虚拟现实技术在《桥梁上部结构施工》教学中的应用研究

蒋梦雅，白洋，王彬彬

（1.江苏建筑职业技术学院，江苏徐州 221000；2.徐州市城市轨道交通有限责任公司，江苏徐州 221000）

目前高职教育正处于蓬勃发展中。为了提高高职教育的教学水平，把学生培养成高素质技能人才，教育工作者通过多样化的教学方法与手段，不断进行改革创新。肖建平[1]把高职项目化课程的基本目标描述为“培养学生在复杂的工作情境中做出判断并采取行动的职业能力，开发学生的技术思维”；学生先进的知识储备在课程的教学项目中得到了实质性的应用与强化。

1 传统教学存在问题

目前教学方法多样化，在某种程度上提升了教学效果。然而仍然存在以下问题：课内外实训设备费用高昂，校方难以及时更新；课程讲授局限性较大，教学方式较为枯燥，无法从根本上引起学生注意力，激发学生学习兴趣[2]。

故仅仅采用传统教学方法与手段是不够的。对于某些实践性较强的课程，在其教学过程中，注重学生对施工工艺与施工环境的理解，需要提供一种和现场类似的施工情境，便于学生学习与实训。

2 虚拟现实技术的发展现状

虚拟现实技术是一种先进的信息化教学手段。随着科技发展，该技术正不断融入课程的教学中。它是以计算机技术为核心框架，通过可视化交互系统处理各种数据，构建出一个虚拟的空间供学习者进行体验各种情境的一种技术，在虚拟的环境中学生可以进行愉悦的自主学习[3]。

虚拟现实技术获取的信息量比单一地听老师讲课强得多，知识的保持也大大优于传统教学效果[4]；该技术可提供更逼真的“沉浸式”虚拟学习环境与虚拟的技能实训操作，有利于学生增强学习兴趣，激发学习动机，提高教学质量[5]。

3 《桥梁上部结构施工》教学分析

《桥梁上部结构施工》是道路桥梁工程技术专业的核心课程。该专业所培养的学生以道路、桥梁工程施工企业一线施工员为主要就业岗位，桥梁施工工艺复杂，工序多，施工精度要求高。

在“T梁架设与体系转换”这个教学单元中，学习难度较大。学生从未接触过公路或铁路桥梁架桥机，仅通过观看图片等传统方法难以理解和掌握抽象的施工工艺。

T梁桥架设无法在课堂实施，利用校企合作开发的“桥梁施工虚拟仿真实训平台”和“架桥机VR模拟系统”对架桥过程进行模拟，学生在模拟架桥过程中掌握课程重难点，磨炼学生自身技能。

4 虚拟现实技术在《桥梁上部结构施工》教学实践

4.1 教学策略

基于T梁架设施工特点，对接桥梁施工员岗位要求，利用课程教学平台、微课、施工视频辅助学生课前预习，依托虚拟仿真实训平台、VR模拟操作系统，采用混合式教学，通过任务驱动，将真实、具体的施工过程向教学环节的情景化、模块化转变，从而突出教学重点，突破教学难点。

4.2 应用虚拟现实技术的教学资源

4.2.1 桥梁结构施工虚拟仿真实训平台

该平台由学校与桥梁施工一线企业联合开发，可用于模拟实施梁体架设等关键过程。其平台软件如图1所示，提供模拟架桥机施工虚拟仿真过程，并支持局部放大功能。同时可通过平台推演架桥施工全过程，实现对架桥机结构的认知，强化对简支梁桥架设工艺的理解和掌握程度。

图1 桥梁结构施工虚拟仿真平台

4.2.2 架桥机VR模拟系统

VR模拟操控台如图2所示，以VR虚拟视角并模拟真实施工环境，利用虚实结合技术让学生通过模拟架桥机操作，完成梁体的架设，生动直观，可发现架桥实施中的问题，并提高学生的学习兴趣。

图2 VR模拟操控台

4.3 教学实施

分为五个环节，依次是“认识结构、展示工艺，编制方案，模拟实施、评价优劣”。

4.3.1 认识结构

课上利用架桥机VR遨游系统对架桥机进行遨游，该系统可以全角度地对架桥机进行查看，并可对架桥机重要结构进行细部观察来进一步加强认识；通过小组汇报和VR遨游来解决教学重点。

4.3.2 展示工艺

在掌握架桥机结构组成后，教师通过三维动画讲解架桥机的整个施工工艺流程，随后，学生利用校企合作共同开发的“桥梁施工虚拟仿真实训平台”在移动端进行练习，从而进一步掌握架桥施工工艺。本环节利用三维模拟动画和“仿真实训平台”来解决教学重点。

4.3.3 编制方案

教师组织学生编制该真实工程的桥梁架设专项施工方案，小组根据教师的提示完成方案并汇报；教师录制整个汇报过程并将录像与小组编制的专项方案上传至在线开放课程平台，小组互评、企业教师他评。本环节通过组织学生编制真实项目施工方案，并进行自评、他评、互评来突破教学难点。

4.3.4 模拟实施

小组在完成架桥施工专项方案的基础上，利用架桥机VR模拟系统，虚实结合，将所编制的架桥机施工专项方案模拟实施；小组随机选派一位同学根据编制方案进行模拟架桥，老师与其余同学通过监控屏实时监控架桥过程。该环节，将VR模拟虚实结合技术最大限度地还原架桥全过程，将施工方案模拟实施从而突破教学难点。

4.3.5 评价优劣

通过在线开放课程平台记录学生阶段性、过程性成果，并依据学生课前预习情况，分组汇报，教师评价，小组互评、操作实施等环节的成绩，赋予权值，加权得到本次课程单元学生最终成绩。

4.4 教学效果评价与总结

（1）每个教学环节都融入了虚拟现实技术。同时结合其他信息化手段，将抽象的架桥施工过程形象化，生动化，学生通过完成课前、课中、课后任务，学做合一，潜移默化地将知识升华为自身技能。

（2）通过虚实结合技术，校企合作研发“桥梁结构施工虚拟仿真实训平台”和架桥机VR模拟系统，学生通过VR模拟系统可以推演、模拟桥梁架桥施工方案，强调 “编制方案—模拟实施—发现问题—调整方案—成功实施”这一完整学习路径，令学生深刻认识到施工过程的严谨性；

（3）虽然教学效果有了较大的提高，但是也存在投入经费较大、学生自主学习空间过大，课堂管理难度加大、对专业教师的要求更高等问题。后续的教学实施过程的，应当注重以上问题，不断进行优化。

5 结语

高职院校教学中应用虚拟现实技术虽然处于起步阶段，但是优势凸显，提供了“沉浸式”虚拟学习环境、虚拟的技能操作，较大的激发了学生学习兴趣。同时，虚拟现实技术的特点也决定了其存在一定改进的空间，因此需要将传统教学方式与之相结合，协同发展，不断完善教学方式与手段，使得虚拟现实技术有机地融入信息化教学中去。