虚拟现实技术在土木工程成人教育中的应用研究

李 成 李皓月 蔡 伽

(河北开放大学 河北石家庄 050080)

1 引言

作为一门传统的工科专业，土木工程专业与实际工程联系紧密，具有很强的实践性特征。Jaron Lanier在20世纪80年代初提出Virtual Reality，直译为虚拟现实，它的含义是：把客观世界中的某一局部用电子的方式模拟出来，并且能够让人进入这个局部世界，犹如身临其境；而且这种身临其境不是静态的，当你在该局部世界活动时，你会感到“境”的相应变化[1]。本文将虚拟现实技术融入到土木工程专业成人教育中，为探索线上线下融合的教学模式，提高专业教学质量提供参考。

2 传统土木工程成人教育课程教学实施过程中存在的问题

2.1 教学效果参差不齐

由于教师教学技术手段的差异和学生积极性、基础水平的不同，导致传统成人教育教学效果参差不齐，教师无法通过平台把握学生的理解、领悟水平，学生存在学习效率低下，难以找到兴趣点的问题，学生很难完成对所学知识的有效建构。

2.2 教师与学生之间缺乏互动和交流

在传统的成人教育教学过程中，教师通过教学平台上传文本、视频等课程资源，学生主要在教学平台上进行课程的学习，虽然每个学期都设置有答疑环节和面授导学，但教师和学生之间难以通过此过程建立有效的互动和交流。同时，在讲授课程的过程中，教师无法有效、及时获得学生的互动反馈，导致部分教师的兴趣下降，按照自己的进度开展教学，忽略了学生的感受。

2.3 学生课堂体验感不足

受技术水平瓶颈的限制，学生通过教学平台学习的课堂体验感不足，难以获得沉浸感。尤其对于工科领域一些实践性很强的教学科目，单纯的二维平面教学使得基础知识不牢固的成人学习者难以很好理解抽象的理论知识，更不能在实践中得到很好的应用。

3 虚拟现实技术的特征

虚拟现实技术有以下几方面的特征：（1）交互性。虚拟现实技术具有很强的交互性特征，通过人机交互系统的设置，用户能够使用头盔显示器、键盘、鼠标等设备达到与虚拟世界进行交互的目的。同时，用户还能利用自己的语言、肢体动作等操作虚拟世界中的实物。（2）沉浸性。虚拟现实技术通过计算机技术将人类视觉和听觉系统进行整合从而构成一个非真三维的图像世界。用户只需要戴上特定的头盔显示器和数据手套等设备，就可以很好地融入虚拟环境中，产生很强的沉浸感。（3）建构性。虚拟现实技术具有很强的建构性特征，主要体现在虚拟现实技术可以有效拓展视野，为使用者提供了丰富而广阔的想象空间，达到土木工程成人学习者主动建构知识的目的。（4）多感知性。在虚拟现实系统中不仅有视觉和听觉系统，而且有触觉和动觉系统，因此用户在系统中能够享受到多种方面的感知，产生真实世界的体验。

4 线上线下融合的教学模式构建与应用

“建构主义(constructivism)”也翻译为结构主义[2]，瑞士心理学家皮亚杰(J.Piaget)最早提出建构主义理论[3]。根据建构主义基本思想，学习者获取知识的过程是在一定的情景下，在老师或者学习伙伴的帮助下，通过意义建构的方式对学习资料的学习。在建构学习的过程中，教师仅仅起到组织、帮助、指导的辅助作用，学生起主要的构建作用。根据建构主义的教学观，学生在建构学习的过程中，并不是学到多少知识点，而是根据教师提供的线索不断构建知识框架、开发新的思维方式，从而达到培养学生创新思维和自主学习的目的。借助虚拟现实技术，为学生提供一个丰富、逼真的教学情景，使学生有充足的独自建构知识框架的空间，保证学生在“最近发展区”学习，从而达到教师和学生之间相互促进、互相协调发展的良性循环。

1975年芝加哥大学Mihaly Csikszentmihalyi博士首次提出沉浸理论：人们在某项活动中，完全排他，沉浸在活动当中，达到只关注活动本身，注意力高度集中的状态[4]。教学模式设计过程中一个非常重要的方面就是沉浸感。在实际土木工程成人教育教学中，学生由于各种原因不能将所学到的理论知识，尤其是动手操作性强的技能得到应用。借助于虚拟现实技术，使学生在练习的过程中产生强烈的沉浸感，使学生更好得进行深度学习，有助于其创造性思维的开发，提高其学习效率[5]。

基于建构主义和沉浸理论构建土木工程成人教育线上线下有机融合的教学模式并探索其在土木工程理论和实践教学中的应用。

4.1 理论教学中的应用

选取对学生理解能力高的课程，例如：建筑结构、建筑施工技术、建筑力学、建设监理、钢结构等，探索虚拟现实技术与土木工程理论课程的深度融合，在教学大纲、教学方法以及课程考核中增加虚拟现实技术元素，通过拓宽成人学生的学习途径达到提升学习兴趣、提高成人学生学习主动性的目的。

通过将多门关联性强的专业基础课、专业课、专业拓展课集合构建虚拟现实技术综合教学平台进行交叉课程的融合。人本主义学习理论认为，学习者是学习的中心，要在个人需求的基础上进行所有的学习活动[6]。在理论教学中引入虚拟现实技术可以使成人学生在线上学习之余，发挥主观能动性完成课程的实践，加深对所学理论知识的理解，提高成人学生实际操作能力，达到线上线下有机融合的目标。

4.2 实践教学中的应用

实训、实验和实习是土木工程专业课程实践类教学的三个主要方面。土木工程实训是学生进行实践操作，培养动手能力的重要实践环节，在虚拟现实技术的基础上开发虚拟实践系统，可以有效降低实训成本，降低学生的实训过程中的风险。土木工程类的相关实验大部分造价非常昂贵，实验设备和实验场地要求也很高，采用虚拟现实技术并制定相关的实验规程能够大幅度减少实验费用，同时也能满足成人学生灵活的学习特点，取得令人满意的实验效果。在土木工程专业实习方面，在虚拟现实基础上建立土木工程虚拟实习基地，使成人学生参与到整个工程的全过程建设中，而且可以进行相关实习内容的回放，使成人学生获得多方面、全方位的实习体验。

5 结语

虚拟现实技术在土木工程成人教学中具有巨大的发展潜力。通过虚拟现实技术在土木工程成人理论、实践教学中的应用，可以有效解决传统土木工程成人教育课程教学实施过程中存在的问题，提高学生的学习效率，提升学生的学习体验，实现线上教学与线下体验的有机融合。