VR/AR技術(shù)在土木工程教學(xué)實踐中的應(yīng)用★

蔣亞龍

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

隨著新一輪科技產(chǎn)業(yè)革命的加速推進，土木工程對于提升國家經(jīng)濟和改善居民生活起到推動作用，土木工程專業(yè)的技術(shù)型、創(chuàng)新型、綜合型人才需求日益增大[1]。“雙一流”建設(shè)在我國高校正發(fā)展得如火如荼，傳統(tǒng)培養(yǎng)模式已無法完全適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展趨勢，因此急需對土木工程專業(yè)教學(xué)實踐方法平臺進行改革創(chuàng)新。虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實技術(shù)(VR/AR)作為一項融合計算機圖形學(xué)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機接口技術(shù)等為一體的新興技術(shù)[2-3]，在教學(xué)實踐、實習(xí)實訓(xùn)、工程設(shè)計、運營管理等方面具有諸多優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Α榱四軌蚋玫剡m應(yīng)高校教學(xué)實踐的發(fā)展創(chuàng)新，本文對虛擬/增強現(xiàn)實(VR/AR)技術(shù)在土木工程教學(xué)實踐中的應(yīng)用進行探索。基于VR/AR技術(shù)在高等學(xué)校教學(xué)和實踐中的發(fā)展現(xiàn)狀，分析當(dāng)前土木工程傳統(tǒng)教學(xué)實踐方法中存在的問題，接著對VR/AR技術(shù)在土木工程教學(xué)實踐中的應(yīng)用創(chuàng)新可達到的效果進行探討，為土木工程教學(xué)實踐的發(fā)展和創(chuàng)新提供新的思路與方法，最終達到提升學(xué)習(xí)者的認知、經(jīng)驗和專業(yè)能力的效果，目前，虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實(VR/AR)技術(shù)在發(fā)達國家已獲得較為廣泛的運用。

1 VR/AR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(英文名稱：Virtual Reality，縮寫為VR)和增強現(xiàn)實技術(shù)(英文名稱：Augmented Reality，縮寫為AR)的起源可以追溯到20世紀60年代，其中VR技術(shù)是指利用計算機模擬出三維空間的虛擬世界，從感官上的模擬將體驗者帶入一個十分逼真的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，在VR技術(shù)的影響下，可以使得學(xué)生在學(xué)習(xí)中開闊自己的眼界，推進“沉浸式”教育的建設(shè)；AR技術(shù)則是一種將虛擬信息與現(xiàn)實世界相結(jié)合的技術(shù)，以動態(tài)的方式實現(xiàn)三維事物的呈現(xiàn)，其廣泛用于智能交互、多媒體以及三維建模等領(lǐng)域，將計算機中生成的虛擬信息應(yīng)用于真實世界中，從而達到對現(xiàn)實世界增強的效果。VR/AR技術(shù)在國內(nèi)的起步晚，兩者雖然在技術(shù)途徑上有所不同，但兩者本質(zhì)是相通的，主要核心要義在于“真實世界與虛擬信息的集成”“三維尺度空間”和“人機交互”三者相互結(jié)合，且三者缺一不可[4]。

VR/AR技術(shù)作為新興的媒介手段，在國內(nèi)教學(xué)實踐應(yīng)用中基本處在較為初始的階段，應(yīng)用覆蓋面小，其中裴育苗等[5]將虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)引入醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域中，建立醫(yī)學(xué)教學(xué)所需的儀器和設(shè)備的三維醫(yī)療模型，創(chuàng)建一套具有自然交互的虛擬場景，由此學(xué)生可以在虛擬場景中進行學(xué)習(xí)和操作，這樣不僅可以對人體器官和組織結(jié)構(gòu)進行全面的觀察，且可以提升臨床實操表現(xiàn)；范麗亞等[6]結(jié)合實際工程，分析了基于HoloLens的人體解剖學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的功能需求、軟硬件的選型、關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)和具體實施效果；王淑佳等[7]借助增強現(xiàn)實技術(shù)(AR)手段，通過介紹3款融合AR技術(shù)的應(yīng)用程序，將AR技術(shù)與中學(xué)生物學(xué)教學(xué)工作進行深度融合。由此可見，國內(nèi)VR/AR技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用實踐中主要集中在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，其能夠提供諸多便利，但由于起步較晚，VR/AR技術(shù)普及度和應(yīng)用面有限。

2 土木工程教學(xué)實踐中存在的問題

未來新興產(chǎn)業(yè)需要的是實踐能力強、創(chuàng)新力充沛并具備國際競爭力的“復(fù)合型”人才，因此整個土木工程行業(yè)需要不斷地注入新鮮技術(shù)。作為培養(yǎng)土木工程類人才的各類院校，尤其是對于土木工程專業(yè)的強校更應(yīng)勇于承擔(dān)起專業(yè)建設(shè)大任，適應(yīng)新形勢、順應(yīng)新時代、不斷革新并積極探索新的教學(xué)手段[8-12]。目前土木工程教學(xué)中主要存在以下不足。

2.1 傳統(tǒng)教學(xué)模式呆板、過程枯燥，交互性不強

土木工程學(xué)科在教學(xué)實踐中需要數(shù)學(xué)、力學(xué)和專業(yè)基礎(chǔ)課等課程的支撐，但當(dāng)前國內(nèi)大部分高校在教授課程時主要依靠板書或者單一的播放PPT，版面書寫授課形式雖能讓學(xué)生清楚地看到知識點，但也會帶來一個問題，即授課過程中過于枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)效率大幅度降低，注意力不易集中在課堂上；而播放PPT的授課形式會造成學(xué)生跟不上老師的上課進度，老師授課時不可能逐字逐句講述，有時介紹沒一會就翻頁至后面的內(nèi)容，直接導(dǎo)致學(xué)生錯過許多知識點，進而致使學(xué)生在思想上開小差。

2.2 實驗教學(xué)成效受限于教學(xué)資源以及教學(xué)條件

在土木工程本科教育教學(xué)工作中，實驗教學(xué)是一個讓學(xué)生深入理解理論原理的重要手段，但實驗教學(xué)很大程度上依賴于教學(xué)資源與教學(xué)條件的質(zhì)量，在教學(xué)資源層面，一方面目前大部分學(xué)校中實驗教學(xué)課時安排嚴重不足，學(xué)生難以將知識點全部吃透，另一方面當(dāng)前各大高校普遍存在實驗設(shè)備陳舊、實驗儀器落后的情況；而在教學(xué)條件層面，主要是由師資隊伍水平反映，師資隊伍建設(shè)是高校學(xué)科建設(shè)的重要內(nèi)容，在高校弱勢學(xué)科中師資水平弱的問題尤為突出。

2.3 工程實踐以參觀為主、難以深入學(xué)習(xí)

工程實踐雖可以使得學(xué)生從實習(xí)中得到更加全面豐富的實際生產(chǎn)的知識，但由于工程實踐多以參觀的形式呈現(xiàn)，該現(xiàn)象一方面會造成學(xué)生在整個實踐過程中以游玩為目的，在專業(yè)實踐上缺乏主動性，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、探索創(chuàng)新和解決問題的能力上面并沒有得到提升；另一方面作為土木工程專業(yè)的工程實踐場地以施工現(xiàn)場為主，受客觀因素影響，有些較為危險的區(qū)域?qū)W生們無法進入現(xiàn)場進行學(xué)習(xí)，學(xué)生對該部分內(nèi)容的理解只能停留在課本或者視頻層面。

2.4 考核方式單一，考試多以傳統(tǒng)理論筆試形式為主

授課老師在評定課程最終成績時將考試成績在最終成績的占比定為7成以上，進而導(dǎo)致實踐部分占總成績的比例偏低，任課老師在課程考察時并未體現(xiàn)實踐的重要性，重理論輕實踐的理念深入學(xué)生心中，這將導(dǎo)致學(xué)生對實踐部分不重視，把自己的學(xué)習(xí)重心放在筆試上。

3 VR/AR技術(shù)在土木工程教學(xué)實踐中應(yīng)用的探索與展望

現(xiàn)階段傳統(tǒng)土木工程教學(xué)實踐的教學(xué)手段不足以滿足當(dāng)前亟需培養(yǎng)高層次人才的需求。為了更好地激發(fā)學(xué)生對土木工程學(xué)科的興趣，更好地培養(yǎng)學(xué)習(xí)者主動思考、實踐操練和創(chuàng)新制造的能力，因此對現(xiàn)有的教學(xué)實踐模式進行改革是十分有必要的。以提升學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量，開放性實踐教學(xué)理念旨在將先進的技術(shù)融入到傳統(tǒng)教學(xué)實踐工作中，VR/AR技術(shù)作為21世紀的主流技術(shù)之一，給體驗者帶來的視覺體驗是當(dāng)前傳統(tǒng)媒介無法做到的，可以肯定的是將VR/AR技術(shù)融入到土木工程教學(xué)實踐中勢必會帶來前所未有的體驗，VR/AR學(xué)習(xí)環(huán)境帶給我們的不僅僅是一個工作平臺，很大概率上它將會孕育一種新式的教學(xué)模式或者說是教學(xué)手段。

3.1 基于VR/AR技術(shù)的4D教學(xué)模式應(yīng)用

“4D”指的是Designation，Discussion，Difference和Development組成，“4D”講學(xué)模式是依據(jù)金字塔學(xué)習(xí)理論和前蘇聯(lián)教育心理學(xué)家維果茨基提出的“最近發(fā)展區(qū)”(Development)理論，是通過研究教師和學(xué)生課堂活動內(nèi)容和目的，根據(jù)高中實際，充分結(jié)合目標教學(xué)法以及問題教學(xué)法優(yōu)點形成的。“4D”教學(xué)模式以學(xué)生為主體，強調(diào)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，將老師上課的講堂變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)的學(xué)堂。通過老師有力引導(dǎo)，充分調(diào)動學(xué)生積極性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，達到高效課堂的目的。將VR/AR技術(shù)廣泛應(yīng)用于課程教學(xué)工作中，該技術(shù)可將虛擬對象與現(xiàn)實環(huán)境有機結(jié)合在一起，因其具有的較強交互性特點，可以為學(xué)生提供一個能實現(xiàn)人機交互的虛擬世界，這無疑在滿足學(xué)生的好奇心的同時，以一種新穎的方式為學(xué)生傳授知識，從而可以大幅度提升授課老師的課程質(zhì)量，并能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，恰恰符合“4D”教學(xué)模式的理念，可見VR/AR技術(shù)在其中能得到良好的應(yīng)用。

3.2 基于VR/AR技術(shù)的實驗教學(xué)中的應(yīng)用

以華東交通大學(xué)《土力學(xué)》實驗課程為例，土力學(xué)顧名思義是一門研究土體的學(xué)科，主要是研究土體的應(yīng)力應(yīng)變、強度、滲流以及長期穩(wěn)定性。常見的土工包括：1)土的含水率實驗；2)土的密度實驗；3)土的液塑限實驗；4)土的固結(jié)實驗；5)土的直剪試驗；6)土的三軸剪切實驗。

在實際土力學(xué)實驗教學(xué)中常碰到以下問題：

1)實驗課時安排有限，目前國內(nèi)高校中土力學(xué)實驗課時多集中在5個～8個課時，且存在學(xué)生多設(shè)備少的現(xiàn)象，因此，學(xué)生實際上可操作的時間偏少，對于簡單的實驗，學(xué)生尚可在有限的時間完成，但對于一些耗時較長的實驗，學(xué)生實際上往往做的效果差，甚至無法順利開展一些基礎(chǔ)實驗。

2)授課方式比較單一，多媒體教學(xué)學(xué)生參與率低，且理論課與實驗課脫離現(xiàn)象嚴重。現(xiàn)階段，大多數(shù)高校施行理論課程與實驗課程分開教學(xué)，這將會直接導(dǎo)致課程銜接不當(dāng)，分開教學(xué)一方面會導(dǎo)致實驗課程滯后于理論課程，學(xué)生在上實驗課程時難以銜接上既學(xué)的理論知識，一定程度上影響到學(xué)生將理論運用到實踐中的能力；另一方面，一般實驗課程均會設(shè)置專門的實驗室老師，不同的授課老師一般授課風(fēng)格與教學(xué)思路也不同，這往往影響到課程質(zhì)量。

3)實驗課程安排模式化。由于教學(xué)課時安排在教學(xué)初期均已既定，學(xué)生基本上是依據(jù)實驗課程教學(xué)安排而進行具體某個實驗，這會導(dǎo)致學(xué)生難以將相關(guān)實驗進行整合與對比分析，例如我們常說的直剪試驗，其包括直接剪切實驗與三軸剪切實驗，在特定的課時中，學(xué)生總是做著課時安排里相對應(yīng)的實驗，實際上如果能夠同時進行直接剪切實驗和三軸剪切，這樣可以使得學(xué)生加深理解兩種剪切實驗的異同點。又如直接剪切實驗又可細分為快剪、慢剪和固結(jié)快剪實驗三種方式，若能同時進行三種試驗操作將有利于學(xué)生區(qū)分三者的區(qū)別，這無疑可以加深學(xué)生對理論知識的理解，在一定程度上可以規(guī)避學(xué)生出現(xiàn)知識混淆的現(xiàn)象。

由于實驗設(shè)備、課時安排以及實驗室人員配置等因素的制約，想要解決上述問題十分困難，因此虛擬實驗室的存在一定程度上可以解決上述問題。虛擬實驗室的實現(xiàn)可利用VR/AR技術(shù)，學(xué)生可以像是在現(xiàn)實實驗室那樣親身動手做實驗，不被客觀因素制約，學(xué)校利用該虛擬實驗室對參與試驗的學(xué)生進行線上實操培訓(xùn)，可向?qū)W生提供更為直觀的、交互性強的實驗教學(xué)平臺，進而能較好地提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，提升教學(xué)質(zhì)量。

3.3 “現(xiàn)場學(xué)習(xí)+VR/AR技術(shù)”工程實踐多元化模式的應(yīng)用

以華東交通大學(xué)的施工實習(xí)為例，施工實習(xí)在土木工程專業(yè)教學(xué)計劃中是一項必不可少的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它是所學(xué)理論知識與實際工程實踐的統(tǒng)一，學(xué)校會為土木工程專業(yè)學(xué)生安排為期一至兩天的隧道施工實習(xí)，目的是使得學(xué)生在認知上初步了解隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其主要施工過程，現(xiàn)場實踐恰恰是工程教育中重要組成部分。以盾構(gòu)法隧道施工為例，盾構(gòu)法隧道施工的種類主要包括泥水盾構(gòu)和土壓盾構(gòu)兩種形式，施工工序主要內(nèi)容如下：

1)始發(fā)豎井。始發(fā)豎井的目的在于為盾構(gòu)機提供場地用以設(shè)備的組裝與安置。

2)盾構(gòu)機的拼裝。指的是先在拼裝室底端鋪設(shè)一定厚度混凝土材質(zhì)的墊層，并在墊層內(nèi)部埋設(shè)鋼軌。

3)盾構(gòu)機的始發(fā)。其目的是使得盾構(gòu)機從始發(fā)口進入地層中，開始一系列掘進工作。

4)管片拼裝。在盾構(gòu)掘進后迅速將管片拼裝成環(huán)，大部分情況需要采取錯縫拼裝。

5)盾尾同步注漿并及時進行二次注漿。盾構(gòu)在推進過程中，需要在拼裝襯砌管片的同時對襯砌管片與圍巖之間的盾尾間隙進行注漿，若注漿效果不佳時需要進行二次補注漿。

6)盾構(gòu)掘進出土。泥水盾構(gòu)的出土方式是將開挖土料與泥漿混合，由泥漿泵輸送到洞外并進行分離，而土壓盾構(gòu)的出土方式則是由螺旋輸料器旋轉(zhuǎn)將土料運出。

由于上述施工場地存在一定的危險性，大多數(shù)施工工藝學(xué)生們無法親臨現(xiàn)場學(xué)習(xí)，僅可通過理論知識或者微視頻的方式從側(cè)面進行學(xué)習(xí)，無疑VR/AR技術(shù)的出現(xiàn)對工程實踐來說是一個福音，借助VR/AR技術(shù)，可以讓學(xué)生對盾構(gòu)掌子面掘進、螺旋機出土、管片拼裝、盾尾同步注漿等細節(jié)過程進行可視化學(xué)習(xí)，進而可以全面地了解盾構(gòu)掘進過程。

4 結(jié)語

土木工程是一門十分重視實踐性與操作性的學(xué)科，虛擬教育(結(jié)合VR/AR技術(shù))同人工智能和大數(shù)據(jù)一樣被譽為影響未來科技創(chuàng)新的三大領(lǐng)域，因此VR/AR技術(shù)的應(yīng)用無疑為我國傳統(tǒng)土木工程教學(xué)實踐手段提供了良好契機。利用VR/AR技術(shù)開展土木工程專業(yè)教學(xué)實踐工作，可以將傳統(tǒng)教學(xué)實踐中難以親身操作的教學(xué)內(nèi)容形象的展現(xiàn)出來，相信“VR/AR技術(shù)+教學(xué)實踐”會碰撞出不一樣的花火，讓虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實與教學(xué)實踐完美結(jié)合在一起，能夠更好地彌補傳統(tǒng)教學(xué)實踐手段中存在的諸多問題，為土木工程教學(xué)實踐的發(fā)展和創(chuàng)新提供新穎的思路與方法，從而推動土木工程教學(xué)實踐工作步入新時代。