看到知识点，但也会带来一个问题，即授课过程中过于枯燥，学生学习效率大幅度降低，注意力不易集中在课堂上；而播放PPT的授课形式会造成学生跟不上老师的上课进度，老师授课时不可能逐字逐句讲述，有时介绍没一会就翻页至后面的内容，直接导致学生错过许多知识点，进而致使学生在思想上开小差。

2.2 实验教学成效受限于教学资源以及教学条件

在土木工程本科教育教学工作中，实验教学是一个让学生深入理解理论原理的重要手段，但实验教学很大程度上依赖于教学资源与教学条件的质量，在教学资源层面，一方面目前大部分学校中实验教学课时安排严重不足，学生难以将知识点全部吃透，另一方面当前各大高校普遍存在实验设备陈旧、实验仪器落后的情况；而在教学条件层面，主要是由师资队伍水平反映，师资队伍建设是高校学科建设的重要内容，在高校弱势学科中师资水平弱的问题尤为突出。

2.3 工程实践以参观为主、难以深入学习

工程实践虽可以使得学生从实习中得到更加全面丰富的实际生产的知识，但由于工程实践多以参观的形式呈现，该现象一方面会造成学生在整个实践过程中以游玩为目的，在专业实践上缺乏主动性，学生发现问题、提出问题、探索创新和解决问题的能力上面并没有得到提升；另一方面作为土木工程专业的工程实践场地以施工现场为主，受客观因素影响，有些较为危险的区域学生们无法进入现场进行学习，学生对该部分内容的理解只能停留在课本或者视频层面。

2.4 考核方式单一，考试多以传统理论笔试形式为主

授课老师在评定课程最终成绩时将考试成绩在最终成绩的占比定为7成以上，进而导致实践部分占总成绩的比例偏低，任课老师在课程考察时并未体现实践的重要性，重理论轻实践的理念深入学生心中，这将导致学生对实践部分不重视，把自己的学习重心放在笔试上。

3 VR/AR技术在土木工程教学实践中应用的探索与展望

现阶段传统土木工程教学实践的教学手段不足以满足当前亟需培养高层次人才的需求。为了更好地激发学生对土木工程学科的兴趣，更好地培养学习者主动思考、实践操练和创新制造的能力，因此对现有的教学实践模式进行改革是十分有必要的。以提升学生培养质量，开放性实践教学理念旨在将先进的技术融入到传统教学实践工作中，VR/AR技术作为21世纪的主流技术之一，给体验者带来的视觉体验是当前传统媒介无法做到的，可以肯定的是将VR/AR技术融入到土木工程教学实践中势必会带来前所未有的体验，VR/AR学习环境带给我们的不仅仅是一个工作平台，很大概率上它将会孕育一种新式的教学模式或者说是教学手段。

3.1 基于VR/AR技术的4D教学模式应用

“4D”指的是Designation，Discussion，Difference和Development组成，“4D”讲学模式是依据金字塔学习理论和前苏联教育心理学家维果茨基提出的“最近发展区”(Development)理论，是通过研究教师和学生课堂活动内容和目的，根据高中实际，充分结合目标教学法以及问题教学法优点形成的。“4D”教学模式以学生为主体，强调学生主动学习，将老师上课的讲堂变为学生学习的学堂。通过老师有力引导，充分调动学生积极性，激发学生学习兴趣，达到高效课堂的目的。将VR/AR技术广泛应用于课程教学工作中，该技术可将虚拟对象与现实环境有机结合在一起，因其具有的较强交互性特点，可以为学生提供一个能实现人机交互的虚拟世界，这无疑在满足学生的好奇心的同时，以一种新颖的方式为学生传授知识，从而可以大幅度提升授课老师的课程质量，并能激发学生的学习兴趣，恰恰符合“4D”教学模式的理念，可见VR/AR技术在其中能得到良好的应用。

3.2 基于VR/AR技术的实验教学中的应用

以华东交通大学《土力学》实验课程为例，土力学顾名思义是一门研究土体的学科，主要是研究土体的应力应变、强度、渗流以及长期稳定性。常见的土工包括：1)土的含水率实验；2)土的密度实验；3)土的液塑限实验；4)土的固结实验；5)土的直剪试验；6)土的三轴剪切实验。

在实际土力学实验教学中常碰到以下问题：

1)实验课时安排有限，目前国内高校中土力学实验课时多集中在5个～8个课时，且存在学生多设备少的现象，因此，学生实际上可操作的时间偏少，对于简单的实验，学生尚可在有限的时间完成，但对于一些耗时较长的实验，学生实际上往往做的效果差，甚至无法顺利开展一些基础实验。

2)授课方式比较单一，多媒体教学学生参与率低，且理论课与实验课脱离现象严重。现阶段，大多数高校施行理论课程与实验课程分开教学，这将会直接导致课程衔接不当，分开教学一方面会导致实验课程滞后于理论课程，学生在上实验课程时难以衔接上既学的理论知识，一定程度上影响到学生将理论运用到实践中的能力；另一方面，一般实验课程均会设置专门的实验室老师，不同的授课老师一般授课风格与教学思路也不同，这往往影响到课程质量。

3)实验课程安排模式化。由于教学课时安排在教学初期均已既定，学生基本上是依据实验课程教学安排而进行具体某个实验，这会导致学生难以将相关实验进行整合与对比分析，例如我们常说的直剪试验，其包括直接剪切实验与三轴剪切实验，在特定的课时中，学生总是做着课时安排里相对应的实验，实际上如果能够同时进行直接剪切实验和三轴剪切，这样可以使得学生加深理解两种剪切实验的异同点。又如直接剪切实验又可细分为快剪、慢剪和固结快剪实验三种方式，若能同时进行三种试验操作将有利于学生区分三者的区别，这无疑可以加深学生对理论知识的理解，在一定程度上可以规避学生出现知识混淆的现象。

由于实验设备、课时安排以及实验室人员配置等因素的制约，想要解决上述问题十分困难，因此虚拟实验室的存在一定程度上可以解决上述问题。虚拟实验室的实现可利用VR/AR技术，学生可以像是在现实实验室那样亲身动手做实验，不被客观因素制约，学校利用该虚拟实验室对参与试验的学生进行线上实操培训，可向学生提供更为直观的、交互性强的实验教学平台，进而能较好地提高学生学习效率，提升教学质量。

3.3 “现场学习+VR/AR技术”工程实践多元化模式的应用

以华东交通大学的施工实习为例，施工实习在土木工程专业教学计划中是一项必不可少的实践教学环节，它是所学理论知识与实际工程实践的统一，学校会为土木工程专业学生安排为期一至两天的隧道施工实习，目的是使得学生在认知上初步了解隧道内部结构及其主要施工过程，现场实践恰恰是工程教育中重要组成部分。以盾构法隧道施工为例，盾构法隧道施工的种类主要包括泥水盾构和土压盾构两种形式，施工工序主要内容如下：

1)始发竖井。始发竖井的目的在于为盾构机提供场地用以设备的组装与安置。

2)盾构机的拼装。指的是先在拼装室底端铺设一定厚度混凝土材质的垫层，并在垫层内部埋设钢轨。

3)盾构机的始发。其目的是使得盾构机从始发口进入地层中，开始一系列掘进工作。

4)管片拼装。在盾构掘进后迅速将管片拼装成环，大部分情况需要采取错缝拼装。

5)盾尾同步注浆并及时进行二次注浆。盾构在推进过程中，需要在拼装衬砌管片的同时对衬砌管片与围岩之间的盾尾间隙进行注浆，若注浆效果不佳时需要进行二次补注浆。

6)盾构掘进出土。泥水盾构的出土方式是将开挖土料与泥浆混合，由泥浆泵输送到洞外并进行分离，而土压盾构的出土方式则是由螺旋输料器旋转将土料运出。

由于上述施工场地存在一定的危险性，大多数施工工艺学生们无法亲临现场学习，仅可通过理论知识或者微视频的方式从侧面进行学习，无疑VR/AR技术的出现对工程实践来说是一个福音，借助VR/AR技术，可以让学生对盾构掌子面掘进、螺旋机出土、管片拼装、盾尾同步注浆等细节过程进行可视化学习，进而可以全面地了解盾构掘进过程。

4 结语

土木工程是一门十分重视实践性与操作性的学科，虚拟教育(结合VR/AR技术)同人工智能和大数据一样被誉为影响未来科技创新的三大领域，因此VR/AR技术的应用无疑为我国传统土木工程教学实践手段提供了良好契机。利用VR/AR技术开展土木工程专业教学实践工作，可以将传统教学实践中难以亲身操作的教学内容形象的展现出来，相信“VR/AR技术+教学实践”会碰撞出不一样的花火，让虚拟现实和增强现实与教学实践完美结合在一起，能够更好地弥补传统教学实践手段中存在的诸多问题，为土木工程教学实践的发展和创新提供新颖的思路与方法，从而推动土木工程教学实践工作步入新时代。