VR技术在土木工程教学中的应用研究

王鹏 李志强 李彩红 赵利芬

(黄河科技学院 应用技术学院，河南 济源 459000)

VR(虚拟现实)一词最早是在20世纪80年代由美国人拉尼尔提出的，但是在更早以前已经有虚拟现实的雏形了。1956年Morton Heilig开发了一种多感知体验显示系统[1]，也是人类历史上第一款VR系统。从1970开始，北卡罗来纳大学花了15年时间，开发出世界上第一款交互式建筑漫游系统，并不断完善。一直到2010年，VR技术储备基本完成，谷歌、三星、HTC纷纷推出自己的VR产品，并逐渐形成规模产业。到2014年，随着虚拟现实技术的不断完善和硬件成本的降低，我国国内也涌现出一大批消费级的VR眼镜，只要嵌入手机就可以初步体验VR，这也使VR技术在各个领域的大规模应用成为可能。

在2017年举办的中美智慧教育大会上，将VR技术认定为需要重要发展的12项教育技术之一。这项技术在教育领域中的应用，标志着教育技术的跨越式发展。它创设了一个以学生为中心的自主学习情境，充分发挥VR技术互动、沉浸和想象的优越性，将替代传统“以教促学”的教学模式，形成学习者与信息环境相互作用获取知识的新模式，因此在教育领域有广阔的应用前景。新技术的产生带动了建筑行业的飞速发展，鉴于建筑结构设计和施工的复杂性和危险性，在教学过程中使用虚拟技术来模拟设计与施工过程显得尤为必要，可以使学生能够身临其境感受设计的合理性，亲身体验施工过程，理解构件的内部构造和做法。

1996年，天津大学率先开发出虚拟校园，这是VR技术在教育领域的初步应用。同济大学投入巨资建立了虚拟现实实验室，对建筑结构进行仿真实验，尝试相关先进技术和应用。2014年，里斯本大学将虚拟现实技术用于桥梁施工过程中，通过开发的交互式应用程序，将施工过程进行可视化处理，并创建教学模型，为教学提供了新视角[2]。国内的一些公司，如北京犀牛数字互动科技、光辉城市等公司也开发了许多VR软件，并与高校开展合作，推动了VR软件在教育领域的应用。VR和土建类课程的理论体系能够实现有效的结合，克服传统学习中的局限和不足之处，因此进行VR技术在土木工程课程中的应用研究具有非常大的现实意义。

1 VR在土木工程课程应用的思路

VR技术在土木工程教学上的应用，应该结合国家人才的需要和行业岗位的要求，根据应用型人才培养规律以及土木工程专业的培养方案，开发出成体系的VR教学资源、教学课程和虚拟仿真教学平台，配合现有的硬件设备，形成“优势互补、虚实一体”教学格局[3]。

根据土木工程专业课程设置，VR技术可以分为以下几个大类进行应用研究[4]：一是设计类课程，包括“工程制图”“平法识图”“房屋建筑学和混凝土结构设计”等课程，主要利用VR技术的沉浸性，让学生切身感受设计和布局的合理性。二是原理类课程，主要是针对“理论力学”“材料力学”“结构力学”“混凝土设计原理”等课程，将构件内部受力情况进行可视化处理。三是操作性课程，主要是针对土木工程施工、实验、实训类课程，虚拟出整个过程，让学生不去现场就能体验并完成操作。

2 VR技术在土木工程课程中的具体应用

2.1 设计类课程

(1)教学内容的可视化。如在讲授“房屋建筑学”时，学生沉浸到VR环境中，让学生看得到、听得见，可以实时欣赏建筑之美。这种虚拟情景的可视化教学无疑是对传统课件教学的冲击与挑战。教师可结合虚拟建筑讲授结构和构件相关知识，让学生切身体会到构件的细部做法和规范要求。

(2)虚拟建筑的设计。传统房建课程设计，学生们绘制的平面图、立面图、剖面图不够直观，真实感不强，而借助VR设备，可随时生成虚拟建筑，学生在设计过程中就可以亲自体验自己设计的建筑是否满足要求，感受空间布局是否合理，门窗设计是否符合人们日常需求。也可以将虚拟建筑和真实场景进行叠加，检验其在真实环境中的效果。

(3)设计方案的展示与评价。在设计成果的展示阶段，学生可以生成漫游视频，选取合适的角度生成效果图来展示设计方案；也可以借助VR设备，让学生借助手机扫描二维码观看三维立体效果和动画，甚至直接进入虚拟建筑中去体验建筑方案的设计与布局，更加直观地了解方案设计。

2.2 原理类课程

(1)教学试验虚拟再现。混凝土结构设计原理有些重要的试验要做，比如适筋梁受弯试验。展示试验时，学生离得远了看不清楚，离得近了又担心混凝土崩解伤到学生，可谓两难。使用VR技术，在虚拟环境中模拟试验，可以使学生清楚看到适筋梁破坏过程、裂缝发展过程和钢筋变形特点，学生既能收获大量知识，又不用担心安全问题。

(2)受力状态的可视化。理论课里面最难理解的就是构件的受力特性，许多学生学完课程之后能够死板地根据要求配筋，但是对于构件各处的受力到底是怎样的、为什么要这样配筋就不清楚了。结合VR和Anasys等有限元软件，实时展示构件在不同力的作用下各部分应力云图、应变发展过程，利用虚拟现实为学生提供交互式的可视化环境，让学生知其然，也知其所以然。

2.3 土木工程施工类课程

传统的土木工程施工教学是分阶段进行的，学生先学习基本理论知识，然后进行课程设计，最后让学生去工地实习。然而理论课单调乏味，课程设计学生只会机械地模仿，去工地实习往往因为种种原因被取消[5]。

此类课程可以结合VR技术，通过交互式操作，完成施工现场的沉浸式体验，进行施工进度、施工关键技术的模拟，以及施工现场和工程内部的漫游。比如睿格致公司开发的建筑工程岗位综合仿真演练系统，学生就像玩游戏一样，进行建筑八大员的角色扮演，不同的身份接受不同的任务，学生沉浸于系统内，可以完成基础与梁板柱的施工技术学习、图纸识读、构造认知，也可以模拟施工过程，完成相关建筑安全知识、测量、计量计价和监理的相关知识的学习。

2.4 实验、实训类课程

土木工程作为实践性极强的专业，免不了要进行各种实验和实训。由于课时不足，学生人数多，还要考虑学生的安全，许多企业也不愿意接受学生去工地实习，因而实验、实训课时总被压缩。加上实验环境较为恶劣、耗时耗力，学生做实验时积极性不高。结合VR技术，学生能在实验平台较为“真实”地完成实验和实训，实现从理论向工程实践中过渡，解决了难以长期全面系统展开实践教学的问题[6]。

可以参考绘图机房，配置VR硬件，成立专门的VR教室，学生在教室中完成实训和试验。以平法识图实训为例，学生可以根据任务书，先完成钢筋长度的计算，然后在VR教室里结合3Dmax软件实时建模，绑扎钢筋笼，可以在虚拟空间全方位地观察钢筋笼是否符合平法图集的构造要求。

3 VR教学资源开发

3.1 VR开发软件的培训

教师应具备一定的VR课程开发能力，需对教师进行相关VR开发软件的培训。目前主流的开发软件是Unity3D，其功能能与土木工程专业紧密结合起来，根据需要创建各类建筑结构与构件。Unity3D插件丰富，但是学习难度较大。除此之外，还可以使用Krpano。该软件能够快速入门、降低学习难度以及对VR硬件的依赖，但是功能相对较少。高校教师可以与企业积极对接协同育人项目，企业可以推广全新的VR产品，扩大影响力，教师也能完成相关培训，提高教学水平。

3.2 教学内容的改革

VR技术的推广，需要对本专业的教学内容进行全面改革。改革内容包括专业培养方案、教学大纲、理论与实践教学资源的改革、共享学习资源库等。由于VR技术的特点，需要从整体上修订人才培养方案和教学大纲，在教学过程中，需要结合VR技术设计全新的教学环节和教学内容，创建新的虚拟仿真系统和平台，打造专门的VR实训室。单纯依靠个别高校进行教学内容的改革难度较大，因此可以与专门的公司和高校合作，同时打造资源共享平台，共享VR教育素材。比如摩尔空间公司，有专门智能VR课件编辑器和课件商城，降低了VR课程的开发难度，并实现了教育资源共享。

4 结语

VR技术与土木工程专业的结合是现代化教学的需求，是计算机技术和专业教育深度融合的产物，取得了良好的教学效果。对学生而言，降低了学习难度，增强了学习趣味性，提高了创新实践能力，学生在VR相关比赛中明显能够收获更多的知识，VR虚拟教学可以帮助学生完成从理论到实践的良好过渡。对于教师而言，应该根据行业需求，积极与企业对接合作，接受新技术的培训与应用。企业也应积极对接学校，开发适合教学的虚拟仿真实验平台，这样才能将VR技术在土木工程教学中快速普及使用。