虚拟现实技术在建筑抗震设计课程教学中的应用探讨

贾冠华　刘宏　冀慧　曹瑞东　郭智峰

[摘 要]虚拟现实（VR）技术作为一种全新的虚拟仿真实验形式，可以加强虚拟实验的沉浸性、具象性和交互性，激发学生的学习兴趣，提高学生的实践创新能力。文章分析了VR技术在土木工程专业教学中的应用现状，探讨了VR仿真实验在建筑抗震设计课程中的应用模式。文章在采用模块化方法将建筑抗震设计课程的教学内容进行分类的基础上，探索并设计了VR实验项目群，同时提出VR实验在建筑抗震设计课程教学中的实施方法，为建筑抗震设计课程改革和土木工程专业结构类课程开展VR仿真实验提供借鉴。

[关键词]虚拟现实;虚拟仿真实验;建筑抗震设计;课程教学;模块化分类

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）05-0096-03

2019年10月教育部印发的《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》指出，课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定人才培养质量，强调要解决好教与学的模式创新问题，强化现代信息技术与教育教学深度融合，要在2019年至2021年内认定1500门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程。

随着计算机和信息技术的快速发展，专业课程教学全过程实时引入虚拟仿真技术已经可以实现。虚拟仿真技术成为解决部分因高成本、高危险、不可逆而无法开展的教学实践项目或大型综合训练项目的有效手段，可以充分调动学生课程学习和参与实验的主观能动性，显著提升学生的学习兴趣和潜能，增强学生解决复杂工程问题和创新创造的综合能力。

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR技术）是计算机技术融合多媒体技术、仿真技术、传感技术等，通过在视觉、听觉、触觉等感官上逼真模拟环境和场景，让使用者如同身临其境，是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的全新方式[1]。VR技术作为一种全新的虚拟仿真试验形式，因其特有的沉浸性、多感知性、交互性，必将对工程教育教学产生深远的影响。

一、虚拟仿真技术在土木工程专业实验平台建设中的应用现状

作为传统工科专业，土木工程具有综合性强、实践性强、与工程实际联系緊密的特点，但是土木工程专业实验和实践教学具有时空分布广、工程参与方多、危险性高等特点，导致实践教学成本极高、组织困难，使经费有限的院校在专业试验和实践教学方面达不到预期效果[2-3]。工程实践能力培养作为工程教育的重要内容，不仅是检验教育成效的关键性指标，更是“新工科”培养解决复杂工程问题和具备创新创业能力的迫切要求。因此，为解决土木工程传统理论教学与工程化培养之间的矛盾，实现理论教学与实践教学紧密结合，土木工程专业应立足于推动教育信息化在培养学生创新和实践能力方面的应用。

教育部分别于2013年、2017年分阶段开展了国家级虚拟仿真实验教学中心和示范性虚拟仿真实验教学项目的建设工作。到2019年，土木类国家级虚拟仿真实验教学中心有9个，获批的土木类示范性虚拟仿真实验教学项目达到13项。

现代计算机信息技术在软硬件上的快速发展，已经逐渐被应用到建筑教育等行业，包括建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）等技术。其中BIM、GIS技术已趋于成熟，在建筑、交通行业被推广应用，并在土木工程教学过程中被广泛研究。将BIM技术与VR技术融合，VR技术可以增强BIM应用效果，加强可视性和具象性，同时通过虚拟展示和交互操作，可以让静态知识转化为动态的、可操作的知识，为学习者提供沉浸式体验，激发学生的求知欲。但是VR技术仍然处于起步阶段，尤其是在教育领域，局限于课程类型的差异，VR技术的应用有其自身的特点。

二、VR技术在土木工程教学中的应用现状

相比发展较为成熟的BIM仿真技术，VR技术在土木工程专业教学中的应用很少，目前的研究主要是针对课程特点和教学内容进行可行性探索，仍未大量应用于课堂教学。

陆海燕、鲍文博、王海军等[4-5]自主开发了土建类专业BIM与VR仿真教学平台，并探索与实践了BIM与VR在CAD课程和土木工程施工课程中的创新教学模式。袁杰、赵倩怡、童华炜等[6]同样将VR技术与土木工程施工教学相结合，以脚手架施工为例设计虚拟场景，并进行了教学实践。鉴于VR技术在物理、化学等基础课程实验教学中已经有应用案例，李志新、徐开东、王继娜等[7]对VR技术在建筑材料实验教学中的应用进行了有益探索。此外，王培涛、任奋华、蔡美峰[8]创建了VR技术和 3D 打印技术 “虚实结合”的教学模式与平台，并将其应用于岩土工程课程教学中。VR技术在土木工程课程教学中的探索实践表明，基于VR技术的虚拟仿真平台可以解决学生现场实验或实习面临的实习资源短缺、高成本、高风险和长周期等不利问题，能够激发学生的学习兴趣，提高学生的实践创新能力，促进师生间的良性互动，是新工科建设背景下土木工程教学改革的新突破。

VR技术在土木工程教学中的应用目前主要偏向于实践性较强的施工类课程，在其他专业课程尤其是结构设计类课程的教学应用中尚处于起步阶段。鲁正、龚依捷、周颖等[9]将虚拟仿真技术应用于建筑结构抗震课程教学，提出基于虚拟实验的土木类专业课教育改革思路，但是该虚拟仿真实践仍然停留在试验演示阶段，交互性和用户体验有待提高。由此可见，基于VR技术的土木工程结构设计类课程的教学模式探索势在必行。

三、基于VR技术进行建筑抗震设计课程教学改革的必要性

建筑抗震设计课程是土木工程专业建筑工程方向的一门必修课，一般院校在大学四年级第七学期开设。该课程以工程地震知识和结构动力学为基础，结合试验研究和震害经验，以抗震设计的基本概念和方法为重点，综合了土木工程专业建筑工程方向所有的专业基础课，对学生学习提出较高的要求，具有很强的综合性。本课程的教学目标是使学生了解建筑结构在地震作用下的反应，掌握建筑结构抗震设计的基本原则，能够进行建筑结构地震作用和效应的计算、抗震承载力和变形的验算，掌握不同结构的抗震构造措施，使学生具备解决工程结构防灾减灾的素质、解决工程抗震设计和施工等方面问题的能力。

目前该课程主要以传统的讲授式教学模式（ lecture based learning，LBL） 为主，学生被动接受教师讲课内容，参与度很低，属于传统的“填鸭式”教育。在传统模式下，由于地震属于自然灾害，教师无法创造有效的实体体验模型，学生对地震的认识只能从教师准备的PPT、视频和口述中得到粗浅的认识，而不能从切身体验中得到全方位的感知;而学生在掌握了抗震的基础知识和计算方法后，对不同结构类型的建筑进行抗震设计，但是设计的结果是否能满足建筑抗震要求，无法第一时间得到证实，如果不满足抗震要求会导致何种严重后果，也无法进行个性化的展示。因此，为了提高建筑抗震设计课程的教学质量，有必要对课程的教学模式进行改革，真正将学生的理论学习与实践学习相结合，将学生静态知识转化为动态可操作性知识，激发学生的求知欲，提高学生解决复杂工程问题的能力。

将先进的仿真模拟技术、多媒体技术、信息化技术引入建筑抗震设计课程教学，构建一种多感知、可交互、沉浸式的虚拟现实教学模式，可以让学生通过虚拟现实感知地震对建构筑物的震害影响，更加深刻理解建筑抗震设计对工程结构安全的重要性。

四、VR技术在建筑抗震设计课程教学中的应用方法探索

本文尝试以VR技术为基础，通过对建筑抗震设计课程中的知识点类型和知识点的重要性进行模块化归类，研究如何将课程各章节抽丝剥茧地分析后獲得适宜开展VR试验的教学内容，以此探索VR技术在建筑抗震设计课程全过程教学中实现的可能性。

（一）建筑抗震设计课程教学内容模块化分类

山西大学土木工程专业建筑抗震设计课程的主要教学内容、学时和教学方式安排见表1所示。

以VR实验平台建设为基础，根据建筑抗震设计课程教学内容和教学大纲，对建筑抗震设计教学内容进行分类。如图1所示，建筑抗震设计分为四个模块。1.认知型模块：主要指课程涉及的基本概念，包括地震的成因、地震波传播特征、震级与烈度、建（构）筑物的震害特征、场地及其震害特征等。2.解析型模块：主要指教学内容中的基本计算理论，包括场地类别的划分、液化场地的判别、地震作用的计算方法等。3.深化型模块：主要指具体建筑物的结构抗震设计方法与抗震构造要求，包括混凝土结构、钢结构、砌体结构、隔振与消能减震等具体的抗震设计方法。4.综合型模块，主要是指完成建筑抗震设计课程学习之后，在大四第二学期的毕业实习和毕业设计中将会综合性地应用本课程的学习内容，为此设立该综合模块为后续环节提供前期指导;同时该模块将VR实验群整合，为低年级学生的认识实习、生产实习等实践环节提供平台，让低年级学生更早认识与理解抗震设计在整个建筑设计阶段的重要性，为将来进入高年级专业课学习奠定感性认识基础，增强学生的专业自豪感。通过课程模块化划分，实现了课程内容的分解，达到提炼并设计VR实验教学内容的目标。

（二）构建建筑抗震设计课程VR实验项目群

以课程模块化分类为基础，提炼实现VR实验教学的内容，构建建筑抗震设计课程VR实验项目群。

针对认知型模块，将VR技术软件与多媒体技术相结合，建立以从地震及其成因到建筑震害为主线的虚拟现实体验式试验项目群，即建立“地震及其成因→地震波传播→地震对建筑和场地的破坏特征→地震烈度”的震害逻辑顺序综合虚拟场景，让学生对地震及其引起的震害有直观感受和认识。

针对深化型模块，将VR技术与有限元软件倒塌计算模型相匹配，建立不同结构类型的结构内部或局部在地震作用下的受力、变形和震损特征虚拟场景教学模块，即建立“建筑结构三维总体模型及倒塌模型→局部构件、节点，附属结构破坏受力、变形和破坏”虚拟场景，让学生从震害现象到破坏机理深刻理解各抗震设计内容和构造要求对建筑结构抗震性能的重要影响。

针对综合型模块，可以将认知型和深化型模块对应的试验项目群各试验内容设置参数变量与独立入口。针对大四学生毕业实习和毕业设计，可以通过设置不同的设计参数、变量体验场地和结构的抗震设计安全性，为毕业设计提供参考和依据;针对低年级学生，可以通过独立入口，比如仅体验认知型模块中的地震成因、结构震害等，以加强他们对专业的感性认识。

对于解析型模块，因涉及理论计算教学内容，不适宜也无法开设虚拟仿真实验教学。

（三）VR实验项目在建筑抗震设计课程教学中的实践与反馈

将建立的建筑抗震设计课程VR实验项目平台应用于教学，基于学生反馈，逐步完善VR实验教学方法和VR实验教学平台。

课程教学参照教学大纲，根据教学进度和内容，适当安排2～4学时，学生分小组运用VR实验平台在课堂中进行探索性学习。教学要以学生为主体，教师通过学生评价获取教学效果评级，同时对学生提出的意见进行课堂教学模式改进和VR实验平台改进。

针对认识实习、生产实习、毕业设计和毕业实习，根据教学大纲，每个实践环节安排1～2个VR试验项目，试验过程中同样收集学生反馈意见以改进实践教学模式和VR试验平台的用户体验性。

随着新工科和“一流本科”建设的推进，充分利用计算机和信息技术开展专业课程教学改革已势在必行。土木工程专业作为传统工科专业，产教融合在其人才培养过程中具有重要的作用。利用虚拟仿真技术，可以较好地解决实践教学中遇到的实际困难，但是基于VR技术的土木工程教学实验平台建设仍处于探索阶段。本文以建筑抗震设计课程教学改革为基础，尝试将VR技术引入教学过程并推广至其他实践环节，以改善土木工程结构设计类课程枯燥的教学模式，增强学生的学习兴趣和参与度，提高学生解决复杂工程问题的能力，这对本校土木工程专业课程建设和人才培养改革具有重要意义。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 梁彩花.浅谈虚拟现实技术对连锁经营管理专业教学的影响[J].教育理论与实践，2018（24）：50-51.

[2] 徐伟杰，徐明，郭彤，等.“金课”背景下土木类虚拟仿真实验教学发展趋势：基于2018年国家虚拟仿真实验教学项目共享平台公示数据[J].高等建筑教育，2020（1）：74-85.

[3] 刘娟，白雪卫.虚拟现实技术在土木工程专业实习中的应用探索研究[J].大学教育，2017（6）：27-28.

[4] 陆海燕，鲍文博，宁宝宽，等.BIM与VR技术在土木工程施工教学改革中的探索与实践[J].高等建筑教育，2018（5）：127-131.

[5] 陆海燕，鲍文博，王海军，等.基于BIM与VR技术的土木工程CAD教学模式实践探讨[J].土木建筑工程信息技术， 2017（4）：62-66.

[6] 袁杰，赵倩怡，童华炜，等.基于VR的土木工程施工课程改革与实践[J].高等工程教育研究，2019（3）：99-101，129.

[7] 李志新，徐开东，王继娜，等.VR技术在建筑材料实验教学中的应用探讨[J].内江科技，2018（6）：56-57.

[8] 王培涛，任奋华，蔡美峰.基于虚拟现实和3D打印技术的“虚实结合”教学模式在岩土工程课程中的应用探索[J].高等建筑教育，2020（1）：156-161.

[9] 鲁正，龚依捷，周颖，等.虚拟实验在建筑结构抗震课程教学中的应用[J].高等建筑教育，2019（2）：106-111.

[责任编辑：钟 岚]