桩基础虚拟施工实训教学模式探讨

殷 勇 （盐城工学院 土木工程学院，江苏 盐城 224051）

实践教学是工科专业课程教学环节的重要组成部分，对提升理论课堂教学效果有显著的促进作用。基础工程施工是土建类专业课程中一个实践性和应用性很强的知识点，如何有效开展相应实训环节是促进学生掌握课程知识的关键，也是相应课程教学改革的重点。目前，有很多教育工作者围绕基础工程施工探讨了相应的实践教学问题，孙静分析了基础工程实践教学及理论与实践教学一体化的问题，提出了现场实践教学与虚拟仿真实践教学相配合的“虚实结合”教学模式[1]。何玉荣分析了基础工程课程实训的内容，提出了建立实践教学基地，形成校企合作的实践教学方式[2]。杨永生对基础工程施工实践教学模式与教学方法进行了研究，认为在工学交替与任务驱动模式下，采用“教学做”合一与“情景”教学法可以有效提高学生的自主学习与独立工作能力[3]。现有的研究成果均表明了实践环节与基础工程施工理论课的相互促进作用，多数强调了如何较好地组织与实施现场实践教学，但随着虚拟仿真实训技术的发展，围绕基础工程虚拟施工方面的实践教学研究还不充分。本文探讨了虚拟施工实训技术的特点，从BIM-FILM施工动画制作入手，分析了桩基工程虚拟施工实训模块的实际方法，提出了相应的实践教学模式。

1 虚拟施工实训技术的特点

近年来，随着计算机技术的发展，虚拟仿真实训技术成为国内众多高校、企业争相建设的热点内容。虽然在虚拟施工实训模块的开发过程中，有时存在着三维施工动画制作较难，投入较大的问题，但产品一旦成型后，利用三维仿真技术可以形象直观展示各种工艺流程、施工要点，避免了传统图像、图纸、简单动画等单调且枯燥的二维展示方式，具有较明显的应用优势及前景[4]。

1.1 对建筑企业的影响

①为员工培训提供便捷途径。虚拟施工实训技术可以根据行业相关规范程序化、有步骤地再现实际工艺步骤。企业新员工可以在不消耗建筑材料、确保安全的条件下积累施工经验，对整个工程的实施过程做到心中有数，了解自身的岗位责任，获得较好的培训效果。

②提升企业形象。虚拟施工技术通过3D或4D动画提供生动逼真的施工案例介绍，利用企业网站可以展示自身技术水平，拓展企业文化，不仅能够促进项目的合作，而且更有助于企业形象和品牌价值的提升。

③提高企业竞争力。将虚拟施工技术及时应用在投标现场，可以在短时间内，让招标方清晰了解项目的实施过程及关键程序，通过立体化的信息展示项目实施效果，能够迅速获得合作方的认同，提高项目中标几率[5]。

2 对高校实践教学的影响

2.1 学生角度

一方面，实践教学过程中，利用虚拟施工实训技术可以让学生以游戏化的角色参与学习过程，提高了其学习兴趣，能轻松完成相关知识点学习；另一方面，可以借助一些简单的施工动画制作技术，让学生参与到虚拟实训模块的建设中，不仅有利于提高学生的实践动手能力，而且可以在完成虚拟施工作品的同时，深刻体会其中的工艺流程、要点，达到以做代学的目的。

2.2 教师角度

采用虚拟施工实训教学模式有利于发挥线上教学的优点，避免了现场实习受制于天气、场地、人数、安全、费用等因素的制约，教师能把更多的时间投入到虚拟施工模块开发与教学内容的设计中，通过教学模式的优化取得最优的实践教学效果。因此，虚拟仿真实践教学也是当前很多工科专业课程实践教学改革的重点，在今后相当一段时间内还会引起众多教师的关注和探讨。

3 桩基虚拟施工实训模块开发

桩基础属于非常常见的一类基础形式，在各类土建工程中应用广泛，针对桩基开展虚拟施工实训教学是土建类专业实训教学的一项重要内容。桩基实训教学模块的开发是建立虚拟实训教学模式的基础，而虚拟实训模块的核心内容则是3D施工动画的建立。一个流畅且形象化的桩基三维施工动画，可以较好地展示施工流程及工艺要点，结合交互式操作便能实现在线实训的效果。

3.1 桩基虚拟施工3D动画实现

3D交互式施工动画可以借助BIM-FILM虚拟施工系统简便实现，不同于常规动画制作系统难掌握、成果慢的特点，该系统应用BIM+仿真与互联网技术，能够配合专用素材库与BIM模型无缝接合，通过自主设计施工动画，满足了快速制作个性化3D施工实训模块的需要。

在桩基施工动画制作过程中，将施工规范流程进行文字编辑并转换为实时语音播报，还可以针对施工要点进行详细说明，增加动画展示的信息量，达到视觉与听觉统一的效果。

3.2 实训模块的建立

在虚拟施工动画成品基础上构建桩基虚拟施工仿真实训模块，如图1所示。钻孔灌注桩施工的主要工艺流程，以列表形式在左侧逐条展示，并随着施工进程的完成情况实施更新。实训过程中，系统会提示每一步骤应该完成的工作任务，对施工流程中涉及的一些主要施工机械、施工材料、工种选择等内容，模块下方任务栏会提供交互式作业界面作为实训互动环节。

该实训模块置于云端，可随时随地在线使用，无需特别更新计算机设备。学生在使用过程中能交互式实现桩基施工前相关参数与主要步骤的输入、施工中桩基设备安放和组装，施工过程的动态演示及施工状态的实时输出，施工步骤的分析处理与评价。通过桩基虚拟实训模块，能够达到与线下实习相同的学习体验，对每一施工步骤、施工要点有直观认识，并且交互式操作也使学生的参与度更高，有利于提升实训效果。

图1 钻孔灌注桩虚拟施工3D互动实训

4 桩基虚拟施工实训教学模式

4.1 实训教学模式构建

结合互联网技术与桩基虚拟施工实训模块，可以构建一种以学生为中心的多元化、全过程的桩基虚拟施工实训教学模式，具体思路详见图2。从教师教学来讲，整个实训流程围绕实训模块开展，包括前期实训模块开发、实训模块应用、后期实训模块完善三部分，其中前期实训模块功能开发既可以由教师设计完成，也可以由学生参与完成，学生通过自主设计实训模块本身即可将理论知识与实训技能结合，实现以做代学的目的。对于学生而言，该实训教学模式以桩基施工任务为主线，从提出问题出发，到施工方案的提出，施工方案的实施，直至最终的实训效果分析、评价，全流程、多渠道的学习方式可以完全覆盖实训各环节，达到较好的教学效果。

图2 桩基虚拟施工全过程实训教学模式

4.2 实训教学模式实施

桩基虚拟施工实训教学模式基于云端数据库资源运行，实训前，教师首先需要在备课环节提前设置，并逐步完善桩基施工相关的数据库资源，包括常见桩基础施工相关的规范、操作流程学习视频、施工设备介绍、互联网相关学习资源等。学生在虚拟施工实训前应通过该数据库资源，熟悉桩基施工流程与技术要求，对实训环节有一个准确的认识和整体把握，再根据现场条件选择适合的桩基类型，确定施工方案。

实训中的施工过程包括桩基施工场地准备、设备选择、布置与组装、实时交互操作等几个环节，能让学生切实体会到实际桩基施工操作的全流程及核心步骤，提高学习兴趣；实训后，通过后台操作规范数据的匹配，系统平台可以给出“通过”与“不通过”的评价，学生可以回看生成的实训报告，检查自己的实训过程，针对性地围绕失误操作进行讨论及学习；指导教师也可利用该环节判断学生实训情况，分别进行客观评价与指导，解决桩基现场施工实训时学生多、教师少而无法准确评估每个学生掌握程度的问题。同时，这一环节中生成的实训报告也可以让桩基实训课程的过程留痕、成果留痕，形成真实的学习档案。

此外，该实训模块的成果还可以利用互联网技术将实训的过程进行分享，得到共享授权的师生，随时可以通过系统平台访问共享的实训课程信息，利用互联网的开放、实时、互动特点，学生可以方便地在业余时间进行传播学习与沟通，拓展了学习的物理空间，增强了师生间、学生间的互动，提高桩基虚拟施工模块的使用效率。

4.3 实训教学模式反馈与完善

根据桩基实训模块的实施过程，分析评价桩基虚拟施工实训模块的运行情况，改进使用过程中出现的问题，不断优化实训教学模式，提高虚拟仿真实训效果。

此外，在桩基虚拟施工项目的选择上，初期可以建设部分常见桩基础的实训模块，如钻孔灌注桩、预制桩等，后期可以根据模块运行情况，进一步拓展完善人工挖孔桩、沉管灌注桩、夯扩灌注桩等其他桩型的虚拟施工实训，提高实训模块的应用范围。

5 结语

桩基工程是一门实践性与理论性均较强的专业课程，常规的课堂教学偏重理论知识的讲授，而当前桩基工程的现场实践环节，多数面临着工程场地安全、实践案例不全、无法使大批量学生全过程的跟踪学习等问题。因此，在一般土建类高校的实践教学中几乎无法开设或实践效果不理想。利用桩基虚拟施工仿真实训模块，可以让学生全员参与、全天候且全过程跟踪学习，通过实训模式的构建与优化，能有效提升学生的专业技能和课程的教学效果，为培养具有创新精神和实践能力的应用型专业人才，提供了便捷的途径。