基于虚拟仿真技术的土木工程施工实践教学改革与探讨

陈佳 邓曦 田静

摘 要：随着现代信息技术的发展，虚拟仿真技术已是推动高校教育信息化的重要抓手。本文首先结合防灾科技学院土木工程施工实习存在的问题，分析了虚拟仿真技术在土木工程施工实践教学中应用的必要性;其次从教学管理、教学资源库、师生交流学习、智能评价四个模块构建了虚拟仿真实践教学平台;最后从明确教学任务;分组;熟悉施工工艺原理，操作工具、材料及程序;学生利用软件模拟施工操作;针对存在问题进行小组讨论并总结;撰写报告及成绩评定;教学反思七步分析了如何实施虚拟仿真教学。虚拟仿真教学以其高效、低成本、内容丰富、性能有效和安全等优势应用于土木工程施工实习，较好地实现“教、学、做”一体化，有利于提高教学效果。

关键词：土木工程施工;实践教学;虚拟仿真技术

中图分类号：G4 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.35.079

0 引言

教育部颁发《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》中提出以教育信息化带动教育现代化，是我国教育事业发展的战略选择，大力推进信息机技术与教育融合，促进创新教育模式的改革。同时，习近平主席在致首届国际教育信息化大会（2015年）的贺信中也提到“积极推动信息技术与教育融合创新发展”，“坚持不懈推进教育信息化，努力以信息化为手段扩大优质教育资源覆盖面”。由此可见，将教学信息化作为主要手段，探索将信息技术与教学融合，既有良好的政策环境又符合时代对教育改革的要求。虚拟仿真教学是信息技术与教学有效融合的产物，是教育信息化建设的重要内容。虚拟仿真实践教学将课程内容全面、生动地展示给学生，增强学生的融入感，提升其学习兴趣及动手能力，已成为实践教学改革的必然趋势。文献分析了虚拟仿真技术在施工技术教学中的应用，但未给出具体如何实施。许慧从工程管理专业教学信息化平台建设出发，从施工技术和项目管理实践两个角度分析了虚拟仿真实践教学的应用。胡振华主要对土木工程试验中如何有效应用虚拟仿真技术做了分析。由此可见，虽然目前已有大量文献研究虚拟仿真教学，但仍处于初级阶段，对于虚拟仿真实践平台的内容及如何在教学中实施研究较少。

1 虚拟仿真技术在土木工程施工实践教学中应用的必要性

新常态下，应用型本科院校教学质量的优劣更多体现在学生动手、实践和创新能力，而这些能力是通过学校的各项实训、实习中培养的，也是职业能力的基础。实践教学作为培养学生实践能力、职业能力及创造思维等专业培养目标的重要教学手段，也是学生接触工程实际、获得工程师基本训练的重要环节，能否达到预期实习效果对于学生掌握相关专业知识和技能具有重要影响。

土木工程施工实习是我校工程管理和土木工程专业必修的一门实践课程，学生需要在工地完成三周的施工现场实习，包括熟悉图纸内容、施工工艺、质量与安全管理等内容，即通过实践实现知识向能力的转化。但是，在实际的教学中存在以下问题：（1）由于现场安全隐患因素多，满足实习条件的工地较少;（2）实习时间较短，且受到气候、政策检查等因素的制约，学生难以对不同类型、不同技术要求的项目施工全过程学习;（3）施工实习全部在现场完成，师生在现场的吃喝住等问题需要解决，实习成本较高;（4）施工现场工期紧张、任务繁重，校外指导教师很难全程指导，校内教师又缺乏工程实践经验且指导学生数量过多，实习效果不够理想;（5）教学过程中往往通过日志、报告、答辩等形式综合评定，缺乏过程考核。因此，对于如何解决上述问题，提高实践教学效果已经成为我校教师需要解决的迫在眉睫的问题。

2018年《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》指出虚拟仿真实验教学项目是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。虚拟仿技术能够实现真实物体的相关信息进行还原，具有形象、生动、直观、高效的特点。土木工程施工仿真实践教学可以整合现有的土木工程施工前沿技术、各种结构类型、各种施工技术的素材库，打破现有实践教学模式，解决传统教学中存在的各种问题。不仅扩充了专业课程信息量，也使得课程内容直观全面、生动有趣，较好地提高了学生对课程的兴趣并提升学生对知识的理解度，现已成为实践教学补充的重要手段。

2 土木工程施工虚拟仿真实践教学平台的构建

土木工程施工虚拟仿真教学平台以学生需求为出发点，以提高教学质量为目的，以培养学生职业能力为目标，以互联网、虚拟仿真技术等信息化手段为支撑，构建一个适合我校土木工程施工类课程的虚拟仿真教学平台。其包括教学管理、教学资源库、师生交流学习、智能评价四大模块，基本可以实现教学管理、虚拟教学与自主学习、师生交流、网上答疑、智能评价等功能。

（1）教学管理模块：主要进行系统管理和教学管理，包括对注册登记、权限设置、公告、课程设置、学习情况、教师和学生基本情况等管理。

（2）教学资源库模块：本模块是该平台的核心，需要建立一个资料丰富、方便查询、便于操作的资源库，以便于适应不同教学内容的要求。具体包括工艺视频、施工动画、课程视频、文字资料等。

（3）师生交流学习模块：能够实现师生之间、学生之间实现实时交互与协作。可以不同的身份进入虚拟情境中，观看和操作虚拟施工过程，获得亲身经历的体验，并可以相互讨论和相互协作学习。

（4）智能評价模块：通过此模块教师可以对学生学习的具体实施加以评价，也可以实现学生之间相互评价，以便更好地为教学管理提供服务。

3 虚拟仿真技术在土木工程施工实践教学中应用

为了使学生更好地掌握施工工艺及施工原理，并培养分析和解决工程实际问题的能力，在教学中采用虚实结合的方式，将工程实际与三维仿真系统建立统一对应关系。利用虚拟仿真技术在教学过程中的实施过程为：明确教学任务——分组——熟悉施工工艺原理，操作工具、材料及程序——学生利用软件模拟施工操作——针对存在问题进行小组讨论并总结——撰写报告及成绩评定——教学反思。

3.1 明确教学任务

在上课前，根据课程教学大纲和教学要求，教师采用任务驱动的方式开展教学工作，让学生明确教学目标及任务。

3.2 分组

为了更好地培养学生沟通及团队协作意识，本课程采用分组形式进行，一般以3人为一组，组内可以沟通交流，分享经验，组间可以形成竞争，相互点评。

3.3 熟悉施工工艺原理，操作工具、材料及程序

此过程可由学生根据资源库资料自行学习也可由教师讲解并演示工艺原理、实操流程、材料及机具的选取等。主要是根据仿真平台的内置资源进行工程实体虚拟环境学习，使学生有真正的操作感觉，有效提升学习兴趣。在此阶段，教师尽量不要强化教学重点、难点及操作注意事项，应由学生不断去探索与发掘。

3.4 学生利用软件模拟操作施工过程

在熟悉了基本原理及操作后，学生进入仿真环节，在没有任何提示的前提下学生亲自动手操作。在此过程中，学生可能会遇到一些问题，为了有效培养学生分析问题及解决问题的能力，先让组内同学通过查阅规范、标准等自行解决，解决不了的再由教师及时给予辅导。

3.5 针对存在问题进行小组讨论并总结

根据仿真过程中出现的理论或操作问题，每小组进行总结并发言。在此过程中，可以锻炼学生的言语表达能力、分析问题的能力。而这些问题往往是工程中常发生的，因此，通过真实体会现场存在的问题加深印象，便于记住以便后期工作过程中出现类似问题。在此过程中，教师可以针对学生所存在的问题进行讲授并加以强调，以帮助学生掌握相关内容。

3.6 撰写报告并成绩评定

经过小组讨论后，学生可以反复练习直到熟练掌握相关知识点。课后学生撰写实践报告，教师根据过程学习情况、仿真操作情况、发言及回答问题情况、教学互动情况、报告撰写情况进行综合评定成绩。

3.7 教学反思

课后教师应针对教学过程中存在的问题和教学效果进行总结和反思，并形成改进方案。为了有效推进虚拟仿真实践教学改革，在教学运行一个周期后，教师应根据学生的反馈，及时调整实施方案，并对相关资源进行完善和补充，以保证其实施效果。

4 结论

虚拟仿真实践教学在土木工程施工中的应用是实现教育信息化工作的基本手段，符合教育改革的需求。同时，虚拟仿真实践教学也克服了传统实践教学中存在的各种问题，并以其高效、低成本、内容丰富、性能有效和安全等优势应用于实践教学过程中，让学生感知和操作虚拟现实环境中的施工过程，较好地实现“教、学、做”一体化，帮助学生全面掌握所学知识。

参考文献

[1]張建云.仿真数字化技术在建筑施工工艺课程中的应用[J].中国多媒体与网络教学学报，2019，（2）.3-5.

[2]王浩.虚拟仿真技术在土工实验教学应用探索[J].智库时代，2019，（10）：208-226.

[3]杨春燕.BIM虚拟仿真技术在建筑工程施工技术教学中的应用[J].电子技术与软件工程，2017，（9）：150.

[4]许慧.虚拟仿真实践教学在工程管理专业人才培养中的应用研究[J].江苏科技信息，2018，（23）：28-30.

[5]胡振华.土木工程虚拟仿真实验教学中心建设与思考[J].实验技术与管理，2019，（10）：218-220.

[6]教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20180607_338713.html.