VR/AR虚拟仿真技术在土木工程实践教学中应用研究

摘要：传统的土木工程实践教学模式已不能满足信息化时代的步伐，本文将虚拟仿真技术与土木工程实践教学有机融合，以河北科师范学院土木工程专业实践教学培养为例，从实习模式改革、实验课程改革以及课程设计改革等三方面，深入分析了VR/AR虚拟仿真技术在土木工程实践教学中应用探索，并提出了有指导性的实施路径。本研究成果将有效为信息化土木工程实践教学改革提供借鉴。

关键词：AR/VR技术；土木工程；实践教学；创新应用

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验、实训、实习中培养的，也是职业能力的基础[1]。土木工程专业人才培养中，实践教学是非常重要的教学环节。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[2]。结合对河北省内普通高等院校土木工程类实践教学现状研究发现，多数院校土木工程实践教学依旧延续传统的教学模式，该教学模式由于过于单一，对教学的重点和难点解析欠佳，加之受财政等各方面因素影响实践教学资源不足等多种因素，导致实践教学无法达到预期的教学效果。因此提高实践教学效果已经成为广大土木工程类院校亟待解决的问题。

VR/AR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[3-4]。VR/AR技术应用于土木工程实践教学当中，势必将会带来前所未有的体验，同时将会滋生一种新型的教学模式和教学手段。本文以河北科技师范学院土木工程专业教学实践培养为例，展开深入研究。

1 AR/VR虚拟仿真技术应用现状

VR/AR技术作为新型的数字信息教学手段，在国教学实践中的应用依旧处于初步阶段，尚未进行大规模普及。谭春雷[1]将VR技术融入土木工程材料实验课程的应用研究中，取得了较好的教学效果。杨阳[2]、李岩等[3]共同研究了将BIM（Building Information Modeling）技术与VR技术有机结合共同应用于土木工程实践教学当中，有效提高了学生的学习效果。蒋亚龙[4]将VR/AR技术应用在土木工程教学实践中，实践验证发现其能够更好地弥补传统教学实践手段中存在的诸多问题，研究成果为国内土木工程教学实践的发展和创新提供新的思路与方法。

2 土木工程实践教学存在的问题

作为土木工程专业人才培养的高等院校，应顺应新时代、新形势、新目标的发展趋势，不断对实践教学模式进行革新和探索。河北科技师范学院作为河北省内土木工程应用型人才培养的高等院校，目前在土木工程教学实践当中尚存在以下不足。

2.1 工程类实践教学缺乏主动性

工程类实践诸如认识实习、施工实习类的实践教学，现阶段主要以学生参观为主，使得学生在整个实践当中很容易养成以贪玩为目的，走马观花的室外活动，丧失了学生发现问题、提出问题和解决问题的主管能动性的培养。再者土木工程类的工程实践场地以施工现场为主，受客观因素影响，有些较为危险的区域学生们无法进入现场进行学习，学生对该部分内容的理解只能停留在课本或者影视资料层面。

2.2 实验教学局限于教学资源和硬件条件

土木工程实验教学是一个理论结合实际的重要教学手段，但是在目前的实验教学当中主要是局限于实验室既有条件的影响。导致有些实验只能停留在影视资料或教师演示阶段，使得学生对理论知识点的认识上不够清晰。当前受各方面因素影响，实验室存在某些实验设备陈旧、实验仪器落后的问题，严重制约了实验教学的质量。

2.3 传统教学模式过度枯燥，师生间交互性不高

土木工程学科在教学实践中需要数学、力学和专业基础课等课程的支撑，但当前绝大多数老师在教授课程时主要依靠板书或者单一的播放课件，版面书写授课形式虽能让学生清楚地看到知识点，但也会使得授课过程中过于枯燥，学生学习效率大幅度降低，注意力不易集中在课堂上；而播放课件的授课形式会造成学生跟不上老师的上课进度，进而致使学生在思想上开小差。

3 VR/AR虚拟仿真技术在土木工程实践教学中应用的探索

3.1 VR/AR应用于土木工程实习教学的改革

利用虚拟现实技术建造实习周围场景、结构构件、材料品种等三维动态模型，并对动态立体模型进行虚拟装配，通过人机交互可视化的方式对施工方案进行补充和修改。同时可以利用虚拟技术提供方案和实际模型相结合的方式完成施工的全过程展示，并结合有限元分析，对结构和构件进行受力分析，实现对整个施工过程的动态演示和控制设计。也可以让学生通过观看虚拟现实场景发现问题，并根据自己所学的专业知识提出解决方案。

3.2 VR/AR应用于土木工程实验教学的改革

为提高虚拟现实实验平台的应用效率，需要对实验教学内容进行适当调整。关于设计性实验，可以在课堂教学中引入虚拟现实场景，一边展示，一边讲解，让学生直观感受建筑物结构的构件细节，如楼梯间构件细节。关于演示性实验，在课前就可以将实验发布于平台上供学生预习，既可以缩短教学实践的时间，也可以保证实验的安全性。关于综合性实验，除了实验操作步骤讲解外，还需要增加学生交互性操作讲解，保证每个学生都能掌握实验内容。学生若有不明白之处，可以随时进行回放，解决了部分学生有问题也不愿向老师请教的问题。

3.3 VR/AR应用于土木工程课程设计教学的改革

为摆脱传统课程设计的教学模式、适应行业发展，应采用数字化教学手段融入课程设计教学。在使用虚拟现实教学平台教学时，须以实际工程案例为背景，吸纳学生参与制作部分虚拟场景，增强课程交叉，提高教和学的效果。对学习成果的展示，从课程设计计算书的形式转化为三维模型的形式。学生以小组为单位，通过自主设计和计算，在虚拟教学系统中提交建筑的三维模型，作为自己的学习成果。这样可以避免学生照搬书本例题，促进学生充分思考，在虚拟系统中增强学生的求知欲。

参考文献：

[1]谭春雷，邓宇，崔李三，等.VR技术在土木工程材料实验课程中的应用效果[J].教育观察，2023，12（16）：91-94.

[2]杨阳，姚刚，沈鑫，等.基于VR和BIM技术的场景沉浸式土木工程施工课程建设[J].教育教学论坛，2020（07）：248-250.

[3]李岩.BIM与VR技术在土木工程施工教学过程中的探索与实践[J].黑龙江科学，2019，10（16）：142-143.

[4]蒋亚龙.VR/AR技术在土木工程教学实践中的应用[J].山西建筑，2021，47（24）：183-185.

基金项目：2022年度河北科技师范学院教学研究重点项目“VR/AR虚拟仿真技术在土木工程实践教学中应用的改革探索”