虚拟仿真在土木工程施工PBL教学改革中的应用

魏明汉

（中原工学院 建筑工程学院，河南郑州 450007）

土木工程施工是土建类专业的一门核心课，主要讲授土木工程中的各种施工技术和施工组织设计等内容，是一门实践性极强的课程[1][2]。受教学手段限制，在课程的日常教学中，教师无法为学生提供真实的工程环境与实践，只能将实践性极强的内容以理论的形式讲授，脱离了工程实际，导致教学过程较为枯燥，不能有效地培养学生的工程能力[3]。

虚拟仿真技术应用到教育行业后，推进了教学体系、教学方法的改革，为土木工程施工的教学提供了新的技术手段[4]。中原工学院力学与工程结构虚拟仿真实验教学中心是河南省高等学校首批虚拟仿真实验教学中心，具有虚拟力学试验、土木工程虚拟施工工艺及建筑工程VR 安全培训体验等多个土建类相关虚拟仿真实验系统[5]，为相关课程的教学提供了新的教学手段，有利于突破现有教学模式的束缚、提升教学质量。针对土木工程施工课程存在的不足，探讨虚拟仿真在本课程中的应用。

1 土木工程施工教学现状

土木工程施工主要讲授土木工程材料、施工技术和施工组织设计等内容，其教学目标是使学生理解和掌握土木工程施工的基本技术和原理等内容。土木工程的实践性在本课程中表现得尤为明显，课程中有大量的施工技术、过程、机械等相关内容。教材通常采用文字描述结合图片、示意图等对内容加以展示，教师则在教材的基础上增加现场图片、施工视频等为学生进行更加真实、具体的讲授，以期能更好地讲解课程内容。本课程的教学存在有以下问题：

（1）教学理论性强、实践性弱。土木工程施工是各种施工技术的综合体，具有极强的实践性，其教学重点实际就是各种施工技术。但由于教材编写、授课方法等原因，导致教学中存在很多理论性的内容。同时，对于施工工艺、施工机械或技术，即便采用图片、动画或者视频等手段进行讲解，仍然缺乏直观体验，难以被深入理解。施工机械的性能和操作过程等没有实际操作更是难以讲授、传递、理解和掌握。这样脱离实际的讲授过程很难吸引学生的学习兴趣。目前本科院校的学生没有大量时间深入现场获取施工过程的直接体验。

（2）教材内容滞后。我国施工技术发展飞快，而教材内容的更新换代则相对缓慢。通常教材会选用较为成熟、常见的施工内容，再经过审核等过程，导致教材里讲授的技术落后于不断发展的施工技术，降低了学生的学习兴趣。

（3）传统教学方法脱离工程。尽管主要讲授的是各种各样的施工技术，但本课程目前基本还是采用教材＋PPT 讲授的方法。受学生安全、课程学时等条件约束，现场观摩学习虽然有较好的学习效果，但难以实施。

（4）土木工程专业一般开设实习环节，但土木工程现场实习存在安全隐患多、成本较高、制约条件较多、时间较短难以参与各类工程等问题，对培养学生的实践能力虽有帮助，但不能根本性地解决问题。

通过以上分析可以发现，传统的教学方法不利于学生深刻理解施工技术，更不利于培养学生解决复杂土木工程问题的能力，很难达成面向产出的课程教学目标，难以培养具备解决工程实际问题能力的土木工程专业人才。

2 虚拟仿真技术的优势

虚拟仿真即虚拟现实技术，其利用计算机技术形成数字化虚拟环境，用户可以在该虚拟环境中进行活动、获取相应的体验与感受[6]。基于计算机技术的快速发展，虚拟仿真技术目前已较为逼真，用户能够获取接近于真实的体验与感受[7]。虚拟仿真实验平台是采用虚拟仿真技术构建的具有相应物理环境及行为感知的虚拟空间，突破了传统实验的场地、设备等限制，可以有效地弥补实验设备不足、不能现场观摩等传统教学方式的不足，满足学生对知识的验证、强化和创新等多方面的需求。

土木工程施工仿真实验平台可以模拟现有土木工程的各类施工过程、各种建筑结构和机械的操作等，为学生提供了一个接近真实工程的虚拟环境，是一种创新性的教学手段，可突破现有教学模式，解决土木工程施工课程中的多项问题[8，9]。将虚拟仿真实验平台引入到本课程的教学过程中，可以扩充课程内容，为学生提供前沿施工技术，可以使学生身临其境、教学过程生动有趣，能极大地提升学生的学习兴趣，培养学生的实践能力、解决复杂工程问题的能力[10，11]。同时虚拟仿真还具有安全、可重复、学习比较灵活等优点[12]。

3 教学模式

土木工程施工课程实践性强而理论性弱，但受教学模式的制约，在传统课堂教学中较为注重理论知识，学生实践能力不能得到较好的锻炼[13]。基于此，设计了基于PBL 教学理念的结合虚拟仿真实验平台的教学模式。采用该教学模式讲授本课程时，首先为学生设置一个工程问题，如开挖一个基坑、搭建一个工业厂房等。学生则通过教材初步学习、理解解决该工程问题所需的各项技术、操作、计算等，然后通过虚拟仿真实验平台完成该工程问题[14]。在完成该问题的过程中，通过与工程施工基本一致的虚拟过程，理解并掌握各种施工技术[15，16]。该教学模式的主要内容和特点有以下几个方面。

（1）重构教学内容、精心设计工程问题。

与其他各课程的教材一样，土木工程施工的教材各章节之间逻辑关系清晰、结构严谨，编排比较适合传统教学模式，内容依次进行，完成全部知识的传授。但采用PBL 教学法后，讲授内容围绕各个工程问题展开，着重提升学生解决工程问题的知识与能力，因此讲授内容与顺序有可能会与教材不一致，甚至部分内容缺失。因此，本教学模式的第一步就是要重构教学内容，将各章节的教学内容分配至各工程问题之中。同时精心选取、设计工程问题，进行典型化处理，所有的工程问题能够涵盖课程的全部知识点且尽量不重复。同时，使各个工程问题都要具有代表性，既要将课程的基本理论融入案例，又要根据教学目标设计不同的侧重点。课前教学应提前告知学生将要分析的工程问题，让学生充分地理解工程问题的背景知识，理解解决该工程问题需要的理论知识，并给学生提供相关资料，引导学生进行课前探讨。

（2）工程问题贯穿课堂。

传统课堂教学一般按照课程回顾-知识讲解-知识应用的顺序讲解，土木工程施工课程采用传统教学方法时受限于教学手段，往往会偏理论、弱实践，或者将实践性的施工技术以理论知识的形式向学生展示，导致学生学习的积极性不高。基于PBL 的教学模式则直接从工程问题出发，按照提出工程问题-分析解决办法或者步骤-虚拟仿真平台解决工程问题的顺序展开教学，所有的教学环节均基于工程问题展开。这种教学模式，可以使学生具有一个明确的、可操作的工程问题，在这个工程问题的导向下一步步吸取所需知识，激发学生学习热情，提高学习效果。

（3）内容更新换代快。

教材往往更新换代较慢，跟不上土木工程施工技术的发展速度，导致教材讲授的内容经常落后于时代。采用虚拟仿真实验平台之后，可以利用软件的可更新性，更新落后技术，增加先进技术，使学生能够掌握较为先进的施工技术。

4 教学实践与反馈

土木工程施工课程课时少、内容多，采用PBL 教学模式后学时更为有限，只有对教学内容精心设计、对学时合理分配，才能在有限的时间内完成教学任务。根据知识点的重要程度，在课堂教学中应优先讲解重要的及难度较高的知识点，减少次要、难度低的知识点的讲解，或交由学生在解决问题的过程中自行掌握。

土木工程施工一般有以下章节：土方工程、基础工程、砌体工程、混凝土结构工程、预应力混凝土工程、结构安装工程、防水工程、装饰工程等。从施工角度来讲，这些章节可以分为土方工程、基础工程、砌体工程、混凝土工程、安装工程、防水与装饰六大部分，其中前四个为重点内容，后两个为次重点内容。这六大部分内容均可利用PBL 教学法并结合虚拟仿真实验平台展开教学。同时根据内容多少，某一部分内容又分为若干个工程问题分布学习，比如混凝土结构工程。以土方工程为例，教学实践可按照以下步骤展开：

（1）课前导学。在课上告知学生将要讲授的内容及工程问题，为学生列出解决该工程问题所需的步骤，学生按照步骤提前预习、查资料等。同时指出重点内容与非重点内容，要求学生自行掌握简单知识，如土的工程分类和基本性质。

（2）在课堂上，利用部分时间，按照解决该工程问题的步骤逐步讲解各知识点，如土方量计算与调配、准备工作、开挖与回填。然后剩余时间让学生利用虚拟实验平台进行该工程的模拟，在模拟的过程中吸收、理解、掌握各项知识，培养学生的工程实践能力、分析和解决问题的能力。

（3）在学生完成模拟后，收集学生遇到的问题，并引导学生展开讨论，分析问题并提出解决办法，之后再次进行模拟，解决初次模拟中遇见的各项问题。

2021年春季学期，在我院2019 级城市地下空间工程专业的土木工程施工课程中尝试采用了该教学模式，教学效果显著提高。在课堂上学生受工程问题驱动，学习热情明显提高。同时学生对虚拟仿真平台接受程度也较高，认为虽有瑕疵，但比较接近工程实际问题，弥补了不能去现场的缺陷。为了解该教学模式的教学效果，对学生进行了问卷调查。根据问卷调查结果，大部分学生认为基于PBL 的教学模式学习目标明确、虚拟仿真平台提供了工程实践机会，学生积极性极大提高。

5 结语

土木工程施工课程实践性强，但受限于传统教学方法，不能提供实践机会，不能有效地培养学生的实践能力。采用PBL 教学法，结合虚拟仿真实验平台，进行课程教学改革，通过重构教学内容、精心设计工程问题，利用虚拟仿真实验平台模拟解决工程问题，引导学生在实践中学习，激发了学生的学习热情，有效提升了教学效果。该教学模式的应用还需要注意：工程问题对教学内容的覆盖情况、虚拟仿真过程的考核等问题。