新工科下虛擬仿真技術在工程造價課程的應用

陳 潔

(大連理工大學城市學院，遼寧 大連 116600)

1 新工科的內涵

新工科被認為是我國工程教育的新革命，其內涵較為豐富，教育部高等教育司《關于開展新工科研究與實踐的通知》中指出，新工科研究和實踐圍繞工程教育改革的工程教育新理念、學科專業新結構、人才培養新模式、教育教學新質量、分類發展新體系開展?？梢詫⑿鹿た浦械摹靶隆崩斫鉃樵趥鹘y工科的基礎上融入新的理念，培育新的專業，調整新的結構，發展新的模式，利用新的技術以及建立新的體系，從而形成“工科+”的新形態。

在“工科+”和“新經濟”背景形式下，建筑類企業的核心競爭力越來越體現在“智能建造”“BIM技術”“CIM技術”上，以BIM技術和虛擬仿真技術等技術手段為載體，在傳統技術上加載物聯網、云計算、大數據等新興科技技術進行創新應用。所以社會對人才的能力需求和工程教育標準都提出了新的要求，對于高校來說，積極探索具有核心競爭力人才的培養創新和教學改革刻不容緩。

2 工科與新技術的融合——以工程造價專業課程為例

工程造價專業的課程體系分為公共基礎課程、專業基礎課程、專業方向課程、專業選修課程以及集中實踐環節。由于實習經費和實習安全等因素，去建筑現場實踐的課時受限，所占比重太輕，從而導致房屋建筑學、建筑工程施工技術、建筑工程計量與計價等專業課程的教學效果相對較差。在長期的教學過程當中，學生始終是被動填鴨式的學習，學生學習的主觀能動性和積極性低。同時，隨著BIM技術、虛擬仿真技術在建筑行業深度廣泛應用，在項目實踐過程中急需懂得新技術的復合型人才。

房屋建筑學作為基礎專業課程，內容包括建筑設計和建筑構造兩部分，體現了建筑從總體到細部，從平面到空間的全過程。但作為基礎性專業課，學生在學習該門課程之前只接觸了建筑材料和工程識圖等課程，缺乏實踐認知，對大部分建筑構件沒有具體的認識，空間想象力不足，很難直觀感受建筑空間結構，一旦理解不透，便會對課程失去興趣，從而降低教學效果[1]。

建筑工程施工技術是施工類核心專業課程，此類課程涉及大量的知識內容且具有極強的實踐性，內容較抽象，需要理論與實踐緊密配合。該課程的教學目標是通過課堂教學，使得學生具備工程施工基本能力和動手能力。但由于受實踐時間與實踐場地的影響，學生很難通過參觀幾次施工現場達到對施工技術理論知識的全部掌握和認知。因此在教學過程中如何幫助學生深入理解抽象的施工技術、組織施工實踐也成為教師們最為關心和重視的一大問題。

虛擬仿真技術是用一個虛擬的系統模仿另一個真實系統，綜合了計算機圖形學、通信、可視化、系統仿真等技術，使學生能夠直觀地感受建筑空間結構，彌補空間想象力不足的問題。虛擬仿真技術在教育、交通、動力、化工、制造、醫學、農業、工業、社會科學等各行各業都得到了廣泛的應用和發展。目前，已經有一些高校對虛擬仿真實驗教學平臺的建設與應用進行了有效探索，例如，南華大學2013年建立了仿真實驗平臺，為房屋建筑學、建筑施工技術、巖土工程、道路與橋梁工程、工程造價專業類課程提供仿真實驗[2]；同濟大學2014年年底獲批成立“國家級建筑規劃景觀虛擬仿真實驗教學中心”,依托自身的優勢實驗教學資源，按照已制定的實驗教學建設框架，建設了一批高校在線實驗教學的虛擬仿真實驗模塊[3]。

3 虛擬仿真技術在課程教學中的實際應用

3.1 基于3D虛擬仿真動畫的翻轉課堂教學

虛擬仿真技術在房屋建筑學課程中的應用主要體現在將施工過程虛擬模擬，將各個建筑構造節點形成3D動畫素材，讓學生通過在“真實”的環境中感受和認知房屋建筑各個組成部分，激發學生的學習主動性，提升師生雙方的成就感和獲得感[4]。

房屋建筑學課程內容綜合性強，要從總體到細部來分析整個建筑空間，例如，砌體墻章節中的填充墻、圈梁、構造柱、明溝和散水等構件，因其教具不方便制作和攜帶，部分構件屬于隱蔽工程，也無法在現實生活環境中觀察。教師在講授這些構件的構造原理時，學生認知較困難。所以，在教學過程中引入虛擬仿真技術，形成各個房屋構造節點的3D虛擬仿真視頻，教學知識點節點見表1，帶給學生更加生動形象的認知體驗，幫助學生感受建筑空間，為課堂增添樂趣，激發學生的學習興趣。例如，基礎這一章節的傳統教學以講授書本、輔加多媒體圖片、構件實物圖片或視頻展示的形式教學，學生記憶不深刻，理解不透徹，對幾種基礎的形式和適用條件認識不清。但是基于虛擬仿真技術的3D仿真動畫，可以將基礎的樣式、基礎的適用范圍、基礎的施工等內容形象的展示出來，加深了學生的認知體驗，讓學生很容易地明白構件彼此之間的關聯，比如柱、梁、板之間是怎樣連接的。對于沒有實踐認知和專業基礎剛入門的學生是非常有幫助的。

表1 基于虛擬仿真技術的教學知識點節點

教師課前將節點動畫作為線上教學任務布置給學生，學生課下以小組的形式進行觀看，并搜集與知識點相關資料，自主學習，形成小組匯報材料，在課堂上進行翻轉課堂演示。教師在課堂上不再占用太多課堂時間來講授，課堂變成教學互動的場所，進行知識擴展、答疑解惑、合作探究，將知識“吸收內化”，從而達到更好的教學效果。教師在整個教學過程中，只起輔助引導作用，學生才是主體。

3.2 基于虛擬仿真實訓平臺的線上線下混合教學

虛擬仿真技術在建筑施工技術課程中的應用主要體現在運用虛擬仿真實訓平臺，實現線上與線下混合教學模式，將理論與實踐相融合，從而提高學生的學習效果和學習興趣。

建筑施工技術主要講授內容包括施工技術的基礎理論、基本知識、基本施工方法，還有施工技術方面的新工藝、新材料和新方法。理論內容較抽象，課程實踐性強。往往在該門課程結束后，有1周～2周的現場實踐環節。但由于理論講解與實踐環節時間節點相分離，導致學生在現場實踐時已經淡化了理論知識，不利于知識目標的達成。所以，在教學環節中引入虛擬仿真技術，通過虛擬仿真實訓平臺來完成理論與實踐的相互結合。

虛擬仿真實訓平臺依據施工現場真實技術交底編寫過程，讓學生充分了解掌握整個施工過程準備工作和操作流程。教師利用線下課堂講授理論知識，每章節結束后，在虛擬仿真平臺上發布線上任務，例如土方工程任務、地基處理與樁基工程任務、砌筑工程任務等。學生在完成任務時，就像打游戲闖關一樣，需要一步步選擇流程、選擇工種、選擇機具和材料，就像自己身處建筑施工現場一樣，通過人機互動教學，激發了學生的學習興趣，鞏固了課堂學的理論知識，同時也將與本課程相關聯的知識做到了融會貫通，有利于學生知識目標、能力目標和綜合目標的達成。同時，教師也可以將線上的實踐環節作為多樣化考核方式之一，檢驗學生課堂的學習和掌握程度，利用后臺大數據進行分析，實現精細化考評。

4 結語

利用虛擬仿真技術不但可以解決課程教學中存在的問題，同時也可以為高校解決傳統實驗教學資源分配不足、實驗場地受限、實驗教學手段單一、實驗器材維護費時費力、實驗內容固定難以拓展等一系列問題[5]。在工程造價專業課程中引入虛擬仿真技術，實現了線上與線下混合教學以及更多教學方式的創新改革，解決了課程教學瓶頸，增加了課堂的趣味性，提高了教學質量，實現了課程教學目標。同時，本文以工程造價專業課程為例，將BIM技術和虛擬仿真技術等現代化信息技術為手段，形成了“工科+新技術”的新工科形態，有利于新工科背景下的課程結構體系以及人才培養模式的改革與創新。