VR技術在土木工程教學的應用

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摘要：基于vr技術在我國高校土木工程專業教學領域的建設與應用現狀，從研究探索、應用推廣及網絡共享三個主要階段，系統闡述了VR技術在土木工程專業教學領域的發展歷程，指出目前VR技術形成了高校數量多、課程范圍廣、項目效果好、資源云共享的應用現狀，解決了傳統實驗課程存在的部分問題，激發了學生學習興趣、提升了教學質量、實現了教育公平，取得了良好的教學效果。但VR技術的應用存在部分專業建設薄弱、部分課程重復建設、部分實驗亟須完善等問題，隨著技術的完善以及應用場景的增多，這些問題終將迎刃而解，VR技術終將在我國高校土木工程專業教學領域具有重要的參考價值和廣闊的應用前景。

關鍵詞：VR技術；土木工程專業；虛擬仿真；實驗教學；云平臺

VR技術是涵蓋了計算機圖形學、仿真、多媒體與人工智能等多種技術，可模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感官功能的計算機高級人機交互技術，具有多感知性、浸沒性、交互性、可控性等特點[1]，在教育、軍事等領域獲得了廣泛的應用。土木工程專業所開設的各種實踐課程存在風險大、成本高、周期長等問題，VR技術的多感知性、交互性和可控性等特點在解決這些問題上具有天然的優勢。本文基于VR技術在我國高校土木工程專業教學領域的建設與應用現狀，從研究探索、應用推廣及網絡共享三個主要階段，系統闡述了VR技術在土木工程專業教學領域的發展歷程。

1VR技術在土木工程專業教學的研究探索階段

21世紀初，土木工程專業教學實驗成本高、風險大等問題日益突出，國內部分高校嘗試將VR技術和土木工程實驗教學相結合，開發出適用于土木工程教學的虛擬仿真實驗項目。2008年，江西理工大學嘗試將VR技術融入土木工程實踐教學領域，并于2017年開發出一套“組合結構構件力學性能虛擬仿真實驗”系統[2]。2011年，寧夏大學開始研究探索VR技術在土木工程專業實驗教學當中的應用，建立“新工科背景下土木工程施工技術虛擬仿真及VR模擬實驗室”；同年，大連大學展開VR技術在土木工程專業路橋方向實驗教學應用研究，對橋梁質量檢測及荷載測定存在的高風險等問題，利用Unity3D等工具，開發出了一套“橋梁檢測及荷載試驗虛擬仿真實驗”；2012年前后，山東建筑大學、蘭州理工大學、北京工業大學等高校開展了VR技術在混凝土結構設計原理等方面的教學應用研究[3-6]。

2VR技術在土木工程專業教學的應用推廣階段

經過多年的探索實踐，教育部以“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”為指導思想，2014年~2015年間在全國范圍內建立了兩批國家級虛擬仿真實驗教學中心，在東南大學、長沙理工大學、同濟大學等高校設立了“土木工程虛擬仿真實驗教學中心”、“公路交通虛擬仿真實驗教學中心”等8個國家級虛擬仿真實驗教學中心，VR技術在土木工程專業教學領域進入了應用推廣階段，在課內、外實驗課程中得到了廣泛應用，取得了良好的效果[7]。

2.1課內實驗課

2.1.1專業基礎類在土木工程專業基礎課程中，VR技術主要應用在力學類、材料類與結構設計類課程當中。其中，力學類課程主要有《土力學》；材料類課程主要有《土木工程材料》和《工程地質學》；結構設計類課程主要有《混凝土結構設計原理》和《鋼結構》。2015~2018年，西南交通大學等高校利用VR技術圍繞《土力學》中的超重力離心模擬實驗、三軸試驗等開展了虛擬仿真實驗教學，在保證實驗真實性的前提下，解決了此類實驗工期長、風險高的問題[3、8]。2015年前后，青島理工大學利用VR技術，針對《土木工程材料》多種環境下混凝土劣化實驗開發了虛擬仿真實驗平臺，還原了現實環境中混凝土劣化的全過程[9]。2014~2018年間，山東建筑大學等高校分別實現了VR技術在混凝土結構設計類課程方面的應用，主要針對受彎構件承載力試驗等開發了虛擬仿真實驗平臺，精準還原了鋼筋混凝土結構的各種受力與變形過程[3、6]。2016~2018年，上海大學等高校實現了VR技術在鋼結構類課程教學當中的應用，涉及半剛性鋼框架擬靜力實驗等課內實驗，學生通過虛擬仿真實驗平臺可進行鋼結構建筑的搭建以及結構相關系數的測量[3]。對于土木工程專業一些特殊結構實驗課程，VR技術的投入使用也取得了好的成效。2017年，江西理工大學將VR技術應用于《組合結構設計原理》教學當中，首次開發了FRP復合梁受彎實驗的虛擬仿真實驗平臺[10]。2018年，南京航空航天大學將VR技術應用到《結構風工程》教學當中，呈現了建筑物在風荷載作用下的測壓、測振、測力的虛擬實驗過程[3]。2.1.2專業課程類在土木工程專業課程中，VR技術主要應用于給排水工程、巖土工程、建筑工程、交通工程、地下工程。其中，給排水工程課程主要包括《水質工程學》和《人工濕地污水處理理論與技術》；巖土工程課程主要包括《巖石力學與工程》和《巖石工程原位測試技術》；建筑工程課程主要包括《裝配式建筑》和《建筑施工》等；交通工程課程主要包括《路基路面工程》和《橋梁工程》等；地下工程課程主要包括《隧道工程》和《地下工程》等。在給排水工程方向，2017~2018年，青島理工大學和廣州大學分別將虛擬現實技術與水廠設計和水處理凝血實驗教學相結合，開發了相應的虛擬仿真實驗教學平臺。以VR的形式展現了水廠的選址、水廠平面與高程的布置、水處理與混凝過程以及各種參數的變化[3]。在巖土工程方向，2017年，河南工業大學將VR技術與《巖土工程原位測試技術》實驗教學相結合，利用VR技術進行靜力觸探實驗。2019年，武漢大學將VR技術與《巖石力學與工程》實驗教學相結合，利用VR技術進行隧道開挖三維地質力學模型試驗虛擬仿真實驗，展示了模型制作、加載、開挖、超載、失效、數據分析的完整過程[3]。在建筑工程方向，2012年，寧夏大學將VR技術與《土木工程施工》當中的鉆孔灌注樁施工實驗等實驗相結合，首次建成國內建筑施工教學的虛擬仿真實驗[3]。2016年，河南工業大學將VR技術與《糧倉建筑與結構》教學相結合，幫助學生在虛擬仿真空間當中完成園區的設計、建造和運營[11]。2018年，蘭州理工大學針對《工程質量事故分析與處理》的建筑物糾傾實驗，引入VR技術開發出了相應虛擬仿真實驗平臺，真實呈現了建筑物因濕陷、鹽脹而傾斜的現象[3]。在交通工程方向，2012年，大連大學把VR技術和《橋梁工程》的橋梁檢測與荷載實驗教學結合到一起，開發了國內第一批交通工程類虛擬仿真實驗平臺。交通工程課程主要包括橋梁類課程和道路類課程。2015~2018年期間，河北工業大學等高校先后將VR技術運用到橋梁類課程教學當中，涉及《橋梁工程》《大跨空間結構》等課程的課內課后實驗教學，包括索結構預應力設計施工實驗等[3]。2016~2017年期間，長沙理工大學等高校先后將VR技術運用到道路類課程教學當中，涉及《路基路面工程》和《道路勘測設計》的課內課后實驗教學，包括攪拌站實驗等實驗，幫助學生掌握了道路建造過程中材料生產、材料穩定性控制的要點[3]。在地下工程方向，2015~2018年，西華大學等高校分別將VR技術與地下工程方向隧道施工類課程實驗教學相結合，對應課程《隧道工程》《地下工程》，包括隧道爆破施工實驗、高地應力深埋軟巖洞室開挖及支護實驗、隧道火災現場試驗及隧道施工實驗等，克服了隧道類實驗難開展、不可逆的弊端[3]。

2.2單獨實驗課

2.2.1基礎單獨實驗課近年，南昌大學、天津工業大學等高校建成虛擬仿真物理實驗室，建立了力、熱、電、光、磁等30多個實驗項目的虛擬仿真實驗，例如示波器實驗、邁克爾遜干涉儀實驗、多用表改裝實驗等。在虛擬仿真實驗過程中，學生根據系統指示進行操作，系統自動進行數據記錄匯總，大大節省了實驗材料和相應儀器維護成本，并且提高了《大學物理實驗》的教學效率[12]。2.2.2專業單獨實驗課2015年起，部分高校建成了土木工程專業單獨實驗課虛擬仿真實驗平臺。2015~2018年，西南交通大學等高校分別將VR技術應用到結構測試類實驗課教學當中，典型實驗有鋼筋混凝土樓蓋承載破壞實驗等，虛擬仿真實驗平臺將結構所受荷載大小與變形情況同步展現出來；也將建筑結構因地震或承受荷載而導致的形變呈現在學生面前，激發了學生對結構受力變形的研究興趣[3]。2015~2019年，河北大學等高校成功將VR技術應用到結構設計類實驗課教學當中，涉及隧道設計和施工實驗等，在虛擬情景中實現對理論知識的運用，達到了實驗教學的根本目的[3]。高校在安全與現實的前提下，利用VR技術建立了各種虛擬仿真實驗平臺，鞏固了學生對理論知識的認知。VR技術在土木工程專業教學中的不斷推廣和應用，提升了一些高校在新工科背景下的土木工程教學質量，為VR技術進入網絡共享階段奠定了堅實的資源基礎。

3VR技術在土木工程專業教學的網絡共享階段

近幾年，國內外涌現出云平臺、5G等一系列新興技術，云平臺是通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需資源的一種服務技術，該技術鑄就了虛擬仿真教學的網絡共享平臺[13]。VR技術和網絡共享技術的融合，助力了VR技術在高校教學中的應用逐漸步入到了網絡共享階段。2017年，隨著我國虛擬現實技術教學項目的不斷出現，教育部選擇示范虛擬仿真項目，基于道德培養的基本任務，建立了虛擬仿真實驗教學課程共享平臺：。虛擬仿真實驗教學共享平臺對國內各高校開放服務，截至2021年4月30日，該網絡平臺已收納包括法學類、土木類等41類專業共2079個虛擬仿真實驗項目。土木工程專業是工科類高校的重點專業，平臺收錄此專業課內實驗課、單獨實驗課等共計119項。網絡共享平臺的建設不僅促進了科技教學的發展，而且實現了社會資源的共享，帶動了國內普通高校教學方法的創新和教學水平的提高[15,16]。

4結語

（1）在研究探索階段，部分工科院校針對土木工程專業實驗教學當中存在的風險大、成本高、周期長等缺點，以《土木工程施工》《橋梁工程》等實踐性較強的課程為例，利用VR技術，運用Unity3D創作開發引擎等工具，初步建成了相關實驗課程的虛擬仿真平臺，開創了一種新的教學模式。（2）在應用推廣階段，VR技術在土木工程課內實驗課和單獨實驗課當中得到了廣泛應用，并具有以下特點：①應用高校數量多，截至目前，我國有100余所高校相繼開發出了土木工程專業各課程的虛擬仿真實驗教學項目共約119項；②應用課程范圍廣，包括專業基礎類、專業課程類、基礎單獨實驗課等約77門課程；③應用項目效果好，各項目在實施過程中，解決了傳統實驗課程存在的一些問題，激發了學生的學習興趣、提高了學生的參與程度，取得了良好的教學效果。（3）在網絡共享階段，教育部利用云平臺等技術創建了國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺，標志著高校利用VR技術開展教學進入了一個新的階段，共享平臺的建設與使用，避免了各高校虛擬仿真平臺的重復性建設，改變了各高校教學資源分配不均衡的現狀，在一定程度上帶動了各高校教學質量的提升，實現了教育資源的共享。（4）目前，我國高校在利用VR技術開展課程實驗教學中取得了豐富的研究成果，但還是存在部分專業建設薄弱、部分課程重復建設、部分實驗亟須完善的問題。各高校可依托國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺，共同建設，繼續完善，切實用好，讓VR技術真正為學校、專業和學生服務。

作者：王世鵬 桂勇 劉湘萍 熊定凱 田震 單位：贛南科技學院