虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程教學(xué)中的應(yīng)用探討

黃艷霞 黃群藝 鄒志鵬

【摘要】虛擬現(xiàn)實技術(shù)是土木工程專業(yè)教學(xué)的重要手段，本文在分析虛擬現(xiàn)實技術(shù)特點基礎(chǔ)上，圍繞著現(xiàn)實需求來解決傳統(tǒng)教學(xué)手段不足的問題，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展前景探討其在土木工程教學(xué)中的應(yīng)用空間。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實 土木工程 應(yīng)用策略

【中圖分類號】TP391.9；TU-4 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）04-0026-01

理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合是土木工程教學(xué)的重要議題，理論與實踐結(jié)合是培養(yǎng)學(xué)生重要手段，由于各種原因，我國土木工程實踐教學(xué)很大程度上滯后于理論教學(xué)，土木工程專業(yè)教學(xué)在教學(xué)方法與空間上還面臨困境與挑戰(zhàn)，還需要開辟新思路，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以有效解決這一矛盾。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念及特點

1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)也可以稱為VR技術(shù)，是一項具有高集成性的新型技術(shù)。它主要由計算機圖像處理技術(shù)，智能接口與人工智能技術(shù)等部分組成。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)字圖像的深度處理，可以在傳感器技術(shù)的支撐下實現(xiàn)深入的目標分析。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是把復(fù)雜抽象的計算機數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀事物的重要手段，該技術(shù)可以為技術(shù)人員提供新的人機交換的接口，把計算機生硬的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成虛擬的圖像世界，用戶可以直接的參與到外界環(huán)境改變活動中去，從而構(gòu)成綜合的集成性系統(tǒng)，進一步實現(xiàn)了二維與三維空間的轉(zhuǎn)換，使用戶有身臨其境的感覺。

2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)特點

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是綜合多種技術(shù)的新型技術(shù)。首先，它具有沉浸性的特征，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的有效轉(zhuǎn)換，可以把具體的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成視覺、嗅覺、聽覺等效果，生動立體的三維化圖像可以滿足用戶對傳統(tǒng)交互設(shè)備的應(yīng)用需求，從而可以使人們了解虛擬環(huán)境中的各種作用對象。其次，虛擬現(xiàn)實技術(shù)有交互性特征，可以用頭盔顯器、數(shù)據(jù)手段與其它計算機設(shè)備進行交互，這樣可以帶來更好的聽覺、視覺與觸覺效果，可以使對象進行各方面操作控制，同時可以幫助用戶更好了解對象的特點。第三，虛擬現(xiàn)實技術(shù)有多感知性特征，可以實現(xiàn)用戶同時感知多目標需求，模擬了身臨其境的感覺，進一步提高了感受的真實性。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)對土木工程教學(xué)的價值

1.彌補教學(xué)條件不足

當前土木工程的規(guī)模不斷擴大，土木工程新技術(shù)更新速度不斷加快，這使得傳統(tǒng)的依靠計算機進行土木教學(xué)的方法已經(jīng)不再滿足現(xiàn)代土木工程教學(xué)需求。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以在虛擬的儀器設(shè)備、虛擬實驗室的基礎(chǔ)上模擬真實的土木工程環(huán)境，進一步在課堂構(gòu)建了實踐化的教學(xué)情境，有助于提高可視化的教學(xué)效果，滿足了土木工程專業(yè)教學(xué)的現(xiàn)實需求，同時極大的降低了教學(xué)成本，并且可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)，解決了土木工程教學(xué)的設(shè)備不足，教學(xué)時間長，教學(xué)資源配置不足的問題。

2.滿足復(fù)雜操作需求

土木工程施工現(xiàn)場有一定的危險性，在施工現(xiàn)場進行實踐教學(xué)容易受到外界因素干擾，不利于教師有效的控制教學(xué)環(huán)境。使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以有效的進行復(fù)雜操作項目的教學(xué)，可以切實降低實訓(xùn)的安全風(fēng)險，同時減少了土木工程教學(xué)的周期性。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以模擬真正的大型土木工程的現(xiàn)場，可以把現(xiàn)實操作中的復(fù)雜的高難度的項目搬到課堂。例如，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以滿足學(xué)生參與剪力墻振動實驗、滑坡過程、橋梁健康檢測實驗等教學(xué)，還可以滿足學(xué)生對沉降現(xiàn)象的觀測需求。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)下學(xué)生可以模擬深入到建筑的內(nèi)部環(huán)境而不承擔(dān)相應(yīng)的風(fēng)險，這對于提高學(xué)生對土木工程學(xué)科的理解度有重要價值。

3.突破了時空限制

在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支撐下可以突破土木工程教學(xué)的時空限制，可以實現(xiàn)反復(fù)無障礙的教學(xué)，可以視實際情境進行充分教學(xué)，從而滿足不同時間與空間中的學(xué)生學(xué)習(xí)需求。首先，虛擬現(xiàn)實技術(shù)滿足學(xué)生多次重復(fù)觀看體驗需求，可以實現(xiàn)反復(fù)組織教學(xué)活動目標，對于提高教學(xué)的深度有重要意義。其次，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以實現(xiàn)個性化的教學(xué)，可以給學(xué)生提供豐富的直觀性素材，同時還可以根據(jù)學(xué)生的具體需求提供個性化的教學(xué)內(nèi)容，這對于促進學(xué)生從不同的角度觀察土木工程有重要的意義。第三，是現(xiàn)階段模擬工程場景，促進學(xué)生自主開展實驗的手段。虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以不斷升級，可以在適應(yīng)教材的基礎(chǔ)上實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的擴展延伸，這對于提高教學(xué)質(zhì)量與滿足教學(xué)新需求有重要價值。

三、虛擬技術(shù)在土木工程的具體應(yīng)用

1.虛擬儀器

虛擬儀器技術(shù)是在傳統(tǒng)儀器硬件技術(shù)的基礎(chǔ)上模擬出與傳統(tǒng)儀器相似的造型、功能與操作顯示板，學(xué)生可以通過計算機來實現(xiàn)對虛擬儀器的操作，并且可以營造出近似真實的虛擬按鈕、開關(guān)與旋鈕等功能。通過虛擬儀器上的測試儀表、虛擬顯示屏和虛擬指示燈可以讀取虛擬儀器的狀態(tài)。例如，在虛擬三軸儀的使用中，學(xué)生還可以模擬虛擬儀器的放置方式，設(shè)置不同的加載條件，從而分級施加不同大小的載荷，并且模擬三軸儀的壓力計劃和百分表，從而顯示出不同的實驗結(jié)果。虛擬儀器可以使學(xué)生借助普遍的儀器硬件平臺，從而虛擬化的構(gòu)建各種功能實驗儀器，使有虛擬系統(tǒng)的虛擬實驗來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)場實驗。

2.虛擬實驗

虛擬實驗可以借助多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機上營造可輔助部分代表真實工程環(huán)境的實驗操作環(huán)節(jié)，學(xué)生可以在真實的工程環(huán)境中進行各種實驗項目的操作，所取得的實驗效果等價于甚至優(yōu)于真實的環(huán)境中所取得的操作效果。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以各種現(xiàn)實條件進行模擬，同時又效的避免了現(xiàn)實條件中的危險，同時也可以減少對精密設(shè)備使用的損壞，并且建立起一個真實的實驗環(huán)境，實現(xiàn)實驗的交互性操作結(jié)果。

3.虛擬實習(xí)基地

虛擬實習(xí)基地和虛擬實習(xí)教室等是在虛擬技術(shù)高速發(fā)展的過程中模擬而成的空間。學(xué)生可以在虛擬的場景中行走，交互操作各種儀器設(shè)備，甚至可以跟虛擬場景中的人物進行交流，可以在視聽環(huán)境下感受到真實的實習(xí)內(nèi)容，同時有助于對傳統(tǒng)的實習(xí)項目與過程進行再現(xiàn)，這樣有助于學(xué)生深入的反思自己的實習(xí)情況，同時還可以把復(fù)雜的實驗項目融入到工作情境當中。通過對過往實習(xí)反復(fù)觀看，有助于鞏固實踐教學(xué)成果，找出實踐過程中的問題，提高實驗操作的效率與質(zhì)量，同時提高實驗教學(xué)有效性與科學(xué)性，達到高效和的開展實驗教學(xué)目標。

四、結(jié)論

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間，可以改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，是有著潛在深遠價值的應(yīng)用技術(shù)，當前主要用于模擬各種儀器、實驗環(huán)境，以及給學(xué)生提供操作空間，達到高效促進教學(xué)目標。

參考文獻：

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[2]張亞斌.虛擬現(xiàn)實技術(shù)進展及其在建筑行業(yè)中的應(yīng)用案例[J].建筑技藝.2017（09）.

通訊作者：

黃群藝，男，漢族，1984-，福建泉州人，西南交通大學(xué)講師，工學(xué)博士