鋼結構施工仿真實訓對學生實踐能力培養的實現

戶淑莉，李 猛，蘇堪華(.重慶機電職業技術學院，重慶40760；.重慶科技學院，重慶 4033)

0 引言

近年來，仿真技術已廣泛應用于航空航天、汽車制造、交通運輸、消防安全等多個領域，對教育領域的發展也起到了促進作用。仿真技術可以把實驗或實訓設備、實訓內容、教師指導和學生操作有機地融合為一體，可在短時間內根據需要建立模擬實驗室或實訓場地[1-2]。

對于鋼結構施工教學，由于施工現場實習過程中多數學生只能觀摩不可操作，導致學生對鋼結構施工工藝流程理解不夠透徹，難以保證實習質量[3]。因此，為了培養理論聯系實際的應用型人才，需要構建室內鋼結構施工仿真實訓平臺。該平臺可利用模擬設備和計算機仿真技術，進行鋼結構施工工藝流程操作模擬訓練，讓學生親身經歷鋼結構施工全過程，整個操作流程與現場工藝流程一致，可提高學生的工程實踐能力，利于培養應用型人才[4]。

1 仿真技術在鋼結構施工實訓教學中的必要性

為了使高校培養的畢業生與企業的需求無縫對接，必須在加強理論基礎教育的同時，應加大現場實訓力度，且整個實訓過程要做到人人參與，并要求工藝流程與現場企業的實際操作一致[5]。但目前高校的學生在現場實訓操作過程和操作參與度方面均未達到上述要求，主要原因有以下幾點：

1.1 鋼結構施工課程知識涉及面廣，現場施工實訓難度大。鋼結構施工課程涉及建筑工程、交通工程、水利工程等施工機械、施工工藝，許多現場施工流程只可觀察外表，對于內部具體流程，學生只能在教師講解的基礎上想象，只可窺其一斑，理解有一定難度。

1.2 鋼結構施工教材無法與時俱進，更新速度慢。在科技迅速發展的今天，鋼結構施工行業也發展迅速，新技術、新工藝、新方法日新月異，受制于人力、物力、財力，高校教材內容更新相對滯后。

1.3 鋼結構施工實訓技能多樣性，勞動強度大。鋼結構施工包含多種施工工藝，每種施工工藝又包括不同的操作流程，并不是簡單的重復性操作，且由于鋼結構施工設備全部為重型機械，即便在自動化程度較高的今天，現場鋼結構施工操作勞動強度依然很大。

1.4 施工現場各模塊環環相扣，學生參與連續性差。鋼結構施工時間普遍較長，但高校學生實踐教學時間較為緊湊，另外，實訓設備數量有限，不能保證人人參與，難以保證鋼結構施工課程的實踐教學質量。

為有效地解決鋼結構施工實訓過程中存在的諸多問題，高校可將仿真技術引入到鋼結構施工實驗實訓教學中，構建虛擬仿真實訓平臺，使其成為傳統鋼結構施工實踐教學手段的有效補充，對激發學生的工程興趣、培養學生的動手技能、提高學生的綜合專業技能和創新能力具有重要意義。

2 鋼結構施工仿真實訓平臺設計

針對上述鋼結構施工實訓教學中存在的問題，運用現代科學的思想、方法、技術、手段，結合系統論、信息論、控制論、協同論、突變論等科學方法及最新的計算機可視化信息技術的集成方法，鋼結構施工仿真實訓平臺應運而生。

2.1 鋼結構施工實訓平臺的組成

鋼結構施工仿真實訓平臺將計算機、網絡、施工設備、虛擬施工環境有機地融合為一體。整個鋼結構仿真實訓平臺由測量放線、地基與基礎、主體結構、裝飾與裝修、屋面工程五個模塊組成。該平臺含有由研究院所提供的真實圖紙、技術資料和各種施工記錄等，與實際鋼結構施工項目符合。具體包括：

2.1.1 施工現場、施工工藝及施工管理等真三維模型；

2.1.2 符合國家、地方規范標準的全部CAD圖紙、施工方案、安全技術交底、交接檢查記錄、檢驗批記錄、隱蔽工程檢查記錄單等資料庫；

2.1.3 鋼結構施工過程中用到的材料、設備和工具；

2.1.4 根據特有熱點能夠實現快速跳轉的漫游地圖。

2.2 鋼結構施工實訓平臺的功能

為實現高校畢業生與一線企業單位的無縫對接，鋼結構施工實訓平臺主要有實訓、教學、考評等多種用途。結合現場施工工藝，軟件與硬件相結合可以實現以下功能：

2.2.1 學生在鋼結構施工仿真平臺中可選取任務或自行設置任務，然后根據任務將課堂理論知識與現場操作技能整合，模擬操作完成任務；在施工操作過程中，學生能夠學習當前最新的鋼結構施工工藝技術，熟悉操作流程，提升學生的實踐創新能力；

2.2.2 教師可將理論教學與實踐教學以真三維動畫(如圖1)的形式呈現，該平臺在豐富教學資源的同時，也提升了教學效果；也可為教師在數字教學與實踐教學融合一體化研究方面，提供一個有力的教學研究平臺，能夠提升教師的教學能力，改善教師的教學方法。

3 鋼結構施工仿真實訓提高學生實踐能力的途徑

鋼結構施工實訓平臺具備沉浸性、交互性和構想性等特征，能夠利用數字虛擬技術提供傳統實訓教學無法提供的實訓學習環境，可通過以下方法提高學生的鋼結構施工實踐能力。

3.1 鋼結構施工仿真實訓平臺環境的開放性

圖1 鋼結構實訓平臺三維動畫

鋼結構施工仿真實訓平臺存儲了大量的虛擬施工實訓設備、主體結構、施工環境、施工工藝、施工指導、施工糾錯等相關資料，學生既能按照設計操作鋼結構施工，又能“穿越”設備內部，觀察設備的運轉機理和施工流程原理；該平臺可以將傳統施工實訓幾天甚至幾十天才能得到的實訓結果，在幾十秒內呈現在學生面前，大大提高了鋼結構施工實訓效率。

3.2 鋼結構施工仿真實訓平臺環境的交互性

學生依靠仿真技術不僅能夠對現場資料進行數字化處理，按照需求渲染鋼結構施工對象(如道路、橋梁、環境等)，還可以“穿越”鋼結構施工項目中，觀察該項目模型的內在配置情況，查看內在建設是否存在工藝或質量等問題。此外，學生還可通過仿真技術，實時觀察設計過程中各個結構部件的位置與整體結構的關系，讓學生能夠更加清晰地認識整個鋼結構施工項目，實現全局掌控整個項目的目標。

3.3 鋼結構施工仿真實訓平臺的安全性

傳統鋼結構施工實訓施工工藝繁多、重型設備多樣、人員流動隨機性大，導致安全隱患較多。鋼結構施工仿真實訓平臺將施工設備、施工環境、施工工藝、施工材料等以數據的形式融合為一體，學生可按照項目要求通過計算機將現場設備操作、施工工藝布置、結構配合等進行真三維可視化，不僅安全性提高，而且不會因學生的操作不當而損壞“施工設備”，對學生掌握固井工藝大有裨益。

4 結語

構建鋼結構施工仿真實訓平臺，開展鋼結構施工實訓教學，對促進結構工程學科建設，提高鋼結構施工實訓教學效果具有積極作用。該實訓平臺的建立，有助于鋼結構施工知識的更新升級，突破了空間與施工現場條件的限制，便于學生自主設計、主動學習；該平臺將施工理論基礎教學與施工實際操作密切聯系，可提高學生的實踐操作能力，利于培養創新性應用型人才。

[1]李楠，賈宏俊. 淺談鋼結構課程仿真模擬實踐教學平臺建設[J]. 科技資訊，2014,12:157.

[2]祝磊. 仿真技術在土木工程施工課程實踐教學中的應用[J]. 山西建筑，2016,42(12):236-237.

[3]周國恩，張樹珺.土木工程施工[M].北京：化學工業出版社，2011.

[4]寧寶寬.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.

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