虚拟仿真下装配式建筑教学改革与实践

王 鹏，王 玫

（西南大学a.工程技术学院；b.经济管理学院，重庆400715）

0 引 言

2017年3月，住建部印发了关于装配式建筑实施的一系列措施，其中《“十三五”装配式建筑行动方案》明确提出要制定培育装配式建筑人才和产业队伍的相关政策措施。同年4月，教育部公布了《新工科建设行动路线》，致力于探索工科发展新模式，实现从学科为导向向以市场产业需求为导向的转变，加大学生选择空间，增强师生互动，改革教学方法和考核方式，形成以学习者为中心的工程教育模式。同时还要推进信息技术和教育教学深度融合，充分利用虚拟仿真等技术来创新工程实践的教学方式。在住建部和教育部的方针政策指导下，借助虚拟仿真技术，依托仿真实训的“理虚实做”，结合翻转课堂教学模式，对高等院校装配式建筑教学进行改革，建立一套适应建筑产业需求的实践教学体系，意在提高高校装配化施工方向的专业建设，并设计满足企业实际需求的人才培养模式。

1 装配式建筑教学现状

装配式建筑是指预制构件在工地上装配而成的建筑，其流程主要采用一体化、信息化协同设计、装配化、专业化、精细化施工和信息化管理。与传统建筑相比，装配式建筑建造速度较快、节约劳力、受环境影响小、质量较高。在装配式建筑施工过程中，部分传统建筑工人被机械操作工人所代替，因而，施工的工作重点在于建筑构件的装配。这一转变要求装配式建筑参与人员更加懂技术、懂操作。

目前，高等院校装配式建筑教学仍然采用传统的教学模式，首先通过多媒体教学来实现知识的传递，主要以理论结合图片与视频的形式向学生们介绍建筑构件的装配和验收［1］，接着在课后让学生自己完成“内化吸收”。虽然这种方式在一定程度上能够把理论与实践结合起来，但教学效果差强人意［2］。

其主要原因在于，传统的课堂教学中，师生之间缺少有效的交流，在课堂互动中，主要是以教师提出问题，学生参与讨论的方式进行。由于在学习初期，学生对问题的认识有限，造成了在“互动”过程中学生的积极性不高，甚至回避讨论的现象，因此，课堂教学不能有效地调动学生学习的主动性。而课后，由于缺乏教师的指导、支持和同学的交流、帮助，学生在“内化吸收”的过程中容易感到挫败，从而丧失学习的动机和成就感，降低学习的积极性。另外，高等院校受场地、设备等客观条件的限制，很难针对装配式建筑的“组装”过程进行“解剖”，缺乏系统的实践操作。由于面向实际的工程训练不足导致现今高等院校装配式建筑教学理论教学充实而实践操作不足，理论与实践严重脱节［3］。

2 翻转课堂在装配式建筑教学应用中的意义

随着教育教学改革的不断推进，高等院校教育方式逐渐从以教师为中心向以学生为中心的模式转变。“翻转课堂”被认为是一种可以让学习化被动为主动的全新的学习方式［3-5］。“翻转课堂”重组了学习流程，调整了课堂内外的学习时间，重新分配了不同环节的学习内容，将学习的决定权从教师转移给学生。与传统的教学模式相比，翻转课堂将“知识传递”放在了课前，学生在课前自主学习老师所准备的课程内容，这些课程内容包括教学视频，网络教程或是其他学习资料，同时，教师还可以提供在线学习辅导。其目的是让学生在自主学习的过程中能够更好地记忆和理解相关知识点，为接下来的课堂讨论做准备。而“内化吸收”则通过课堂互动完成，如老师和学生一起完成作业，并针对相关问题进行讨论。通过课堂上的练习、讨论，可以增进学生之间的交流，让学生参与到更多的学习活动中来，并运用他们所学到的知识来解决相关问题。在装配式建筑教学中应用翻转课堂的教学方法，不仅可以有效地调动学生学习的主动性，提高学生发现问题和解决问题的能力，还有利于提高教师本身的业务水平，具体表现在：

2.1 培养学生自主学习意识

在翻转式教学模式中，学生可以根据教师提供的学习资料，在课外自由安排学习时间，选择自己喜欢的学习方式，来完成教师布置的学习任务。在课堂上，学生针对自己在课外学习过程中所遇到的问题或是疑问与老师进行交流、讨论，这种方式不仅可以增加学生探索问题的能力，还能激发学生的学习兴趣。

2.2 帮助学生了解学习过程中自身存在的问题

装配式建筑从构件制作到装修验收，其过程是一个复杂而系统的工程，装配式建筑不仅涉及结构的装配，还涉及其他相关专业的装配和配合问题。由于学生在认识复杂工程中存在个体差异，传统的教学模式不能有效地针对具有不同个体特征的学生来阐述问题。通过翻转式教学模式，在学习过程中，学生可以结合自身的实际情况，把握自己的学习节奏，发现自身对装配式建筑生产过程中某些环节认识的不足，通过课堂上师生互动，来解决自己的疑惑，从而有针对性地进行学习。教师也可以更有效地了解不同学生在学习过程中存在的问题，进而完善教学内容。

2.3 提高装配式建筑专业教师的业务水平

在装配式建筑翻转课堂中，授课教师的角色由知识的灌输者转变为课堂的管理者，知识的传递由单一的教师到学生，变成了双向的师生互动。这种转变对教师提出了更高的要求，教师需要对装配式建筑的各个环节非常熟悉，并具有更广阔的视野引导学生对装配式建筑的发展和新技术应用的探索，激发学生进行更高层次的思考。此外，要想成功地采用翻转教学，教师必须要有较强的教学信念，努力引导学生理解学习内容的真正含义。而不是传统课堂上的照本宣科，按照教材“有条不紊”地进行讲解，禁锢学生的想象力和创造力。

3 虚拟现实技术在装配式建筑教学中的应用

“装配式建筑”是一门应用性极强的课程，它要求对学生开展大量的实践操作和技能训练。然而高等院校受场地、设备等客观条件的限制，难以对学生开展实践操作的训练。为此，一些新兴的教学技术融入教学场景当中，如虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）、建筑信息模型（Building Information Modelling，BIM）等。高新技术支撑的教学模式为学生提供了更多的实训机会。近年来，VR技术已经广泛地应用在建筑工程教育领域中，虚拟环境可以有效地提高建筑相关领域的教学质量［6-8］。与传统的以图片和视频为主要形式的课堂教学法相比，VR的优势在于它能够让学生在虚拟三维环境中进行交互，对客观的事物进行直观的感受。干学宏等［2］通过AR技术对装配式建筑教学过程中结构关键的施工节点进行了“增强重现”，其研究表明，虚实结合的教学场景，可以使学生克服学习上的认知障碍，有助于学习效果的提升。曾在平等［9］将BIM技术融入装配式混凝土结构课程中去，研究表明，BIM技术的结合可以有效地提高学生在装配式建筑结构方向的相关技能。另外，BIM与VR技术应用在装配式建筑教学当中，会使学生更清楚地认识施工现场各个环节的管控，以及对信息的管理。

根据Wang等［10］的研究表明，虚拟现实环境对于提高学生的参与性、互动性以及提高学生学习的积极性有着巨大的潜力。通过虚拟环境可帮助学生在细节上有效地识别装配式建筑的相关信息，提高学生的空间理解能力与操作能力。另外，基于虚拟现实的教学方法设计，需要在虚拟环境中将教师为中心的教学方式转变为以学生中心的学习方式［9］。

4 虚拟仿真实训系统的翻转课堂教学设计

根据陈怡等［11］相关研究，教育技术和教学活动是翻转课堂教学过程中的关键因素，在教学过程中信息技术的支持是保障翻转课堂顺利开展的条件。由于信息化的迅速发展，虚拟现实技术为装配式建筑在翻转课堂中的教学提供了强有力的支撑。本文以西安三好软件技术有限公司提供的装配式建筑虚拟仿真系统为平台，设计基于虚拟仿真实训系统的装配式建筑翻转课堂教学模型，如图1所示。

图1 翻转课堂教学设计

在课程开始前，教师介绍学习单元的教学大纲以及自我调节学习模式和翻转课堂。学生在了解学习模式后，根据之前所学习的内容，来设定当前的学习目标，例如想要达到的学习效果、学习策略、测试的成绩等。在设定了学习目标后，学生在课外通过装配式建筑仿真系统进行学习，学生可以在系统中学习“真实”的装配式建筑建造流程，可以从原料如何转化为构件，构件如何进行装配，构件之间如何实现连接和加固，最后如何进行装修和验收等4个方面进行实践操作。虚拟仿真系统包括钢结构、高层剪力墙结构、混凝土结构等多种结构的装配式建筑工程案例楼，每个工程案例的VR漫游都能让学生在游戏环境中对不同装配式建筑形成过程得到近乎真实的体验，如图2所示。

图2 装配式建筑工程案例漫游示意图

在VR漫游的过程中，学生根据教师制定的教学日历来进行学习，由于虚拟仿真系统是对真实环境的模拟，所以在学习过程中，学生可以发现和探索由教师制定的与当前学习目标相关联的实际问题，并进行思考。仿真实训软件按照构件实际生产流程，根据企业岗位需求，进行模块化划分，以虚拟仿真方式实现单模块的独立学习、训练、考核和评价。软件实训的构件内容依据标准图集典型构件进行设计。仿真系统分为教师端和学生端。教师端的主要功能是完成训练、考核任务下达，结果评价和查阅。学生端分为控制端和虚拟端，主要功能是自主地或根据教师下达的训练任务，通过控制端虚拟控制台发送指令到虚拟仿真软件的实时控制，以完成所有任务的操作。学生的学习日志、漫游轨迹以及成绩将被系统记录，教师通过这些记录，在课堂上对错误率高的问题和任何有疑问的地方进行讨论和讲解。此外，在课堂教学活动中教师可以根据学生的漫游轨迹，针对学生所感兴趣的内容来开展知识的延伸教学和互动学习活动。在完成课内和课外教学活动后，教师引导学生在系统中进行自我评价，数据库会根据学生学习的表现提供一些诊断，同时学生也可以查阅教师的评价，以便进行自我调整，为接下来的学习单元做准备。

5 实现翻转课堂的教学案例

以装配化施工课程中装配式施工概论课程单元为例，来说明以虚拟现实支撑的翻转课堂的教学设计。

5.1 课前准备

首先，教师制定装配式施工概论的教学计划，布置学习任务和学习方式，以及课程的学习目的。本单元拟让学生熟悉与了解现场装配准备和吊装施工流程。其次，学生根据教师制定的学习任务，制定适合自身的学习目标，并进行课程准备。

5.2 课前自主学习

学生按照教师制定的学习任务，通过虚拟仿真实训系统进行自主学习。学习的内容包括，吊装前施工准备、吊装机具选择、吊具选择与应用、人员分工、墙板测量划线、构件起吊操作、构件协作安装等。学生在学习过程中，系统会对学生的漫游过程以及测验的结果进行记录。如学生在构件起吊操作环节中进行多次操作，说明此处是多数学生感兴趣的知识点，或是部分学生在学习过程中的薄弱环节。同时教师通过测验的结果找出学生在学习中不能迅速理解和掌握的有关内容，为课堂教学做准备。

5.3 课堂活动

通过虚拟仿真系统的学习，学生在对现场装配准备和吊装施工流程有了基本的认识，每个同学都有自己的学习结果和在学习过程中所遇到的问题。在课堂中，教师首先对学生在学习过程中所遇到的问题进行解答。再根据虚拟仿真系统的记录，以学生感兴趣的部分或是疑问较多的地方为话题，进行讨论。如在构件起吊前都需要做哪些准备？人员是如何分工的？机具是如何选择的？等一些启发性的问题，根据学生对知识的掌握情况，提出具有延伸性的问题进行讨论。

5.4 课后活动

在课堂教学活动后，教师引导学生对自己的学习过程和学习目标进行自我评价，教师综合系统评价和学生的自我评价分析教学中的问题，为下一次课堂提供参考。

5.5 反馈与评价

在教学活动中，学生首先感受到有一种“力量”在推动学生的学习，并且必须认真对待学习，以此来完成虚拟仿真系统的测验。课堂上不再是“置身事外”，而是成为了课堂的主人，时时刻刻准备提出问题和回答问题，大幅地提高了学生的课堂参与性和学习的积极性与主动性。同时，任课教师在课程的准备过程中感受到了一定的“压力”，必须全面熟悉课程内容，来应对不同学生所提出的“未知”问题。另外，在虚拟仿真环境中学习，学生普遍的感受是自身完全沉浸在装配式建筑周围，可以短时间内获取和体验相关知识，对知识的记忆情况也有明显提高。教师通过虚拟仿真系统掌握了学生在学习过程中的全部状态，避免了传统教学只看结果的考核问题。

6 结 语

基于虚拟现实的翻转课堂，在装配式建筑教学中是一种全新的教学理念，该方式结合了虚拟现实与翻转课堂的优点，在整个教学过程中以学生为主体，让学生在“真实”环境下，自主学习装配式建筑的相关知识，并进行实践操作。通过基于VR的翻转课堂教学模式，可以提高学生在装配式建筑中的学习主动性和积极性，提升其实践操作的能力，增强在学习过程中发现问题、解决问题的能力，也有利于教师对自身业务水平及专业素质的提高。装配式建筑VR翻转课堂是土木工程专业实践教学的一项重大改革，它将推进一套虚实相结合的以学生为中心的实践教学体系建立，并最终实现建筑装配式教学人才培养的完整周期。

对于推进实施虚拟现实下的翻转课堂教学模式还有很多问题有待解决，如教师和学生对信息技术的驾驭能力、学生的学习习惯以及多年以来形成的传统教学理念［12-16］，这需要进一步对该教学模式进行实践、对比和分析，设计满足企业实际需求的人才培养模式。