交互式VR 虚拟仿真技术在钢结构课程中的应用研究*

毛娜 杨智诚 程晔 吴全科 庄志勇

1 仲恺农业工程学院 广州 510225 2 广州德纳智谷科技有限公司 511400

0 引言

虚拟现实（Virtual Reality, VR）技术是近年来快速发展的计算机技术，其主要实现方式是综合利用三维图形技术、多媒体技术、仿真技术、显示技术、伺服技术等，通过计算机设备产生一个逼真的三维视觉、触觉、嗅觉等多感官体验的虚拟世界，使处于虚拟世界中的人产生身临其境的感觉[1-3]。VR 技术最初应用在虚拟游戏场景，其逼真的触、听、视觉感受得到众多用户的追捧[4]。随着VR 技术的不断发展，各行业对VR 技术的需求日益旺盛[5-7]，其在高等教育中日渐发挥重要作用。2018年教育部发布《教育信息化2.0 行动计划》（教技〔2018〕6 号）强调通过大数据采集与分析，将人工智能切实融入实际教学环境中，实现因材施教、个性化教学[8]。由此，广大教师积极探索互联网与信息技术在高等教育中应用。韩伟等[9]运用“VR+思政课”教学理念，以红色革命文化为基础，采用沉浸式VR 技术探索构建高校思政课革命文化沉浸式教学模式。谢博等[10]通过5G+VR 技术发展了军士食品营养课程教学模式，探讨了5G+VR 在食品营养课程中理论教学、实践教学、学员差异化培养中的应用。沈宇鹏等[11]引进了VR 技术作为新型教学手段，为学生认识实习提供了新的方案，提高了学生在学习过程中的代入感和参与度。

钢结构课程是土木工程专业的必修课程之一，其先行课程为理论力学、材料力学、结构力学等基础理论课程。该课程理论基础体系强，涉及大量的公式推演和计算，仅通过课堂板书和多媒体教学难以引导学生建立完整的理论体系，学生被动式地死记硬背计算公式，无法联系实际，容易出现违背常理的设计结果[12]。此外，与钢结构课程密切相关的教学内容还有认识实习和钢结构课程设计。认识实习一般安排学生在大一第一学期亲赴现场观摩学习与土木工程专业相关的建筑结构或生产技术，其中钢结构建筑为常见的建筑结构；钢结构课程设计是钢结构课程理论学习后的一项实践环节，主要指导学生运用所学的钢结构设计原理进行实际的钢结构设计，常见的钢结构设计有钢屋架设计、门式刚架设计、起重机梁设计等。然而，近年来因新冠疫情和实习安全问题[13]，学生赴现场观摩学习的机会大大减少，理论难以联系实际。

由此，本文面向钢结构课程教学，以轻钢门式刚架结构设计为切入点，开发轻钢门式刚架设计VR 虚拟仿真教学系统，并设计相应教学方案，带领学生在虚拟现实场景中开展对钢结构课程的学习，加深学生对钢结构基本原理的理解，激发学生的学习兴趣和潜力。同时，将现代化技术方法和理论教学加以结合，使用各种教学方式，将基本知识与理论生动地展现出来，不仅能促进学生更好地理解，也符合现代化教育的发展要求。

1 钢结构课程的交互式VR 虚拟仿真教学设计

1.1 交互式VR 虚拟仿真教学系统设计理念

面向土木工程专业和智能建造专业人才培养的需求与教学规律，交互式VR 虚拟仿真教学系统遵循自由探索和理论指导实际的规律，从单纯的教材理论教学框架中跳出，站在学生学习的角度，以一个新奇的方式吸引学生的注意力，引导学生进行钢结构课程学习。对于钢结构课程的教学，以武汉理工大学出版社出版的《钢结构》（第5 版）教材为例，其内容编排分为上下篇，上篇为钢结构原理，主要内容为绪论、钢结构的材料、钢结构的连接、轴心受力构件、受弯构件、拉弯和压弯构件；下篇为建筑钢结构设计，主要内容为单层厂房结构、钢结构防灾减灾设计要点。从教材内容编排和教师教学的角度来看，上篇内容主要为理论学习，其中包含不同的结构设计概念和计算公式，要求学生熟练掌握不同计算公式的使用条件并进行结构设计计算；下篇内容则为实践应用，要求学生运用上篇学习的理论知识进行单层厂房结构设计，而轻型门式刚架结构厂房为其中一种单层厂房。这是传统的教学过程。然而，从学生学习的角度来看，学生在对钢结构无初步认识的情况下直接学习理论知识，属于填鸭式学习。学生学习钢结构设计原理只能通过死记硬背的方式进行，往往到了理论学习尾声的时候，学生已经忘记前面学习的内容，将导致钢结构下篇内容教学效果不佳。

由此，针对上述问题，钢结构课程的交互式VR 虚拟仿真教学设计从学生角度出发，首先通过VR 引导学生认识钢结构，了解钢结构构件可能的受力情况和常见的结构设计概念，让学生在学习钢结构之前做到“心中有数”，再通过课堂教学具体化不同结构构件设计及计算方法，最后再利用VR协助学生进行实际的钢结构设计，将理论知识运用到实际结构设计当中。

1.2 交互式VR 虚拟仿真教学系统设计

钢结构课程的交互式VR 虚拟仿真教学以轻钢门式刚架结构设计教学为切入点，开发了轻钢门式刚架设计VR 虚拟仿真教学系统，拥有教学管理模块、场景漫游模块和结构交互设计模块，如图1所示。

图1 轻钢门式刚架设计VR 虚拟仿真教学系统

教学管理模块包含了学生信息管理、教学数据管理和成绩管理等内容，并预留了数据接口供适时对接外部系统；场景漫游模块包含了地面漫游、天面漫游和显示蒙皮，该漫游场景按照1 ∶1 比例建立了真实的轻钢门式刚架厂房，如图2 所示，学生能够通过VR 眼镜在厂房中进行全方位漫游和观察；结构交互设计模块包含了建模、组装和结构计算等内容，学生可按照结构设计参数在VR 场景中通过手势动作创建一榀刚架各个部件并进行组装，系统后台程序将根据结构设计参数对一榀刚架进行结构验算并实时反馈结构设计正确与否，学生再按照反馈信息对结构进行修正。

图2 轻钢门式刚架厂房

1.3 教学过程设计

遵循自由探索和理论指导实践的规律，钢结构课程的交互式VR 虚拟仿真教学分别设置了门式刚架厂房VR 场景漫游、基本原理教学和交互式结构设计三大环节。各环节包含以下内容。

1）门式刚架厂房VR 场景漫游。指导学生穿戴VR 眼镜进入轻钢门式刚架厂房漫游，如图3 所示，通过预设场景说明，引导学生认识轻钢门式刚架的结构体系及适用范围，了解轻钢门式刚架的构造要求、受力特征和设计标准等内容，使学生对轻钢结构体系有初步的认知，明确下一步的学习方向。该环节可适用于学生认识实习环节。

图3 学生VR 场景漫游

2）基本原理教学。这是钢结构课程的传统环节，对学生而言也是较为枯燥的环节，但通过上一环节的学习，激发学生的求知欲望，使学生有明确的学习目标和方向，能够在本环节学习中释放足够的注意力钻研学习。在本环节中，学生通过课堂多媒体学习钢结构材料、钢结构连接、轴心受力构件、受弯构件、拉弯和压弯构件等理论知识。教师有针对性地讲解相关计算公式在轻钢门式刚架结构设计中的应用，逐步引导学生建立系统的钢结构理论体系。对于理论学习中学生难以理解的内容，如螺栓的连接与设计（图4），则重新引导学生进入VR 场景观察结构螺栓连接的受力和破坏特征，教师从原理角度予以解释说明，从而加强学生对理论的理解。

图4 斜梁螺栓连接场景

3）交互式结构设计。本环节分为两部分内容：①按小组分配设计任务，线下指导学生利用所学知识通过手算对一榀刚架进行结构设计，获得初步设计参数；②引导学生进入可交互的VR 场景，根据设计参数对一榀刚架进行建模和组装，如图5 所示，并通过计算机预设结构计算程序反馈结构设计的正确性。此外，允许学生任意调整设计参数，观察不同参数下结构的合理性。

2 钢结构课程的交互式VR 虚拟仿真教学方法与特色

传统的钢结构课程按照教材教学从钢结构材料、钢构件受力计算、钢结构设计依次开展，学生学习属于被动式学习，所有知识点在学生眼中都属于重点难点，导致学生学习效率低且学不能致用。有鉴于此，钢结构课程的交互式VR 虚拟仿真教学坚持“应用导向、虚实结合”的原则，将枯燥乏味的基础理论学习建立在应用需求中，引导学生有的放矢，在应用中学习，在学习中应用。采取教师引导、学生自由探索、交互式VR 辅助相结合的教学方法，充分调动学生的积极性和主动性。特别是，钢结构课程的交互式VR 虚拟仿真教学以轻钢门式刚架结构设计教学为切入点，包括了虚拟场景漫游和交互式结构设计内容，弥补了学生认识实习和课程设计环节中的不足，由此学生既见实物又识方法原理。

钢结构课程的交互式VR 虚拟仿真教学方法包括以下具体内容。

1）完成钢结构课程绪论讲授后，引导学生进入VR 虚拟场景漫游，认识轻钢门式刚架厂房及其结构体系和结构设计中所涉及的知识点。

2）将学生分为3 ～5 人的学习小组开展理论基础学习，并从焊接连接、螺栓连接、受压构件、受弯构件等方向给每位学生分配重点学习任务；教师通过课堂教学有侧重点地引导学生将各自的学习任务与门式刚架厂房设计结合起来，做到有的放矢。

3）完成基本理论课程讲授后，指导学生按小组线下完成一榀门式刚架结构设计获得刚架设计参数，继而通过交互式VR 虚拟空间进行结构建模和组装，再由计算机后台结构分析程序反馈结构设计正确与否，学生根据反馈结果修正结构设计参数。

4）鼓励学生通过自由调整不同结构设计参数，借助计算机反馈设计结果，了解不同参数变化对结构设计的影响。

3 钢结构课程的交互式VR 虚拟仿真教学实践与推广

轻钢门式刚架设计VR 虚拟仿真教学系统自2021 年成功开发并应用，至今笔者所在学校已有200 余土木工程专业学生使用受益，学生普遍反应该教学系统非常有趣且学习愿望强烈。同时，学生的学习目标和方向清晰，在理论基础学习阶段学生积极主动向教师请教在学理论知识是如何在其关注的门式刚架结构设计中应用，有效激发了学生的学习积极性和主动性。

为进一步发挥本教学系统的优势，需要不断进行教学模式的创新和改革，并通过连续建设实现教学资源和教学经验的长足发展。

在未来的发展中，本教学系统将不断细化和丰富VR 场景漫游和结构设计功能，增加不同的钢结构建筑物，丰富学生可使用的虚拟场景，进一步激发学生的学习兴趣。随着教学系统的发展和成熟，本教学系统将逐步向兄弟院校推广，使更多土木工程专业学生受益，同时吸收不同教学单位在使用过程中发现的问题和给出的建议，进一步完善本教学系统。

4 结束语

钢结构课程的交互式VR 虚拟仿真教学结合了当前先进的VR 和虚拟仿真技术，打破了传统教学在空间上的约束，赋予了学生更加自由而真实的学习空间，是对传统说教型和静态型教学的重大革新。本教学方法坚持应用导向、自由探索，将虚拟仿真技术与教学相互融合，让学生带着明确的学习目标身临其境地在虚拟空间中自由学习，极大提高了学生的学习兴趣，获得喜人的学习效果。

此外，钢结构课程的交互式VR 虚拟仿真教学系统还能够满足土木工程专业学生认识实习和钢结构课程设计的使用。钢结构课程的交互式VR 虚拟仿真教学从应用出发，引导学生寓学于用，实现产学融合，契合应用型本科人才培养的要求。