论虚拟现实技术在土木工程实践教学范文

摘要：为了将虚拟现实技术引入土木工程实践教学中，文章以真实工程案例场景为依托，以体验式教学模式为基础，对土木工程实践教学内容和评价体系进行改革，构建虚拟实践教学系统。同时，将理论与实践课程内容相衔接，增加学生与系统的交互性操作，能够培养学生的创新应用能力，激发学生的学习热情，提高学生的学习效率。

关键词：土木工程；实践教学；虚拟现实技术

土木工程专业实践教学是十分重要的教学环节，主要包括实验、实习、课程设计及毕业设计等内容。但教学模式单一、教学难点解析不透、实践教学资源不足等因素[1]，导致难以达到预期的教学效果。因此，对于土木工程实践课程的教学改革迫在眉睫。虚拟现实技术（VirtualReality,VR）是近年兴起的一门综合性信息技术，在教育领域具有广泛的应用前景，对传统教学产生很大的冲击[2]。目前已有部分学者对VR在土木工程实践教学进行了应用研究[3-5]，但多数高校还是处于探索试用阶段，或者只是在已有的教学中起辅助作用，并未建立一套完整的基于虚拟现实技术的实践教学体系。本文提出以真实工程案例场景为背景，从实验课程、课程设计和实习三种实践教学环节出发，构筑体验式教学模式，调整土木工程实践教学内容，建立创新能力实践课程评价体系，构建虚拟现实技术交互式虚拟现实实践教学系统平台，实现对土木工程实践课程的全面改革。

1体验式教学模式改革

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术，教师在教学过程中通过构建虚拟的教学系统，模拟三维立体的真实工程环境，让学生通过鼠标和键盘的操作与教学系统进行交互，营造体验式学习环境，改变传统的PPT授课模式。学生在与实际工程相接近的环境中，能够使自己的视觉、听觉、触觉等多种感官系统参与其中，在虚拟世界中学习专业知识，从而解决传统教学模式单一的问题[6]。为了提高实践教学效率，针对实验课程、课程设计和实习三种实践课程形式，对部分实践教学内容进行调整是十分必要的。

1.1实验课程改革

土木工程实验包括设计性实验、演示性实验和综合性实验。设计性实验要求学生具备很强的三维空间感；演示性实验和综合性实验不仅需要消耗很长时间（比如混凝土终凝时间），耗材量大（如土力学实验），甚至在实验过程中还会产生一些有害物质（如沥青实验）。虚拟现实技术通过模拟三维实验场景、实验演示过程和交互操作，不仅可以弥补上述传统实验的不足，还可以大大提高教学效率。为提高虚拟现实实验平台的应用效率，需要对实验教学内容进行适当调整。关于设计性实验，可以在课堂教学中引入虚拟现实场景，边展示边讲解，让学生直观感受建筑物结构的构件细节，如楼梯间构件细节。关于演示性实验，在课前就可以将实验于平台上供学生预习，既可以缩短教学实践的时间，也可以保证实验的安全性。关于综合性实验，除了实验操作步骤讲解外，还需要增加学生交互性操作讲解，保证每个学生都能掌握实验内容。学生若有不明白之处，可以随时进行回放，解决了部分学生有问题也不愿向老师请教的问题。

1.2课程设计改革

课程设计是理论课程的补充，须增加理论与实践的联系。为摆脱传统课程设计的教学模式、适应行业发展，须适当引进现代化教学软硬件设备，让学生在掌握专业内容的同时提高自身的计算机操作能力。在使用虚拟现实教学平台教学时，须以实际工程案例为背景，吸纳学生参与制作部分虚拟场景，增强课程交叉，提高教和学的效果。对学习成果的展示，从课程设计计算书的形式转化为三维模型的形式。学生以小组为单位，通过自主设计和计算，在虚拟教学系统中提交建筑的三维模型，作为自己的学习成果。这样可以避免学生照搬书本例题，促进学生充分思考，在虚拟系统中增强学生的求知欲。

1.3实习模式改革

实习教学环节是培养本科生实践能力的重要方式，是学生从校园走向社会的过渡阶段。但由于实习时间有限，而一个土建工程的施工工期往往是一年甚至数年，学生无法参与到整个工程的施工，因此对生产实习的认识缺乏完整性，难以达到实习教学大纲规定的实习要求。利用虚拟现实技术建造实习周围场景、结构构件、材料品种等三维动态模型，并对动态立体模型进行虚拟装配，通过人机交互可视化的方式对施工方案进行补充和修改。同时可以利用虚拟技术提供方案和实际模型相结合的方式完成施工的全过程展示，并结合有限元分析，对结构和构件进行受力分析，实现对整个施工过程的动态演示和控制设计。也可以让学生通过观看虚拟现实场景发现问题，并根据自己所学的专业知识提出解决方案。

2实践教学评价体系改革

课程的评价体系直接影响着授课效率和对学生能力的培养，而目前的课程成绩评价体系无法体现出学生的创新能力。这里基于虚拟现实技术的引入，提出针对课程设计和毕业环节的创新能力评定方案：首先，将学生进行分组，以7～8人为一小组，每组以设计不同类型结构建筑物为主题（可自选但不可重复）；其次，学生通过已学的CAD、Revit等软件，绘制并虚拟组装完成不同结构形式的民用建筑或工业建筑；最后，提交总结报告和三维结构模型，并组织学生以汇报的形式向全班学生展示自己的设计理念、结构计算原理、在设计中遇到的问题以及相应的解决方式。分别根据报告的内容（30%）、模型的创新（40%）、汇报的表达（30%）评定学生的组织能力、创新和应用实践能力、表达能力。该评价的主要特点是考查学生的创新能力、解决实际工程问题的能力、软件应用能力及叙述总结能力。学生通过在虚拟现实平台中自主选择结构和构件，并完成整个工程的设计和计算。为学生提供充足的创新空间，要求学生运用所学的理论知识解决在设计过程中遇到的实际工程问题，充分展现学生的软件操作能力和综合应用能力。

3结语

根据目前高校土木工程实践课程教学中存在的问题与不足，本文提出采用虚拟现实技术，建立土木工程虚拟现实实践教学平台。通过构建体验式教学模式，激发学生的学习兴趣。充分利用平台资源，从实验课程、课程设计和实习模式出发，进行土木工程实践教学内容改革，并通过实践教学体系改革，重点培养学生的创新能力和综合应用能力。通过虚拟现实技术的引进，既可以增强传统工科与新技术的结合，还可以在有效节约教学资源的同时，提高实践课程的授课效率，解决学生实习资源少的难题，为培养具有创新能力的应用型人才提供更好的资源和平台。

作者：黄佳璇 金韶霞 单位：浙江科技学院中德工程师学院