交互式VR 虛擬仿真技術在鋼結構課程中的應用研究*

毛娜 楊智誠 程曄 吳全科 莊志勇

1 仲愷農業工程學院 廣州 510225 2 廣州德納智谷科技有限公司 511400

0 引言

虛擬現實（Virtual Reality, VR）技術是近年來快速發展的計算機技術，其主要實現方式是綜合利用三維圖形技術、多媒體技術、仿真技術、顯示技術、伺服技術等，通過計算機設備產生一個逼真的三維視覺、觸覺、嗅覺等多感官體驗的虛擬世界，使處于虛擬世界中的人產生身臨其境的感覺[1-3]。VR 技術最初應用在虛擬游戲場景，其逼真的觸、聽、視覺感受得到眾多用戶的追捧[4]。隨著VR 技術的不斷發展，各行業對VR 技術的需求日益旺盛[5-7]，其在高等教育中日漸發揮重要作用。2018年教育部發布《教育信息化2.0 行動計劃》（教技〔2018〕6 號）強調通過大數據采集與分析，將人工智能切實融入實際教學環境中，實現因材施教、個性化教學[8]。由此，廣大教師積極探索互聯網與信息技術在高等教育中應用。韓偉等[9]運用“VR+思政課”教學理念，以紅色革命文化為基礎，采用沉浸式VR 技術探索構建高校思政課革命文化沉浸式教學模式。謝博等[10]通過5G+VR 技術發展了軍士食品營養課程教學模式，探討了5G+VR 在食品營養課程中理論教學、實踐教學、學員差異化培養中的應用。沈宇鵬等[11]引進了VR 技術作為新型教學手段，為學生認識實習提供了新的方案，提高了學生在學習過程中的代入感和參與度。

鋼結構課程是土木工程專業的必修課程之一，其先行課程為理論力學、材料力學、結構力學等基礎理論課程。該課程理論基礎體系強，涉及大量的公式推演和計算，僅通過課堂板書和多媒體教學難以引導學生建立完整的理論體系，學生被動式地死記硬背計算公式，無法聯系實際，容易出現違背常理的設計結果[12]。此外，與鋼結構課程密切相關的教學內容還有認識實習和鋼結構課程設計。認識實習一般安排學生在大一第一學期親赴現場觀摩學習與土木工程專業相關的建筑結構或生產技術，其中鋼結構建筑為常見的建筑結構；鋼結構課程設計是鋼結構課程理論學習后的一項實踐環節，主要指導學生運用所學的鋼結構設計原理進行實際的鋼結構設計，常見的鋼結構設計有鋼屋架設計、門式剛架設計、起重機梁設計等。然而，近年來因新冠疫情和實習安全問題[13]，學生赴現場觀摩學習的機會大大減少，理論難以聯系實際。

由此，本文面向鋼結構課程教學，以輕鋼門式剛架結構設計為切入點，開發輕鋼門式剛架設計VR 虛擬仿真教學系統，并設計相應教學方案，帶領學生在虛擬現實場景中開展對鋼結構課程的學習，加深學生對鋼結構基本原理的理解，激發學生的學習興趣和潛力。同時，將現代化技術方法和理論教學加以結合，使用各種教學方式，將基本知識與理論生動地展現出來，不僅能促進學生更好地理解，也符合現代化教育的發展要求。

1 鋼結構課程的交互式VR 虛擬仿真教學設計

1.1 交互式VR 虛擬仿真教學系統設計理念

面向土木工程專業和智能建造專業人才培養的需求與教學規律，交互式VR 虛擬仿真教學系統遵循自由探索和理論指導實際的規律，從單純的教材理論教學框架中跳出，站在學生學習的角度，以一個新奇的方式吸引學生的注意力，引導學生進行鋼結構課程學習。對于鋼結構課程的教學，以武漢理工大學出版社出版的《鋼結構》（第5 版）教材為例，其內容編排分為上下篇，上篇為鋼結構原理，主要內容為緒論、鋼結構的材料、鋼結構的連接、軸心受力構件、受彎構件、拉彎和壓彎構件；下篇為建筑鋼結構設計，主要內容為單層廠房結構、鋼結構防災減災設計要點。從教材內容編排和教師教學的角度來看，上篇內容主要為理論學習，其中包含不同的結構設計概念和計算公式，要求學生熟練掌握不同計算公式的使用條件并進行結構設計計算；下篇內容則為實踐應用，要求學生運用上篇學習的理論知識進行單層廠房結構設計，而輕型門式剛架結構廠房為其中一種單層廠房。這是傳統的教學過程。然而，從學生學習的角度來看，學生在對鋼結構無初步認識的情況下直接學習理論知識，屬于填鴨式學習。學生學習鋼結構設計原理只能通過死記硬背的方式進行，往往到了理論學習尾聲的時候，學生已經忘記前面學習的內容，將導致鋼結構下篇內容教學效果不佳。

由此，針對上述問題，鋼結構課程的交互式VR 虛擬仿真教學設計從學生角度出發，首先通過VR 引導學生認識鋼結構，了解鋼結構構件可能的受力情況和常見的結構設計概念，讓學生在學習鋼結構之前做到“心中有數”，再通過課堂教學具體化不同結構構件設計及計算方法，最后再利用VR協助學生進行實際的鋼結構設計，將理論知識運用到實際結構設計當中。

1.2 交互式VR 虛擬仿真教學系統設計

鋼結構課程的交互式VR 虛擬仿真教學以輕鋼門式剛架結構設計教學為切入點，開發了輕鋼門式剛架設計VR 虛擬仿真教學系統，擁有教學管理模塊、場景漫游模塊和結構交互設計模塊，如圖1所示。

圖1 輕鋼門式剛架設計VR 虛擬仿真教學系統

教學管理模塊包含了學生信息管理、教學數據管理和成績管理等內容，并預留了數據接口供適時對接外部系統；場景漫游模塊包含了地面漫游、天面漫游和顯示蒙皮，該漫游場景按照1 ∶1 比例建立了真實的輕鋼門式剛架廠房，如圖2 所示，學生能夠通過VR 眼鏡在廠房中進行全方位漫游和觀察；結構交互設計模塊包含了建模、組裝和結構計算等內容，學生可按照結構設計參數在VR 場景中通過手勢動作創建一榀剛架各個部件并進行組裝，系統后臺程序將根據結構設計參數對一榀剛架進行結構驗算并實時反饋結構設計正確與否，學生再按照反饋信息對結構進行修正。

圖2 輕鋼門式剛架廠房

1.3 教學過程設計

遵循自由探索和理論指導實踐的規律，鋼結構課程的交互式VR 虛擬仿真教學分別設置了門式剛架廠房VR 場景漫游、基本原理教學和交互式結構設計三大環節。各環節包含以下內容。

1）門式剛架廠房VR 場景漫游。指導學生穿戴VR 眼鏡進入輕鋼門式剛架廠房漫游，如圖3 所示，通過預設場景說明，引導學生認識輕鋼門式剛架的結構體系及適用范圍，了解輕鋼門式剛架的構造要求、受力特征和設計標準等內容，使學生對輕鋼結構體系有初步的認知，明確下一步的學習方向。該環節可適用于學生認識實習環節。

圖3 學生VR 場景漫游

2）基本原理教學。這是鋼結構課程的傳統環節，對學生而言也是較為枯燥的環節，但通過上一環節的學習，激發學生的求知欲望，使學生有明確的學習目標和方向，能夠在本環節學習中釋放足夠的注意力鉆研學習。在本環節中，學生通過課堂多媒體學習鋼結構材料、鋼結構連接、軸心受力構件、受彎構件、拉彎和壓彎構件等理論知識。教師有針對性地講解相關計算公式在輕鋼門式剛架結構設計中的應用，逐步引導學生建立系統的鋼結構理論體系。對于理論學習中學生難以理解的內容，如螺栓的連接與設計（圖4），則重新引導學生進入VR 場景觀察結構螺栓連接的受力和破壞特征，教師從原理角度予以解釋說明，從而加強學生對理論的理解。

圖4 斜梁螺栓連接場景

3）交互式結構設計。本環節分為兩部分內容：①按小組分配設計任務，線下指導學生利用所學知識通過手算對一榀剛架進行結構設計，獲得初步設計參數；②引導學生進入可交互的VR 場景，根據設計參數對一榀剛架進行建模和組裝，如圖5 所示，并通過計算機預設結構計算程序反饋結構設計的正確性。此外，允許學生任意調整設計參數，觀察不同參數下結構的合理性。

2 鋼結構課程的交互式VR 虛擬仿真教學方法與特色

傳統的鋼結構課程按照教材教學從鋼結構材料、鋼構件受力計算、鋼結構設計依次開展，學生學習屬于被動式學習，所有知識點在學生眼中都屬于重點難點，導致學生學習效率低且學不能致用。有鑒于此，鋼結構課程的交互式VR 虛擬仿真教學堅持“應用導向、虛實結合”的原則，將枯燥乏味的基礎理論學習建立在應用需求中，引導學生有的放矢，在應用中學習，在學習中應用。采取教師引導、學生自由探索、交互式VR 輔助相結合的教學方法，充分調動學生的積極性和主動性。特別是，鋼結構課程的交互式VR 虛擬仿真教學以輕鋼門式剛架結構設計教學為切入點，包括了虛擬場景漫游和交互式結構設計內容，彌補了學生認識實習和課程設計環節中的不足，由此學生既見實物又識方法原理。

鋼結構課程的交互式VR 虛擬仿真教學方法包括以下具體內容。

1）完成鋼結構課程緒論講授后，引導學生進入VR 虛擬場景漫游，認識輕鋼門式剛架廠房及其結構體系和結構設計中所涉及的知識點。

2）將學生分為3 ～5 人的學習小組開展理論基礎學習，并從焊接連接、螺栓連接、受壓構件、受彎構件等方向給每位學生分配重點學習任務；教師通過課堂教學有側重點地引導學生將各自的學習任務與門式剛架廠房設計結合起來，做到有的放矢。

3）完成基本理論課程講授后，指導學生按小組線下完成一榀門式剛架結構設計獲得剛架設計參數，繼而通過交互式VR 虛擬空間進行結構建模和組裝，再由計算機后臺結構分析程序反饋結構設計正確與否，學生根據反饋結果修正結構設計參數。

4）鼓勵學生通過自由調整不同結構設計參數，借助計算機反饋設計結果，了解不同參數變化對結構設計的影響。

3 鋼結構課程的交互式VR 虛擬仿真教學實踐與推廣

輕鋼門式剛架設計VR 虛擬仿真教學系統自2021 年成功開發并應用，至今筆者所在學校已有200 余土木工程專業學生使用受益，學生普遍反應該教學系統非常有趣且學習愿望強烈。同時，學生的學習目標和方向清晰，在理論基礎學習階段學生積極主動向教師請教在學理論知識是如何在其關注的門式剛架結構設計中應用，有效激發了學生的學習積極性和主動性。

為進一步發揮本教學系統的優勢，需要不斷進行教學模式的創新和改革，并通過連續建設實現教學資源和教學經驗的長足發展。

在未來的發展中，本教學系統將不斷細化和豐富VR 場景漫游和結構設計功能，增加不同的鋼結構建筑物，豐富學生可使用的虛擬場景，進一步激發學生的學習興趣。隨著教學系統的發展和成熟，本教學系統將逐步向兄弟院校推廣，使更多土木工程專業學生受益，同時吸收不同教學單位在使用過程中發現的問題和給出的建議，進一步完善本教學系統。

4 結束語

鋼結構課程的交互式VR 虛擬仿真教學結合了當前先進的VR 和虛擬仿真技術，打破了傳統教學在空間上的約束，賦予了學生更加自由而真實的學習空間，是對傳統說教型和靜態型教學的重大革新。本教學方法堅持應用導向、自由探索，將虛擬仿真技術與教學相互融合，讓學生帶著明確的學習目標身臨其境地在虛擬空間中自由學習，極大提高了學生的學習興趣，獲得喜人的學習效果。

此外，鋼結構課程的交互式VR 虛擬仿真教學系統還能夠滿足土木工程專業學生認識實習和鋼結構課程設計的使用。鋼結構課程的交互式VR 虛擬仿真教學從應用出發，引導學生寓學于用，實現產學融合，契合應用型本科人才培養的要求。