建筑工程虚拟仿真实践教学体系探索

唐 捷

（丽水学院工学院，浙江丽水323000）

0 引言

当前我们所处的社会已迎来了包括虚拟仿真技术在内的第四次工业革命，这是一场全新的技术革命。在此背景下，教育部于2017年正式提出了要在工程教育中积极培育“新工科”的理念，其中重点强调要利用虚拟现实和仿真技术对当前的工程实践教学方式进行改革创新，这为大力推进工程教育改革创新和工科应用型人才的培养提供了良好契机[1-2]。同时，国内外对建筑业的发展也提出了新的改革要求，鼓励把最新的虚拟仿真技术应用于实际工程项目的建设当中。在建筑工程虚拟实践教学体系建设中，要充分运用虚拟现实、虚拟仿真、增强现实、体感互动等先进技术，从而保证虚拟仿真实践教学资源建设手段的先进性、创新性。为了更好地解决传统实践教学中遇到的问题，利用虚拟仿真实践教学的方式，对实验方法进行新的拓展和改进，突出了实践教学“互动、自主、体会”的效果。因此，构建建筑工程虚拟仿真实践教学体系，具有非常重要的现实意义[3]。

1 构建建筑工程虚拟仿真实践教学体系的意义

1.1 实现建筑工程实践教学理念创新

建筑工程虚拟仿真实践平台建成后，在新的实践平台运营模式和建设理念下，实践平台将处于动态的开放性状态，并将不断与外界交换信息和资料，从而不断产生积极的反馈。最初的依赖路径被改变，并达到整体水平的上升，可以实现校内分享、校际交流和各方联动。例如，开放的教学和培训系统，用户不仅限于一个专业或学院的学生，而且可以在多学科、多专业和多学院之间共享资源，最大限度发挥实践平台的作用，并成为微观社会正常运作的载体。一是科研平台：科研平台建设可以带来更多升级需求，引进尖端科技成果；二是社会服务：社会服务是学校被社会赋予的一项重要任务，通过鼓励参与社会服务，将使实践平台能够直接接受社会的考验，积累资金进行升级和发展。因此，在升级需求的指导下，随着自筹资金的积累和外部资源的大力支持，引入更新的设备和技术，实现自我更新的目的[4]。

1.2 创新建筑工程实践教学和人才培养模式

建筑工程虚拟仿真实践平台将成为学校为社会提供服务的一个重要窗口，使其不只是一所学校，也不只是在校生进行实践的场地，而是一个社会所拥有的学习平台，是整个社会人员都可以参加学习和提高技能水平的地方。不断创新合作途径与交流方式，力争成为学校与企业之间的纽带，不断实现新技术与实践教学平台的密切结合，结合企业的实际需求和先进实践经验，积极进行各种开放式的教学实践，培养实践创新型人才。

2 建筑工程虚拟仿真实践教学体系建设

根据本行业人才培养的定位（能力要求、培养方案等），构建一个“三个阶段”“四个层次”“五个结合”及“一体化”的建筑工程实践教学体系。在建筑工程实践教学体系的总体设计和安排的基础上，积极开发虚拟仿真实验教学资源，并结合各实践教学阶段的教学特点和要求，着重在虚拟仿真实践教学资源的先进性与典型性等方面进行建设[5]。丽水学院土木工程虚拟仿真实验室秉承“合理规划，重点突出，持续发展”的建设理念，优先选择了实验成本高、实验难度大、危险性较强的一些实验项目，以创新性工程应用型专业人才培养为目标，整合校内外的虚拟实验教学资源，重点建设了教育部产学合作协同育人项目“土木工程虚拟现实教学实训室”、校级重点实验室项目“基于BIM的土木工程施工与管理虚拟仿真实验”，并与上海维启科技公司等企业进行校企合作，研发了“建筑施工扣件式钢管脚手架虚拟仿真实验”（见图1）、“塔式起重机操作虚拟仿真训练和考核系统”等实验平台，系统规划了“基本规范型实践—综合分析型实践—研究探索型实践—创新实践”四个层次的虚拟仿真实验教学资源。

图1 建筑施工扣件式钢管脚手架虚拟仿真实验

2.1 “三个阶段”的实践教学内容

第一阶段是学科基础实验教学阶段，该阶段有工程基础实验和建筑工程通识教育实验等。教学目标要求学生掌握学科基础实验的基本规律和常识，建筑工程通识教育实验的基本内容和方法。例如，注重对钢筋混凝土梁的弯曲与剪切性能仿真实验和钢筋混凝土柱受压性能仿真实验进行建设，在对复杂建筑结构、高层建筑结构的组成构件受力性能进行理论论证的基础上，结合虚拟仿真手段，让学生能够更好地掌握各种工程结构的工作原理、操作规程、数据分析方法以及典型的故障诊断和排除方法。

第二阶段是专业基础实验教学阶段，该阶段学生第一次接触土建工程类实践项目。本行业人才培养的目标要求强调对学生的工程实践过程意识、过程敏感性分析、实验系统完整操作流程、事故判断与预防控制措施，以及节能环保意识与过程强化意识的培养。重点建设施工工艺仿真实验模块、项目管理仿真实验模块和建筑构造仿真实验模块。结合专业有针对性地开发属于自身专业的虚拟培训系统，该系统可反复操作，简单易上手，使学生快速掌握整个流程、能够快速三维模拟可视化有关实验分析结果、能够感性认识已学的抽象概念，为学生牢牢掌握专业知识奠定了基础。

第三阶段是专业实践和工程模拟实训阶段，该阶段为土建类专业培养提供“土建类专业实践”和“实际工程模拟实训”课程。教学目标侧重于工艺优化，强调实验项目的连续性、过程性和准工业化，适当采取“模拟工作参与角色”的教学形式，让学生扮演不同角色进行分工协作，培养学生的工程团队意识和分工协作意识。

2.2 “四个层次”的递进式实践教学主线

在建筑工程虚拟仿真实践教学体系的建设中，形成“基本规范型实践—综合分析型实践—研究探索型实践—创新实践”递进式实践教学主线[6]。

基本规范型实践层次，侧重于扩展和补充实验教学资源，打破课内学时和实验室空间的限制，学生可以在实验课程之外，通过教学平台进行更多的操作训练。此外，可以面向社会开放有关的教学资源。例如，为企业在职员工提供操作技能培训等。

综合分析型实践层次，强调虚拟仿真实验教学资源的模块化和可拼拆性，使学生能够“化整为零”和“合零为整”。

研究探索型实践层次，重点关注高危险或极端环境和高成本高消耗的实验内容，为学生的研究探索活动打开方便之门。

创新实践层次，强调第一课堂与第二课堂之间的协同互补作用。全面发挥虚拟实践平台的优势，开拓学生创新实践基地，推动建设国家、省、学校、企业多层次、全方位的学生课外综合实践体系[7]。建筑工程虚拟仿真实践教学应在创新实践教学的基础上，开放共享资源中心系统，为学生创造强有力的课外综合实践条件。学生的课外综合实践可以激发学生的学习兴趣，牵引专业实践课程教学水平大幅度提升。

2.3 “五个结合”的实践教学原则

（1）教为主导与学为主体相结合。在虚拟实践教学中，准确把握教为主导与学为主体的教育理念，对学生在实践过程中遇到的问题，教师要实时进行指导，让学生主动参加到实践活动中，二者可以有机结合。

（2）校内虚拟实践与校外企业实训相结合。虚拟仿真实践教学要从专业岗位实际的工作任务着手，充分借助虚拟仿真技术，在校内虚拟实践教学中真实地模拟实际工作情境。每年暑假前可安排短学期实践教学周，让学生到校外实习基地开展实训，通过融“教、学、做”于一体的方式，大力开展校企合作协同育人[8]。

（3）适用性与针对性相结合。虚拟仿真实践教学要注重对学生的认知特点进行全面分析，对专业岗位进行分解分析，有针对性地采用教学内容、教学方法和手段等，建设虚拟仿真实践教学项目。同时，采用的实践教学内容、实践教学方法和手段等也要对应于专业岗位实际工作任务的需要，以便可以更好地安排虚拟仿真实践教学项目，促进对学生实践创新能力的培养。

（4）先进性与典型性相结合。虚拟仿真实践教学要从典型的设备仪器和先进的技术工艺着手，通过对典型任务选取，使学生对工作过程、工作对象及工作岗位任务要求有完整、清晰的了解，能运用实践中学到的知识解决实际工作任务中遇到的复杂问题，为将来能更好地适应工作岗位需求打好基础。

（5）理论性与实践性相结合。在虚拟仿真实践教学中，要结合学生的实际情况和具体特点，借助虚拟仿真技术，从学生已掌握的实际专业基础理论知识和实践操作技能出发，合理选择教学内容、教学方法和手段，将抽象问题形象化、具体化，让学生能够熟练地掌握各项实践操作技能，在强化实践性的同时，又能使学生掌握好专业基础理论知识，达到让学生专业基础理论知识和实践操作技能的一体化提升的目的[9]。

2.4 “一体化”的实践教学模式

“一体化”的实践教学模式包括：一是教学思想的一体化，凸显出“绿色化引导”和“创新主导”；二是教学内容的一体化，凸显出“科学教育与工程教育的全局设计和一体化结合”；三是教学方法的一体化，凸显出“开放式、个性化”和“寓教于乐、寓教于研”[10]。

加强虚拟仿真技术与工程的融合，将学科基础与专业实训紧密结合，以某一“任务”或“项目”为纽带，建设建筑工程一体化实验项目组群。在学科基础实验教学阶段，注重对学科基本规律和常识的探索（比如：制备物质材料的方法、材料混合反应的机理等等）；在专业基础实验阶段，重点关注每个单元操作的工程技术基础（比如：不同操作方法的对比和影响因素等等）；在专业实践和工程实训阶段，重点关注单元操作的组合运用[11]。

3 建筑工程虚拟仿真实践教学资源建设

3.1 建筑结构仿真实验模块

传统的实验教学方法一般只能对各类建筑的某些结构构件的某些性能进行对应的实验，不能完全把专业课程中涉及到的知识点呈现出来。建筑结构实验中存在着实验准备时间长、劳动强度大、实验结束后试件绝大部分报废、实验费用高等特点，学生普遍不具有实验经验，极易因误操作造成实验失败，从而导致实验资源的浪费。为了解决这一难题，可以采用建筑结构仿真实验，对理论课中涉及的实验内容开展虚拟仿真实践教学，通过本实验模块的实验教学，能够更好地对专业基础知识进行有效的拓展，达到提高学生实践创新能力的目的。本模块实验项目主要有：一是钢筋混凝土梁的弯曲与剪切性能仿真实验。钢筋混凝土梁的弯曲和剪切试验对于工程结构设计具有非常重要的参考指导意义。但是，目前传统的实验教学不能全面地展现少筋梁、超筋梁的性能状态。为此，有必要开展本仿真实验，学生可以通过仿真实验自行设计钢筋混凝土简支梁，调节配筋率来实现超筋梁等三种破坏形态以及进行简支梁的受剪性能试验。二是钢筋混凝土柱受压性能仿真实验。该实验的实验难度较大，实验成本较高，对实验场地要求较为苛刻。因此，开展大、小偏（轴）心受压混凝土柱的仿真实验能够让学生观察钢筋混凝土柱的破坏特征、研究其强度变化规律及其影响因素等，从而加深学生对钢筋混凝土柱受压力学机理的认识。该实验属于高消耗高成本实验类型，在传统的实验教学方法中难以反复展开，因此设计出钢筋混凝土柱受压性能仿真实验将具有明显的优势，也有利于学生直观全面地了解柱结构的受压性能。

3.2 施工工艺仿真实验模块

由于工程实际的限制，对建筑施工工艺的学习难以满足学生一一进行现场考察与学习。本实验模块可以采用交互式的虚拟仿真方式开展教学，其具有很强的情境性、过程性、系统性和交互性，能使学生更好地理解各类建筑的分项分部工程施工工艺特点，达到良好的教学效果。本模块实验项目主要包括：地基与基础工程施工工艺仿真实验、混凝土工程施工工艺仿真实验、脚手架工程施工工艺仿真实验、屋面工程施工工艺仿真实验、建筑装饰工程施工工艺仿真实验等。

各类建筑的建造过程往往会涉及到多个分项分部工程施工工艺，其真实实验难以开展，并且进行实体实验的成本较高，开展本系列虚拟仿真实验，能够解决上述因实训操作场地、实训操作成本等问题无法进行实际操作的实验，能够帮助学生更加深入地理解各类建筑建造过程中各分项分部工程施工工艺。学生通过自主的互动操作，可以形象直观地学习建筑施工过程。通过该实验使学生掌握建筑施工的一般过程和主要的分项分部工程[12]。

3.3 项目管理仿真实验模块

本仿真实验模块借助Revit等相关软件，使实验表演者（参与者）能够轻松融入整个施工管理过程，通过对实验参数进行实时调整，实现对有关课程知识的掌握。本模块实验项目介绍如下：

（1）施工平面布置仿真实验：本实验进行拟建建筑物、施工道路、施工围挡、施工水电、生产性和非生产性临时设施的布置以及各种工艺参数的设置，从而让学生能够深入了解建设平面布置的内容，并加深对施工图纸的理解。

（2）重点部位施工指导仿真实验：本仿真实验模块借助Revit等相关软件，搭建重点部位模型，让学生加深对施工图纸的理解，感受设计、施工和验收过程信息的有效传递，提高学生施工组织实践操作技能。

（3）施工质量管理仿真实验：通过本实验项目，学生进入根据真实工程模拟的施工现场，通过虚拟漫游的方式，从各个视角观察各分部分项工程出现的典型质量问题，分析造成质量问题的原因，掌握质量问题的防治措施，增强学生在施工现场发现、分析及解决质量问题的实践能力。

（4）施工安全管理仿真实验：本实验模拟真实的施工现场，让学生任职专职安全员角色，在已有建筑结构模型基础上进行不同模块的安全知识学习，进行危险源的识别和危险因素的消除，对现场安全施工进行快速正确的处理[13]。

（5）工程造价管理仿真实验：本实验主要基于鲁班造价等相关软件的开发，根据实际施工图纸以及人机协同工作原理，为建筑工程技术和工程造价等相关学生开展教学。通过本实验项目，可以使学生体验各类工程量的计算，加深对造价行业的理解。

（6）招投标管理仿真实验：本实验项目采用模拟场景角色扮演，结合人机交互手段，让学生扮演不同的建设参与方模拟招投标的整个流程，以提高学生对全过程招投标知识的掌握和实际操作能力。

（7）施工进度管理仿真实验：本实验项目可以使学生了解实际的施工流程，减少实际施工返工，及时调整子项目的施工时间，对项目施工进度进行调整和优化。

3.4 建筑构造仿真实验模块

可由专任教师选取典型的建筑案例，与有关合作企业共同联合开发，对建筑重要构件开展互动展示，学生可进行自主的互动操作，模拟再现建筑的建造过程，学生可以直观地学习各类建筑的建造技术。本模块实验项目主要有：一是多层砖混结构建筑的构造仿真实验和高层框架结构建筑的构造仿真实验。该虚拟仿真实验可以使学生对多层砖混结构建筑和高层框架结构建筑的构造及组成有一个直观的体验感受，进一步加深对各节点细部构造差异和梁柱连接构造的理解。二是古建筑构造仿真实验。古建筑的建造过程和细节属于不可及实验，且具有标准化的特点。本仿真实验利用虚拟仿真技术手段，对古建筑的建造全过程进行模拟再现，学生可以通过该教学实验形象直观地学习古人的美学思想和建筑技术，让学生可以深入学习古代建筑的精髓，服务于古建筑的修缮及现代建筑创作。

综上所述，可以建设4个虚拟仿真实验模块，包括17个实验项目，具体如图2所示。建筑工程虚拟仿真实验项目体系的实验模块设置比较全面、层次合理，充分结合学校的办学资源，致力于提高学生的实践创新能力[14]。

图2 建筑工程虚拟仿真实验项目体系

4 结语

建筑工程虚拟仿真实验教学体系的建设在资源共享方面能够更好地服务于各领域的使用对象，开放性实验室的使用将从单一专业扩展到多学科专业，例如，信息技术专业、建筑工程管理专业、计算机专业等等。实验平台从提供给学校内部使用扩展至其他兄弟院校、企业员工等等。在教学资源方面，也不仅依赖于实验室原有教师的单一资源，还可以整合更新更多的学术和行业资源等。另外在人才培养层面，也涵盖了多方位的人才输出模式。

综上所述，建筑工程虚拟仿真实践教学体系的建设，对实践教学体系的重新构建，对实践教学综合效果的有效提高及实践教学方式的综合变革都有着十分重要的现实意义。建设面向应用的建筑工程虚拟仿真实践教学体系，统筹规划虚拟仿真实践教学内容、人员、设备等资源，形成与现代虚拟现实仿真科学技术优化集成、和谐统一特性相匹配的实验室组织、管理、运行机制。依托虚拟仿真实践教学管理团队，对虚拟仿真实践教学核心资源进行有效管理，对建筑工程虚拟仿真实践教学体系项目资源进行数字化建设，提高学生自主实践创新的能力，从而积极推进“新工科”建设向前发展[15]。