遠(yuǎn)程協(xié)助虛擬仿真技術(shù)在土木類實踐教學(xué)中的探索

袁振霞， 邊亞東， 趙 毅， 陳雨婷

（中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，鄭州450007）

0 引 言

土木類實踐教學(xué)在人才培養(yǎng)計劃中占據(jù)重要地位，不僅是驗證理論基礎(chǔ)知識、提高對理論知識領(lǐng)悟深度的高效教育方式，還是培養(yǎng)學(xué)生具備工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)［1］。實踐教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目標(biāo)，借助網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)手段，不斷拓展實踐教學(xué)改革維度，進(jìn)而提升實踐教學(xué)的綜合水平和教學(xué)質(zhì)量［2］。

2018 年10 月，教育部印發(fā)的《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》，提出“大力推動虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代技術(shù)在教學(xué)和管理中的應(yīng)用，以現(xiàn)代信息技術(shù)推動高等教育質(zhì)量提升”［3］。虛擬仿真技術(shù)因其可以全息化模擬實驗場景和實驗過程，完成真實實驗不具備或難以實現(xiàn)的過程，降低實踐教學(xué)的過程成本，并提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實驗結(jié)果，成為實踐教學(xué)改革的重要手段；同時也成為傳統(tǒng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的有益補(bǔ)充［4］。然而，在虛擬仿真實踐教學(xué)過程中，還存在一些短板制約教學(xué)質(zhì)量的進(jìn)一步提升，本文以我校土木類專業(yè)實踐教學(xué)為例，利用“互聯(lián)網(wǎng)+教育”優(yōu)勢［5］，探索遠(yuǎn)程協(xié)助虛擬仿真技術(shù)在線實踐教學(xué)改革中的應(yīng)用。

1 虛擬仿真實踐教學(xué)應(yīng)用背景及存在問題

1.1 虛擬仿真實踐教學(xué)開展的應(yīng)用背景

在土木類傳統(tǒng)實踐教學(xué)中存在如下問題：①施工周期長，工序復(fù)雜，學(xué)生難以在有限的實習(xí)時間內(nèi)完成整個施工過程的技能學(xué)習(xí)；施工現(xiàn)場工序雜、人員多，學(xué)生缺乏施工經(jīng)驗和對危險源的判別能力，施工單位出于安全考慮而拒絕學(xué)生進(jìn)入工地實習(xí)；②綜合性實驗存在設(shè)備體量大、實驗成本高、破壞性強(qiáng)等特點，實驗室因不具備場地和保護(hù)措施而無法開展；③實驗周期長，而教學(xué)課時短，不利于學(xué)生對實驗原理的掌握，無法甄別實驗數(shù)據(jù)與分析結(jié)果；④學(xué)生多，設(shè)備少，難以保證每人進(jìn)行實驗操作，影響學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)［6-9］。

為適應(yīng)土木行業(yè)發(fā)展對專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，解決實踐教學(xué)存在的不足，我校土木類專業(yè)構(gòu)建了與實踐教學(xué)深度融合的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，其結(jié)構(gòu)按照知識應(yīng)用的梯度分為基礎(chǔ)知識考查、綜合能力應(yīng)用、工程應(yīng)用實踐、創(chuàng)新思維提升四大功能模塊，涵蓋了土木類專業(yè)的主要實踐課程，如：工程力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土木工程施工、建筑材料等知識點。

1.2 虛擬仿真實踐教學(xué)存在的問題

虛擬仿真實踐教學(xué)與傳統(tǒng)的教育模式和環(huán)境資源相比，具有受時間和空間影響小的優(yōu)勢。然而，作者經(jīng)過大量的學(xué)情調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在虛擬仿真實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中還存在以下問題：

（1）缺乏實時互動。教師利用虛擬仿真平臺為學(xué)生演示，學(xué)生課下通過網(wǎng)絡(luò)、PC 端、移動端自行操作，教師和學(xué)生在實踐過程中信息交互不便。

（2）缺乏暢通交流空間。學(xué)生因個體差異，在虛擬仿真實驗過程中，出現(xiàn)個別不理解、不會操作、不能順利完成實驗或?qū)嵙?xí)規(guī)定任務(wù)等現(xiàn)象。

（3）缺乏有效監(jiān)督。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境帶給學(xué)生便利的學(xué)習(xí)渠道時，也帶來了負(fù)效應(yīng)［10］，如：無人監(jiān)督狀態(tài)下，個別學(xué)生出現(xiàn)應(yīng)付實驗、復(fù)制粘貼他人實驗報告等現(xiàn)象。

（4）缺乏全面校正和評價措施。教師難以對學(xué)生進(jìn)行及時指導(dǎo)和過程評價，只能依據(jù)課后實驗報告單一量化成績。

以上等問題制約了虛擬仿真實踐教學(xué)優(yōu)勢發(fā)揮，以致影響到預(yù)期效果。

2 遠(yuǎn)程協(xié)助虛擬仿真實踐教學(xué)思路

2.1 教學(xué)思路設(shè)計理念——PDCA

PDCA管理循環(huán)理論，是美國質(zhì)量管理專家休哈特博士提出，由戴明采納、宣傳、獲得普及，所以又稱戴明環(huán)，主要應(yīng)用于項目質(zhì)量管理。整個循環(huán)包括4 個階段：計劃（Plan）、實施（Do）、檢查（Check）和處理（Action）［11］。依據(jù)目標(biāo)制定計劃（P）；按照計劃內(nèi)容進(jìn)行實施（D）；參照設(shè)定的目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)對所做的內(nèi)容進(jìn)行檢查（C）；根據(jù)檢查結(jié)果進(jìn)行反饋處理（A）［12］。

因此，將PDCA 管理理念引入并靈活運用于虛擬仿真實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，致力于學(xué)生實踐環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)質(zhì)量的持續(xù)提升。

2.2 方案設(shè)計

基于高等工程教育改革的要求［13］和PDCA 質(zhì)量管理理念，依托我校力學(xué)與工程結(jié)構(gòu)省級虛擬仿真實驗教學(xué)平臺及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，制定了土木類線上實踐教學(xué)方案。該方案重點強(qiáng)化遠(yuǎn)程協(xié)助技術(shù)應(yīng)用，可實現(xiàn)教師與學(xué)生一對一、一對多的實時虛擬仿真實驗演示、操作、指導(dǎo)和交流常規(guī)化，為學(xué)生提供一種便捷的遠(yuǎn)程交互式虛擬仿真實驗環(huán)境。該方案是以培養(yǎng)學(xué)生實踐能力為核心，以注重學(xué)生認(rèn)知能力、應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力為目標(biāo)的“三級遞進(jìn)”人才培養(yǎng)模式。將PDCA 理念應(yīng)用于實踐教學(xué)中，分為實驗前目標(biāo)設(shè)定（P）、實驗中操作實踐（D）、實驗結(jié)束成績考核（C）、實驗完成錯誤校正（A）“四階段”（見圖1）。

（1）實驗前目標(biāo)設(shè)定（P）。教師發(fā)布實驗?zāi)康摹?nèi)容、方法、設(shè)備及工具，并遠(yuǎn)程指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行資料查閱和前期實驗設(shè)計。

（2）實驗中操作實踐（D）。教師指導(dǎo)并考查學(xué)生按照實踐教學(xué)大綱完成情況、學(xué)習(xí)態(tài)度、操作能力等，在此過程中遠(yuǎn)程協(xié)助學(xué)生進(jìn)行操作。

（3）實驗結(jié)束成績考核（C）。實驗結(jié)束后在線測試，教師遠(yuǎn)程對學(xué)生進(jìn)行考核，并結(jié)合實驗報告評定實踐環(huán)節(jié)成績。

（4）實驗完成錯誤校正（A）。教師根據(jù)學(xué)生在線上考察中反映出的問題，進(jìn)行遠(yuǎn)程案例剖析、校正，對重點知識強(qiáng)化指導(dǎo)，學(xué)生也可再次進(jìn)行虛擬仿真實驗操作。

圖1 遠(yuǎn)程協(xié)助虛擬仿真技術(shù)線上實踐教學(xué)方案設(shè)計

3 遠(yuǎn)程協(xié)助虛擬仿真實踐教學(xué)的探索應(yīng)用

3.1 制定遠(yuǎn)程協(xié)助虛擬仿真實踐教學(xué)方案

（1）根據(jù)土木類行業(yè)特點制定實施方案。土木類行業(yè)要求從業(yè)人員具備較強(qiáng)的實踐能力和工程應(yīng)用能力［6］。為切實提升學(xué)生的工程能力，激發(fā)學(xué)生高效、深入地參與實踐學(xué)習(xí)的動力，將虛擬仿真實踐教學(xué)資源進(jìn)行整合，并引入實踐教學(xué)大綱，按照教學(xué)執(zhí)行計劃制定遠(yuǎn)程協(xié)助虛擬仿真實踐方案。如：我校購置的“虛擬仿真施工實訓(xùn)系統(tǒng)”對應(yīng)土木工程施工課程和實習(xí)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生查閱規(guī)范、實踐操作等工程應(yīng)用能力；我校自主設(shè)計的“復(fù)雜環(huán)境作用下土的力學(xué)性質(zhì)虛擬仿真實驗”，對應(yīng)土力學(xué)課程中土的相關(guān)工程性質(zhì)理論知識應(yīng)用，增強(qiáng)學(xué)生理論與實踐相結(jié)合，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生在實驗中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，詳細(xì)方案見圖2。此方案的制定堅持工程應(yīng)用、協(xié)同創(chuàng)新的理念，培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)土木行業(yè)發(fā)展趨勢的需要，借助于遠(yuǎn)程協(xié)助工具，實現(xiàn)師生深層次的互動溝通［14］。

圖2 遠(yuǎn)程協(xié)助虛擬仿真實踐教學(xué)方案

遠(yuǎn)程協(xié)助虛擬仿真實踐教學(xué)方案，將教師和學(xué)生的教與學(xué)關(guān)系集成于網(wǎng)絡(luò)平臺上，包含了理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真實操、在線測試、信息交互等。在實踐過程中量化考核成績，確保學(xué)生成績長效管理機(jī)制良好運行。

（2）遠(yuǎn)程協(xié)助教學(xué)服務(wù)平臺。遠(yuǎn)程協(xié)助管理軟件種類繁多，由于其在PC端和移動端的便捷切換，得到了人們的廣泛使用，授課教師可根據(jù)實踐教學(xué)需求選用軟件并拓展所需的教學(xué)功能。如：利用TeamViewer作為遠(yuǎn)程協(xié)助工具［15］，教師和學(xué)生互動時連接對方的PC端、移動端，無需安裝專業(yè)管理軟件、設(shè)置VPN、端口、防火墻，即可實現(xiàn)PC 之間、移動端之間、PC 與移動端之間，多種操作系統(tǒng)跨平臺遠(yuǎn)程控制，并可進(jìn)行白板交流；同時可利用ZOOM 會議、企業(yè)微信、釘釘平臺，隨時發(fā)起課程邀請，既能看到每位同學(xué)的狀態(tài)，還可實現(xiàn)高清流暢在線直播、視頻交流、屏幕分享、錄制，方便學(xué)生回放復(fù)習(xí)［16-17］。遠(yuǎn)程協(xié)助虛擬仿真實踐教學(xué)模式，搭建起具有遠(yuǎn)程演示、協(xié)助、指導(dǎo)、答疑、測試等互動模式的教學(xué)服務(wù)平臺，實現(xiàn)受時間和空間隔離限制時的學(xué)習(xí)交流。

3.2 遠(yuǎn)程協(xié)助虛擬仿真實踐教學(xué)應(yīng)用

實踐教學(xué)包括實驗和實習(xí)環(huán)節(jié)，虛擬仿真操作中實驗環(huán)節(jié)的難點在于參數(shù)設(shè)置和操作流程，實習(xí)環(huán)節(jié)的難點在于構(gòu)件設(shè)置和工藝流程。本文以實習(xí)環(huán)節(jié)“地基基礎(chǔ)”工程“等高式磚基礎(chǔ)大放腳”為例，進(jìn)行遠(yuǎn)程協(xié)助虛擬仿真指導(dǎo)。

（1）教師制定實習(xí)計劃，遠(yuǎn)程演示虛擬仿真實驗操作。土木類專業(yè)實習(xí)環(huán)節(jié)作用是幫助學(xué)生學(xué)習(xí)各分部工程的施工技術(shù)和流程，將平時學(xué)習(xí)的理論知識點匯集成體系，并與實踐相結(jié)合，鍛煉學(xué)生工程應(yīng)用能力。教師按照實習(xí)計劃安排，利用遠(yuǎn)程教學(xué)服務(wù)平臺布置任務(wù)，制定計劃，根據(jù)教學(xué)計劃播放施工視頻和展示節(jié)點圖片，引導(dǎo)學(xué)生熟悉現(xiàn)場環(huán)境。實習(xí)開始前，教師根據(jù)該模塊需要掌握的知識點，通過屏幕共享方式，指導(dǎo)學(xué)生查閱建筑地基基礎(chǔ)工程施工規(guī)范、砌體結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范等相關(guān)的術(shù)語及施工方法，提出需要注意的細(xì)節(jié)問題，再同步進(jìn)行虛擬仿真操作演示（見圖3）。此模塊在虛擬仿真實習(xí)實訓(xùn)系統(tǒng)中，需選取材料工具箱中16 個工具，按照施工流程進(jìn)行模擬建造，主要操作步驟如下：①測量墊層控制點并彈出控制線；②支設(shè)墊層模板；③澆筑墊層混凝土并養(yǎng)護(hù)；④測量等高式磚大放腳的控制點并彈出控制線；⑤測量基底標(biāo)高；⑥按規(guī)范進(jìn)行砌磚；⑦圈梁鋼筋綁扎；⑧支設(shè)圈梁模板；⑨澆筑圈梁混凝土并養(yǎng)護(hù)；⑩拆模。

圖3 共享屏幕進(jìn)行操作演示

（2）遠(yuǎn)程協(xié)助虛擬仿真操作。學(xué)生按照線上實踐教學(xué)大綱安排，學(xué)習(xí)各個模塊的操作要領(lǐng)，然后再在虛擬仿真實驗平臺自行操作。在實踐操作過程中，如出現(xiàn)構(gòu)件設(shè)置、工具選擇、實驗順序、參數(shù)設(shè)置等問題，可利用TeamViewer連線申請教師遠(yuǎn)程協(xié)助，教師則可及時建立連接進(jìn)行遠(yuǎn)程協(xié)助指導(dǎo)（見圖4）。

圖4 TeamViewer建立連接

在“等高式磚基礎(chǔ)大放腳”虛擬仿真操作中，若個別學(xué)生對“墊層養(yǎng)護(hù)清掃”之后的操作流程不明白，可通過TeamViewer 邀請老師遠(yuǎn)程協(xié)助操控PC 端，分步進(jìn)行講解指導(dǎo)。如：第1 步，選取“鋼卷尺”工具，在軸線相交處的兩側(cè)分別量取同等長度，確定控制點；第2步，選取“墨斗”彈出控制線；第3 步，選取“水準(zhǔn)儀”對基底墊層標(biāo)高進(jìn)行測量，此過程需要用M7.5 的水泥砂漿找平（見圖5）。進(jìn)入“砌筑”階段，需選取“皮數(shù)桿”進(jìn)行輔助，此時教師可展示圖片和視頻，為學(xué)生詳細(xì)演示皮數(shù)桿使用方法、使用位置、具體功能；再切回虛擬操作模式，繼續(xù)指導(dǎo)學(xué)生選取“皮數(shù)桿”進(jìn)行操作，使其直觀感受皮數(shù)桿在施工中的作用（見圖6），從而實現(xiàn)全方位、多角度的知識串聯(lián)講解。

圖5 遠(yuǎn)程協(xié)助學(xué)生操作

圖6 直觀感受皮數(shù)桿在施工中的作用

為考查學(xué)生對施工流程的掌握程度，在虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)中，將“材料工具箱”欄內(nèi)的“工具”圖標(biāo)設(shè)置為隨機(jī)排列，對施工流程不清楚的學(xué)生容易產(chǎn)生迷惑，不知如何選取工具，以致操作無法順利進(jìn)行。此時指導(dǎo)教師可建立遠(yuǎn)程專題課堂，邀請學(xué)生進(jìn)入直播間，并在共享桌面中，打開TeamViewer 連接一個學(xué)生PC 端作為實例講解，多人共同實時學(xué)習(xí)、培訓(xùn)，解決共性問題（見圖7），還可邀請多位學(xué)生同時在教師的電腦上進(jìn)行操作，直至熟練掌握。

圖7 遠(yuǎn)程協(xié)助操作共享桌面

（3）遠(yuǎn)程觀察學(xué)生測試過程。為檢驗學(xué)生虛擬仿真實習(xí)效果，按照線上實踐教學(xué)計劃安排，進(jìn)行實操和理論測試（見圖8）。學(xué)生在規(guī)定時間進(jìn)入測試直播間，指導(dǎo)教師發(fā)布理論和實操測試題。測試時，教師可全程觀察學(xué)生操作過程，通過虛擬仿真后臺查閱學(xué)生線上操作成績，根據(jù)線上實踐考核方案：實操測試30% +過程考核30% + 實驗報告20% + 理論測試20%，確定線上虛擬仿真的實習(xí)成績。

圖8 遠(yuǎn)程觀察學(xué)生虛擬實操和理論測試過程

（4）遠(yuǎn)程錯誤校正。根據(jù)學(xué)生在測試過程和提交實驗報告中存在的問題，教師進(jìn)行線上遠(yuǎn)程案例解析和總結(jié)，對于出現(xiàn)錯誤頻率較高的操作步驟和實驗要領(lǐng)進(jìn)行講解，并要求實踐成績不合格的學(xué)生，再次利用虛擬仿真平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)、測試、提交實驗報告。

4 遠(yuǎn)程協(xié)助虛擬仿真實踐教學(xué)實施效果

（1）基于PDCA理念的遠(yuǎn)程實時協(xié)助虛擬仿真實踐教學(xué)模式，已在力學(xué)與工程結(jié)構(gòu)省級虛擬仿真實驗中心應(yīng)用3 個學(xué)期，受益學(xué)生1 000 余名。此模式的實施，為實踐教學(xué)提供了便捷化的交互窗口，促進(jìn)了教育各環(huán)節(jié)的及時溝通，為虛擬仿真實踐教學(xué)不斷增添活力。在教師層面，有利于掌握學(xué)生實驗和實習(xí)過程情況，增進(jìn)與學(xué)生交流，同時提高學(xué)科交叉融合；在學(xué)生層面，問題得到了及時解答，參與感和積極性得到較大提升，成績評定全面性激發(fā)了學(xué)生實踐課程的學(xué)習(xí)興趣。

（2）遠(yuǎn)程協(xié)助有利學(xué)生實際動手和協(xié)作能力的提升。在土木類專業(yè)各類學(xué)科競賽中，在校學(xué)生已參加模擬訓(xùn)練900 人次，獲得了多項獎勵和廣泛好評。2018 ～2019 年兩年間，在中國建設(shè)教育協(xié)會組織的“全國建設(shè)類院校施工應(yīng)用技能大賽”中，我校學(xué)生共獲得團(tuán)隊和個人一等獎9 項。

5 結(jié) 語

基于對土木類專業(yè)虛擬仿真實踐教學(xué)的應(yīng)用探索，創(chuàng)新性地將遠(yuǎn)程協(xié)助與虛擬仿真相結(jié)合，并應(yīng)用PDCA質(zhì)量管理理念，在教學(xué)方案、資源、平臺等層面為學(xué)生構(gòu)建了開放性、交互的實踐學(xué)習(xí)空間和持續(xù)優(yōu)化提升的改進(jìn)模式。該教學(xué)模式，不僅豐富了實踐教學(xué)模式、完善了實踐過程考核和成績評定規(guī)則，也減少了師生之間的線上溝通障礙、增加了溝通動力。有利于提高學(xué)生工程應(yīng)用和實踐能力，實現(xiàn)了人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升，適應(yīng)社會對于土木類技術(shù)人才的需要。尤其當(dāng)下疫情期間，遠(yuǎn)程協(xié)助虛擬仿真實踐教學(xué)模式更適合實踐教學(xué)的高效開展。