基于仿真技術在土木工程施工實習實訓教學中的探索與實踐

摘要：通過將仿真技術引入到土木工程施工實習實訓教學中，利用仿真技術模擬施工實習實訓的操作全過程，闡述了仿真技術應用于土木工程施工領域，是以建筑物的3D模型為基礎，以施工進度計劃為時間因素，形成動態(tài)的建造過程模擬施工實習實訓內容及方法，不斷地提高土木工程施工教學質量，解決目前施工實習實訓教學所面臨的困境，對培養(yǎng)學生施工創(chuàng)新能力，彌補傳統(tǒng)實踐教學的不足有著重要意義。

關鍵詞：仿真技術；土木工程；施工實訓；教學改革

土木工程專業(yè)是一個實踐性較強的理論型與實踐型相結合的專業(yè)，土木工程施工實習實訓教學環(huán)節(jié)的質量將直接關系到本專業(yè)的人才培養(yǎng)質量。目前，我國擁有土木工程專業(yè)的高校在實驗實訓教學上與發(fā)達國家的教育理念和方法還存在較大差異，因此，施工實驗實訓教學的改革是一項任重而道遠的工作。將仿真技術引入到土木工程施工實驗實訓教學中，應從教學內容、教學方法、教學環(huán)境等方面改革，對激發(fā)學生的工程興趣、培養(yǎng)學生的動手技能、提高學生的綜合專業(yè)技能和創(chuàng)新能力具有重要意義。

一、仿真技術在施工實習實訓教學中的基本思想

仿真技術在航天航空、軍事領域的應用中具有悠久的歷史，是設計的基本方法。隨著現代科學技術的進步，尤其是計算機虛擬技術的發(fā)展，使用仿真技術的應用領域和范圍得到了迅速擴大，涵蓋了社會的各個方面。隨著現代化教育技術的發(fā)展，仿真技術被引入到了實驗（實訓）教學中，稱為仿真實驗[1]?！锻聊竟こ淌┕ぁ氛n程是土木工程專業(yè)課程體系中最重要的組成部分，其實踐性和綜合性都很強的施工課程有別于其他類別的課程。然而，由于施工現場環(huán)境差、不安全因素多，一旦發(fā)生意外安全事故會造成法律責任糾紛，影響實訓單位聲譽，因此，多數施工單位不愿接受高校學生在工地實習實訓，這是目前我國《土木工程施工》課程教學普遍存在的問題。

根據土木工程專業(yè)培養(yǎng)方案的需要，《土木工程施工》課程主要講述建筑施工技術和組織中的施工工藝原理和操作要點，剖析影響工程質量和安全的因素及對策。這些分部工程中的基坑支護與降水、土方開挖、高大模板、起重吊裝工程等屬于危險性較大的工程，安全隱患多，而施工實習實訓又是施工課的重要組成部分，必須進行實踐。從目前就業(yè)情況看，土木工程專業(yè)絕大部分學生是到施工單位、監(jiān)理單位以及與此課程密切相關的單位。因此，如何使學生盡快適應建設工作崗位，學以致用，培養(yǎng)學生的動手能力，提高學生的綜合專業(yè)技能和創(chuàng)新能力是《土木工程施工》課程的目標[2]。

若要利用計算機創(chuàng)造虛擬環(huán)境來模擬各種真實環(huán)境，并根據真實環(huán)境和實際操作情況在虛擬的環(huán)境中進行操作、驗證、設計、運行，把仿真技術與《土木工程施工》教學完美地結合起來，需要將土木工程施工中各個研究對象共性的規(guī)律提煉出來，歸納為各個單元操作，并將這些單元操作按施工工藝過程整合。例如，鋼筋工程實訓中，把鋼筋施工工藝分為鋼筋調直、下料、彎曲、接長（焊接）、綁扎安裝、驗收一條主線，開發(fā)出基于施工企業(yè)的虛擬仿真場景的實踐教學軟件或技能操作平臺。不僅可以節(jié)省學校購買鋼筋調直機、鋼筋切斷機、鋼筋彎曲機、電焊機及鋼材等材料設備資金的投入，而且學生實訓安全也得到保證，并能快速而高效率地提高學生技能實踐的質量和安全。還可以實現施工技能實訓中與仿真設備的交互，能夠像玩電子游戲一樣無限制地使用和復制，減少人為損壞設備的可能性，學生實訓的安全也得到保障；也可通過修改實訓模型有效增加新設備的功能，優(yōu)化資源庫；充分利用網絡實現施工技術應用技能合作性訓練、協同性訓練以及遠程訓練等，達到資源共享目的。從學生的角度，讓學生根據所學的內容在相應仿真環(huán)境中進行施工實訓操作，可以自由改變各個施工工藝的參數，自由控制各個節(jié)點實訓內容，觀察其施工工藝過程，從而進行施工生產實踐中質量與安全的控制，掌握施工工藝操作技術，建造出符合《建筑工程質量驗收標準》的合格建筑產品[3]。

二、工程施工實習實訓教學的現狀

工程施工實習實訓主要包括施工技術的模板工程、鋼筋工程、混凝土工程、砌體工程的操作性實訓和現場管理的單位工程施工組織設計兩大部分，它是土木工程專業(yè)培養(yǎng)方案中的專業(yè)關鍵必修課，是實踐性、綜合性都很強的課程，有別于其他選修類別的課程。然而，目前我國土木工程施工類課程教學普遍存在著較大的困難和問題，主要表現為如下幾方面。

1.教學內容滯后于現行規(guī)范、工程實踐。土木工程施工教材內容陳舊，技術落后，沒有與時俱進，緊跟現行法律和規(guī)范，貼近工程實踐，沒有形成較好的課內課外相結合的有層次的互動式的施工類課程教學體系。例如，2009年國家出臺了《建筑施工組織設計規(guī)范》（GB/T50502-2009），盡管是推薦性規(guī)范，但是在《土木工程施工》教材中講述的仍然是50年代施工組織設計內容。

2.在課堂教學方法和教學手段方面。由于土木工程施工課程的實踐性、綜合性和理論跨度大等特點。施工課基本是采用課堂教學方式，以教師講授為主，這樣傳統(tǒng)的教學模式非常陳舊，沒有調動起學生的學習積極性，教學效果一般較差。盡管有的教師運用多媒體教學手段，收集大量的圖片、動畫資料，然而，由于時間與空間的限制，學生也很難觀察到施工的全過程。

3.施工生產管理實訓方法和手段方面。土木工程專業(yè)是一個實踐性很強的工科類專業(yè)，實踐教學環(huán)節(jié)效果的好壞對畢業(yè)后學生適應社會工作及動手操作能力尤為重要?，F在全國高校土木類院校的培養(yǎng)方案實習分為施工生產實習3周，畢業(yè)實習3周，條件好的學校有3周的實訓，以老師根據教學安排事先聯系好實習單位，在規(guī)定時間內集中組織學生到工地去參觀、見習，由現場技術人員和老師對工程概況及施工技術進行講解，然后由學生自己去尋找實習單位，這種放羊式的教學方法，使得實踐環(huán)節(jié)流于形式，效果極差。

4.在實習實訓教學環(huán)境方面。實習實訓教學資源的不足是長期困繞《土木工程施工》實踐教學質量提高的難題。時代的發(fā)展和科技的進步對實驗教學提出越來越高的要求，對學生創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)需要一種趨于個性化的教學，需要占用更多的實驗、實習實訓教學資源。而這種矛盾可通過仿真技術的應用得以緩解，運用計算機仿真技術軟件，可模擬環(huán)境情境，學生通過仿真實習實訓后，對實訓的整體到局部建立起直觀感性認識，學生可不受實際實訓條件和時間限制進行實驗、實習實訓方案設計。虛擬仿真技術和實際情境實驗結合的模式可合理有效配置教學資源，解決實踐課時少的問題，改善教學條件，形成多元化的教學環(huán)境[4]。

三、土木工程施工實習實訓教學內容和方法

針對以上土木工程施工教學的現狀，對土木類學生進行市場調研，采取一系列教學措施，利用仿真技術在施工實習實訓中的3D技術和教學調研取得的成果帶到課堂上，采取“理論實踐一體化”教學方法，以實踐技能教學為主線，重視理論聯系實際的教學原則，是提高學生綜合執(zhí)業(yè)能力和技能的有效的教學方法。

1.加快虛擬仿真實訓教學的規(guī)范化和標準化建設。2003年我系申報了我校教學科研項目《以軟手段模擬硬設備開展多媒體輔助混凝土結構實驗教學的研究》，現已獲批。該項目研究的主要目的就是要研制一個適合土木工程專業(yè)實訓教學的實驗教學軟件，越來越注重虛擬仿真技術實訓教學的應用研究。基于虛擬仿真技術具有人機交互，寓教于樂，直觀形象，便于記憶，實現互聯網，場景逼真體驗等優(yōu)點，規(guī)范化、標準化的實訓教學引入虛擬現實將大大激發(fā)學生的學習興趣，增強求知的渴望和好奇心，避免傳統(tǒng)教學模式課程教學機械、沉悶的現象[5]。

2.利用虛擬仿真技術進行施工安全控制。由于土木工程施工過程的復雜性和危險性，建筑企業(yè)從業(yè)人員流動性大、安全意識差等情況已經成為建筑企業(yè)保證工程質量、安全施工、安全管理的一個十分棘手的問題。土木類施工實訓實習多數高等院校都是把實習生安排到與建筑施工企業(yè)校企結合的工程項目。而工程項目現場安全隱患較多，一般建筑企業(yè)都不愿意學生在現場實訓過程中的親自動手操作，加上目前法律法規(guī)不夠完善，最害怕實習生在建筑施工現場出現安全事故。目前虛擬現實技術主要應用在課堂講解演示與試驗實踐教學環(huán)節(jié)中，而利用它進行施工過程安全控制，規(guī)范施工企業(yè)安全生產管理，提高建筑施工企業(yè)安全生產管理水平，預防和減少減少安全事故的發(fā)生，實現標準化安全管理，這也是將虛擬現實技術用于安全管理的基礎[6]。

3.注重VR系統(tǒng)設計和實訓師資培養(yǎng)。虛擬仿真技術（Virtual reality，簡稱VR）又稱靈境技術，是以沉浸性、交互性和構想性為基本特征的計算機高級人機界面。VR系統(tǒng)的建設和發(fā)展，師資隊伍建設是關鍵，講授土木工程施工這門實踐性極強的專業(yè)課，除了需要系統(tǒng)的專業(yè)理論外，還要有一定的施工實踐經驗。而培養(yǎng)出既熟悉工程施工專業(yè)知識，又有較好的計算機應用能力的實訓指導教師是開展虛擬仿真技術的必要條件。開展虛擬仿真實訓實驗，在實訓之前要做好充分的準備工作，進行實訓教學科學周密的策劃設計過程，更需要實訓指導教師在教學理念和教學能力上具備創(chuàng)新能力。利用學校青年教師工程實踐培訓機會，首先安排擬講授施工課的青年教師到施工企業(yè)信息管理中心兼職鍛煉，時間不少于一年，彌補實踐經驗的不足。與此同時，可考慮與企業(yè)合作進行虛擬仿真實訓教學軟件開發(fā)和設計，力爭構建具有工程特色的土木工程施工課程教師隊伍，即雙師型的施工課教師隊伍，以滿足施工授課的需要。

4.實習實訓前做好充分準備。施工生產實習實訓前由教研室充分論證做好實施方案，采用集中和散點方式，時間安排從大三第六學期末的倒數第三周開始，至第七學期第二周結束，其問包含一個暑假，共計十周左右時間，學生可在此期間靈活安排完成生產實習任務。在實習之前，除了實習指導教師會安排學生按照實習大綱的要求完成實習各項任務外，土木工程施工任課教師還會專門為學生布置部分工作，即要求每個實習實訓小組（3～5人），根據自己的實習內容制作一份多媒體課件，內容主要是在施工實習過程中，學生認為比較新的施工材料、工藝以及施工管理方法和措施。開課前提交給任課教師，并隨時準備在土木工程施工理論授課時講授。通過此種形式鍛煉了學生總結工程實踐經驗的能力，培養(yǎng)了學生的團隊意識，同時學生提交的多媒體課件還豐富了任課教師的教學素材和內容，及時更新的案例會更加吸引學生的注意力，有利于改善教學效果。

5.改革后的實訓實習成績評定方法?？己艘彩羌ぐl(fā)學生學習潛能的重要方式，考核既是學生學習的壓力也是動力，為了保證日常教學效果，激發(fā)學生參與課堂教學的積極性，對土木工程施工理論教學的考核進行了局部調整，將實習實訓成果的課堂展示作為評判課程平時成績的重要依據。為了取得較好的成績，學生在施工生產實習實訓中，非常注重對施工細節(jié)的觀察，對施工中的某些做法會有更深入的思考，使實習實訓不再流于形式，施工實習實訓的質量也有所改善[7]。因此，應用虛擬仿真技術實訓實習后的成績評定方法劃分為優(yōu)良、合格、不合格三個等級。實訓實習大綱中要求的保證項目應全數檢查，動手操作評分值達到80分及以上者評定為優(yōu)良；評分值應在80分以下，70分及以上者評定為合格；當考核匯總表得分值不足70分時，當有一分項檢查評分表為零時，評定為不合格。當實訓實習考核評定的等級為不合格時，必須限期整改達到合格。

四、結束語

將虛擬仿真技術應用在《土木工程施工》課程實習實訓教學中，改進了傳統(tǒng)實踐教學模式和方法，不但可以節(jié)約學校實驗設備的投資，使實習實訓成本大大降低，而且能夠摒棄學生不好的學習習慣，有效地提高了學習效果和效率，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新和動手能力。同時，通過師生互動活躍了課堂氣氛，充分調動了學生自主學習的積極性，有效地保證了《土木工程施工》課程教學的質量。虛擬仿真技術在土木工程專業(yè)實訓教學中的應用使得實習教學過程既體現先進現代施工技術的內涵，又充分培養(yǎng)了學生設計、分析和動手操作的能力。

參考文獻：

[1]習曉遠.仿真技術在實驗教學中的作用和地位[J].實驗室研究與探索，2002，21（2）：24-25.

[2]周國恩，張樹珺.土木工程施工[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.

[3]梁蕊芳，等.仿真技術在發(fā)酵工程教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2012，147（11）：9-12.

[4]陶淑芬，陶昌.設計性實驗的教學嘗試與思考[J].曲靖師范學院學報，2004，23（3）：13-15.

[5]王凱英，廖明軍.虛擬現實技術在土木工程教學中的應用探討[J].中國現代教育裝備，2010，109（21）：72-73.

[6]劉錚，孫俊.虛擬現實技術與土木工程施工安全[J].建筑技術開發(fā)，2004，31（5）：97-99.

[7]寧寶寬，等.基于生產實習的土木工程施工理論教學改革與實踐[J].高等建筑教育，2012，21（3）：118-120.

基金項目：新世紀廣西高等教育教學改革工程項目（009C063）

作者簡介：周國恩（1965-），男，漢族，廣西上林人，廣西科技大學，副教授，注冊監(jiān)理工程師，主要研究方向：工程施工、工程監(jiān)理。