基于虛擬仿真技術的土木工程施工實踐教學改革與探討

陳佳 鄧曦 田靜

摘?要：隨著現代信息技術的發展，虛擬仿真技術已是推動高校教育信息化的重要抓手。本文首先結合防災科技學院土木工程施工實習存在的問題，分析了虛擬仿真技術在土木工程施工實踐教學中應用的必要性;其次從教學管理、教學資源庫、師生交流學習、智能評價四個模塊構建了虛擬仿真實踐教學平臺;最后從明確教學任務;分組;熟悉施工工藝原理，操作工具、材料及程序;學生利用軟件模擬施工操作;針對存在問題進行小組討論并總結;撰寫報告及成績評定;教學反思七步分析了如何實施虛擬仿真教學。虛擬仿真教學以其高效、低成本、內容豐富、性能有效和安全等優勢應用于土木工程施工實習，較好地實現“教、學、做”一體化，有利于提高教學效果。

關鍵詞：土木工程施工;實踐教學;虛擬仿真技術

中圖分類號：G4?文獻標識碼：A?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.35.079

0?引言

教育部頒發《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》中提出以教育信息化帶動教育現代化，是我國教育事業發展的戰略選擇，大力推進信息機技術與教育融合，促進創新教育模式的改革。同時，習近平主席在致首屆國際教育信息化大會（2015年）的賀信中也提到“積極推動信息技術與教育融合創新發展”，“堅持不懈推進教育信息化，努力以信息化為手段擴大優質教育資源覆蓋面”。由此可見，將教學信息化作為主要手段，探索將信息技術與教學融合，既有良好的政策環境又符合時代對教育改革的要求。虛擬仿真教學是信息技術與教學有效融合的產物，是教育信息化建設的重要內容。虛擬仿真實踐教學將課程內容全面、生動地展示給學生，增強學生的融入感，提升其學習興趣及動手能力，已成為實踐教學改革的必然趨勢。文獻分析了虛擬仿真技術在施工技術教學中的應用，但未給出具體如何實施。許慧從工程管理專業教學信息化平臺建設出發，從施工技術和項目管理實踐兩個角度分析了虛擬仿真實踐教學的應用。胡振華主要對土木工程試驗中如何有效應用虛擬仿真技術做了分析。由此可見，雖然目前已有大量文獻研究虛擬仿真教學，但仍處于初級階段，對于虛擬仿真實踐平臺的內容及如何在教學中實施研究較少。

1?虛擬仿真技術在土木工程施工實踐教學中應用的必要性

新常態下，應用型本科院校教學質量的優劣更多體現在學生動手、實踐和創新能力，而這些能力是通過學校的各項實訓、實習中培養的，也是職業能力的基礎。實踐教學作為培養學生實踐能力、職業能力及創造思維等專業培養目標的重要教學手段，也是學生接觸工程實際、獲得工程師基本訓練的重要環節，能否達到預期實習效果對于學生掌握相關專業知識和技能具有重要影響。

土木工程施工實習是我校工程管理和土木工程專業必修的一門實踐課程，學生需要在工地完成三周的施工現場實習，包括熟悉圖紙內容、施工工藝、質量與安全管理等內容，即通過實踐實現知識向能力的轉化。但是，在實際的教學中存在以下問題：（1）由于現場安全隱患因素多，滿足實習條件的工地較少;（2）實習時間較短，且受到氣候、政策檢查等因素的制約，學生難以對不同類型、不同技術要求的項目施工全過程學習;（3）施工實習全部在現場完成，師生在現場的吃喝住等問題需要解決，實習成本較高;（4）施工現場工期緊張、任務繁重，校外指導教師很難全程指導，校內教師又缺乏工程實踐經驗且指導學生數量過多，實習效果不夠理想;（5）教學過程中往往通過日志、報告、答辯等形式綜合評定，缺乏過程考核。因此，對于如何解決上述問題，提高實踐教學效果已經成為我校教師需要解決的迫在眉睫的問題。

2018年《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》指出虛擬仿真實驗教學項目是推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措。虛擬仿技術能夠實現真實物體的相關信息進行還原，具有形象、生動、直觀、高效的特點。土木工程施工仿真實踐教學可以整合現有的土木工程施工前沿技術、各種結構類型、各種施工技術的素材庫，打破現有實踐教學模式，解決傳統教學中存在的各種問題。不僅擴充了專業課程信息量，也使得課程內容直觀全面、生動有趣，較好地提高了學生對課程的興趣并提升學生對知識的理解度，現已成為實踐教學補充的重要手段。

2?土木工程施工虛擬仿真實踐教學平臺的構建

土木工程施工虛擬仿真教學平臺以學生需求為出發點，以提高教學質量為目的，以培養學生職業能力為目標，以互聯網、虛擬仿真技術等信息化手段為支撐，構建一個適合我校土木工程施工類課程的虛擬仿真教學平臺。其包括教學管理、教學資源庫、師生交流學習、智能評價四大模塊，基本可以實現教學管理、虛擬教學與自主學習、師生交流、網上答疑、智能評價等功能。

（1）教學管理模塊：主要進行系統管理和教學管理，包括對注冊登記、權限設置、公告、課程設置、學習情況、教師和學生基本情況等管理。

（2）教學資源庫模塊：本模塊是該平臺的核心，需要建立一個資料豐富、方便查詢、便于操作的資源庫，以便于適應不同教學內容的要求。具體包括工藝視頻、施工動畫、課程視頻、文字資料等。

（3）師生交流學習模塊：能夠實現師生之間、學生之間實現實時交互與協作。可以不同的身份進入虛擬情境中，觀看和操作虛擬施工過程，獲得親身經歷的體驗，并可以相互討論和相互協作學習。

（4）智能評價模塊：通過此模塊教師可以對學生學習的具體實施加以評價，也可以實現學生之間相互評價，以便更好地為教學管理提供服務。

3?虛擬仿真技術在土木工程施工實踐教學中應用

為了使學生更好地掌握施工工藝及施工原理，并培養分析和解決工程實際問題的能力，在教學中采用虛實結合的方式，將工程實際與三維仿真系統建立統一對應關系。利用虛擬仿真技術在教學過程中的實施過程為：明確教學任務——分組——熟悉施工工藝原理，操作工具、材料及程序——學生利用軟件模擬施工操作——針對存在問題進行小組討論并總結——撰寫報告及成績評定——教學反思。

3.1?明確教學任務

在上課前，根據課程教學大綱和教學要求，教師采用任務驅動的方式開展教學工作，讓學生明確教學目標及任務。

3.2?分組

為了更好地培養學生溝通及團隊協作意識，本課程采用分組形式進行，一般以3人為一組，組內可以溝通交流，分享經驗，組間可以形成競爭，相互點評。

3.3?熟悉施工工藝原理，操作工具、材料及程序

此過程可由學生根據資源庫資料自行學習也可由教師講解并演示工藝原理、實操流程、材料及機具的選取等。主要是根據仿真平臺的內置資源進行工程實體虛擬環境學習，使學生有真正的操作感覺，有效提升學習興趣。在此階段，教師盡量不要強化教學重點、難點及操作注意事項，應由學生不斷去探索與發掘。

3.4?學生利用軟件模擬操作施工過程

在熟悉了基本原理及操作后，學生進入仿真環節，在沒有任何提示的前提下學生親自動手操作。在此過程中，學生可能會遇到一些問題，為了有效培養學生分析問題及解決問題的能力，先讓組內同學通過查閱規范、標準等自行解決，解決不了的再由教師及時給予輔導。

3.5?針對存在問題進行小組討論并總結

根據仿真過程中出現的理論或操作問題，每小組進行總結并發言。在此過程中，可以鍛煉學生的言語表達能力、分析問題的能力。而這些問題往往是工程中常發生的，因此，通過真實體會現場存在的問題加深印象，便于記住以便后期工作過程中出現類似問題。在此過程中，教師可以針對學生所存在的問題進行講授并加以強調，以幫助學生掌握相關內容。

3.6?撰寫報告并成績評定

經過小組討論后，學生可以反復練習直到熟練掌握相關知識點。課后學生撰寫實踐報告，教師根據過程學習情況、仿真操作情況、發言及回答問題情況、教學互動情況、報告撰寫情況進行綜合評定成績。

3.7?教學反思

課后教師應針對教學過程中存在的問題和教學效果進行總結和反思，并形成改進方案。為了有效推進虛擬仿真實踐教學改革，在教學運行一個周期后，教師應根據學生的反饋，及時調整實施方案，并對相關資源進行完善和補充，以保證其實施效果。

4?結論

虛擬仿真實踐教學在土木工程施工中的應用是實現教育信息化工作的基本手段，符合教育改革的需求。同時，虛擬仿真實踐教學也克服了傳統實踐教學中存在的各種問題，并以其高效、低成本、內容豐富、性能有效和安全等優勢應用于實踐教學過程中，讓學生感知和操作虛擬現實環境中的施工過程，較好地實現“教、學、做”一體化，幫助學生全面掌握所學知識。

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