VR技术在土木工程教学的应用

溯文斋 发表于2022-03-15 归属于工程论文 本文已影响 我要投稿 手机版

       

  摘要:基于VR技术在我国高校土木工程专业教学领域的建设与应用现状,从研究探索、应用推广及网络共享三个主要阶段,系统阐述了VR技术在土木工程专业教学领域的发展历程,指出目前VR技术形成了高校数量多、课程范围广、项目效果好、资源云共享的应用现状,解决了传统实验课程存在的部分问题,激发了学生学习兴趣、提升了教学质量、实现了教育公平,取得了良好的教学效果。但VR技术的应用存在部分专业建设薄弱、部分课程重复建设、部分实验亟须完善等问题,随着技术的完善以及应用场景的增多,这些问题终将迎刃而解,VR技术终将在我国高校土木工程专业教学领域具有重要的参考价值和广阔的应用前景。

  关键词:VR技术;土木工程专业;虚拟仿真;实验教学;云平台

  VR技术是涵盖了计算机图形学、仿真、多媒体与人工智能等多种技术,可模拟人的视觉、听觉、触觉等感官功能的计算机高级人机交互技术,具有多感知性、浸没性、交互性、可控性等特点[1],在教育、军事等领域获得了广泛的应用。土木工程专业所开设的各种实践课程存在风险大、成本高、周期长等问题,VR技术的多感知性、交互性和可控性等特点在解决这些问题上具有天然的优势。本文基于VR技术在我国高校土木工程专业教学领域的建设与应用现状,从研究探索、应用推广及网络共享三个主要阶段,系统阐述了VR技术在土木工程专业教学领域的发展历程。

  1VR技术在土木工程专业教学的研究探索阶段

  21世纪初,土木工程专业教学实验成本高、风险大等问题日益突出,国内部分高校尝试将VR技术和土木工程实验教学相结合,开发出适用于土木工程教学的虚拟仿真实验项目。2008年,江西理工大学尝试将VR技术融入土木工程实践教学领域,并于2017年开发出一套“组合结构构件力学性能虚拟仿真实验”系统[2]。2011年,宁夏大学开始研究探索VR技术在土木工程专业实验教学当中的应用,建立“新工科背景下土木工程施工技术虚拟仿真及VR模拟实验室”;同年,大连大学展开VR技术在土木工程专业路桥方向实验教学应用研究,对桥梁质量检测及荷载测定存在的高风险等问题,利用Unity3D等工具,开发出了一套“桥梁检测及荷载试验虚拟仿真实验”;2012年前后,山东建筑大学、兰州理工大学、北京工业大学等高校开展了VR技术在混凝土结构设计原理等方面的教学应用研究[3-6]。

  2VR技术在土木工程专业教学的应用推广阶段

  经过多年的探索实践,教育部以“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”为指导思想,2014年~2015年间在全国范围内建立了两批国家级虚拟仿真实验教学中心,在东南大学、长沙理工大学、同济大学等高校设立了“土木工程虚拟仿真实验教学中心”、“公路交通虚拟仿真实验教学中心”等8个国家级虚拟仿真实验教学中心,VR技术在土木工程专业教学领域进入了应用推广阶段,在课内、外实验课程中得到了广泛应用,取得了良好的效果[7]。

  2.1课内实验课

  2.1.1专业基础类在土木工程专业基础课程中,VR技术主要应用在力学类、材料类与结构设计类课程当中。其中,力学类课程主要有《土力学》;材料类课程主要有《土木工程材料》和《工程地质学》;结构设计类课程主要有《混凝土结构设计原理》和《钢结构》。2015~2018年,西南交通大学等高校利用VR技术围绕《土力学》中的超重力离心模拟实验、三轴试验等开展了虚拟仿真实验教学,在保证实验真实性的前提下,解决了此类实验工期长、风险高的问题[3、8]。2015年前后,青岛理工大学利用VR技术,针对《土木工程材料》多种环境下混凝土劣化实验开发了虚拟仿真实验平台,还原了现实环境中混凝土劣化的全过程[9]。2014~2018年间,山东建筑大学等高校分别实现了VR技术在混凝土结构设计类课程方面的应用,主要针对受弯构件承载力试验等开发了虚拟仿真实验平台,精准还原了钢筋混凝土结构的各种受力与变形过程[3、6]。2016~2018年,上海大学等高校实现了VR技术在钢结构类课程教学当中的应用,涉及半刚性钢框架拟静力实验等课内实验,学生通过虚拟仿真实验平台可进行钢结构建筑的搭建以及结构相关系数的测量[3]。对于土木工程专业一些特殊结构实验课程,VR技术的投入使用也取得了好的成效。2017年,江西理工大学将VR技术应用于《组合结构设计原理》教学当中,首次开发了FRP复合梁受弯实验的虚拟仿真实验平台[10]。2018年,南京航空航天大学将VR技术应用到《结构风工程》教学当中,呈现了建筑物在风荷载作用下的测压、测振、测力的虚拟实验过程[3]。2.1.2专业课程类在土木工程专业课程中,VR技术主要应用于给排水工程、岩土工程、建筑工程、交通工程、地下工程。其中,给排水工程课程主要包括《水质工程学》和《人工湿地污水处理理论与技术》;岩土工程课程主要包括《岩石力学与工程》和《岩石工程原位测试技术》;建筑工程课程主要包括《装配式建筑》和《建筑施工》等;交通工程课程主要包括《路基路面工程》和《桥梁工程》等;地下工程课程主要包括《隧道工程》和《地下工程》等。在给排水工程方向,2017~2018年,青岛理工大学和广州大学分别将虚拟现实技术与水厂设计和水处理凝血实验教学相结合,开发了相应的虚拟仿真实验教学平台。以VR的形式展现了水厂的选址、水厂平面与高程的布置、水处理与混凝过程以及各种参数的变化[3]。在岩土工程方向,2017年,河南工业大学将VR技术与《岩土工程原位测试技术》实验教学相结合,利用VR技术进行静力触探实验。2019年,武汉大学将VR技术与《岩石力学与工程》实验教学相结合,利用VR技术进行隧道开挖三维地质力学模型试验虚拟仿真实验,展示了模型制作、加载、开挖、超载、失效、数据分析的完整过程[3]。在建筑工程方向,2012年,宁夏大学将VR技术与《土木工程施工》当中的钻孔灌注桩施工实验等实验相结合,首次建成国内建筑施工教学的虚拟仿真实验[3]。2016年,河南工业大学将VR技术与《粮仓建筑与结构》教学相结合,帮助学生在虚拟仿真空间当中完成园区的设计、建造和运营[11]。2018年,兰州理工大学针对《工程质量事故分析与处理》的建筑物纠倾实验,引入VR技术开发出了相应虚拟仿真实验平台,真实呈现了建筑物因湿陷、盐胀而倾斜的现象[3]。在交通工程方向,2012年,大连大学把VR技术和《桥梁工程》的桥梁检测与荷载实验教学结合到一起,开发了国内第一批交通工程类虚拟仿真实验平台。交通工程课程主要包括桥梁类课程和道路类课程。2015~2018年期间,河北工业大学等高校先后将VR技术运用到桥梁类课程教学当中,涉及《桥梁工程》《大跨空间结构》等课程的课内课后实验教学,包括索结构预应力设计施工实验等[3]。2016~2017年期间,长沙理工大学等高校先后将VR技术运用到道路类课程教学当中,涉及《路基路面工程》和《道路勘测设计》的课内课后实验教学,包括搅拌站实验等实验,帮助学生掌握了道路建造过程中材料生产、材料稳定性控制的要点[3]。在地下工程方向,2015~2018年,西华大学等高校分别将VR技术与地下工程方向隧道施工类课程实验教学相结合,对应课程《隧道工程》《地下工程》,包括隧道爆破施工实验、高地应力深埋软岩洞室开挖及支护实验、隧道火灾现场试验及隧道施工实验等,克服了隧道类实验难开展、不可逆的弊端[3]。

  2.2单独实验课

  2.2.1基础单独实验课近年,南昌大学、天津工业大学等高校建成虚拟仿真物理实验室,建立了力、热、电、光、磁等30多个实验项目的虚拟仿真实验,例如示波器实验、迈克尔逊干涉仪实验、多用表改装实验等。在虚拟仿真实验过程中,学生根据系统指示进行操作,系统自动进行数据记录汇总,大大节省了实验材料和相应仪器维护成本,并且提高了《大学物理实验》的教学效率[12]。2.2.2专业单独实验课2015年起,部分高校建成了土木工程专业单独实验课虚拟仿真实验平台。2015~2018年,西南交通大学等高校分别将VR技术应用到结构测试类实验课教学当中,典型实验有钢筋混凝土楼盖承载破坏实验等,虚拟仿真实验平台将结构所受荷载大小与变形情况同步展现出来;也将建筑结构因地震或承受荷载而导致的形变呈现在学生面前,激发了学生对结构受力变形的研究兴趣[3]。2015~2019年,河北大学等高校成功将VR技术应用到结构设计类实验课教学当中,涉及隧道设计和施工实验等,在虚拟情景中实现对理论知识的运用,达到了实验教学的根本目的[3]。高校在安全与现实的前提下,利用VR技术建立了各种虚拟仿真实验平台,巩固了学生对理论知识的认知。VR技术在土木工程专业教学中的不断推广和应用,提升了一些高校在新工科背景下的土木工程教学质量,为VR技术进入网络共享阶段奠定了坚实的资源基础。

  3VR技术在土木工程专业教学的网络共享阶段

  近几年,国内外涌现出云平台、5G等一系列新兴技术,云平台是通过网络以按需、易扩展的方式获得所需资源的一种服务技术,该技术铸就了虚拟仿真教学的网络共享平台[13]。VR技术和网络共享技术的融合,助力了VR技术在高校教学中的应用逐渐步入到了网络共享阶段。2017年,随着我国虚拟现实技术教学项目的不断出现,教育部选择示范虚拟仿真项目,基于道德培养的基本任务,建立了虚拟仿真实验教学课程共享平台:。虚拟仿真实验教学共享平台对国内各高校开放服务,截至2021年4月30日,该网络平台已收纳包括法学类、土木类等41类专业共2079个虚拟仿真实验项目。土木工程专业是工科类高校的重点专业,平台收录此专业课内实验课、单独实验课等共计119项。网络共享平台的建设不仅促进了科技教学的发展,而且实现了社会资源的共享,带动了国内普通高校教学方法的创新和教学水平的提高[15,16]。

  4结语

  (1)在研究探索阶段,部分工科院校针对土木工程专业实验教学当中存在的风险大、成本高、周期长等缺点,以《土木工程施工》《桥梁工程》等实践性较强的课程为例,利用VR技术,运用Unity3D创作开发引擎等工具,初步建成了相关实验课程的虚拟仿真平台,开创了一种新的教学模式。(2)在应用推广阶段,VR技术在土木工程课内实验课和单独实验课当中得到了广泛应用,并具有以下特点:①应用高校数量多,截至目前,我国有100余所高校相继开发出了土木工程专业各课程的虚拟仿真实验教学项目共约119项;②应用课程范围广,包括专业基础类、专业课程类、基础单独实验课等约77门课程;③应用项目效果好,各项目在实施过程中,解决了传统实验课程存在的一些问题,激发了学生的学习兴趣、提高了学生的参与程度,取得了良好的教学效果。(3)在网络共享阶段,教育部利用云平台等技术创建了国家虚拟仿真实验教学课程共享平台,标志着高校利用VR技术开展教学进入了一个新的阶段,共享平台的建设与使用,避免了各高校虚拟仿真平台的重复性建设,改变了各高校教学资源分配不均衡的现状,在一定程度上带动了各高校教学质量的提升,实现了教育资源的共享。(4)目前,我国高校在利用VR技术开展课程实验教学中取得了丰富的研究成果,但还是存在部分专业建设薄弱、部分课程重复建设、部分实验亟须完善的问题。各高校可依托国家虚拟仿真实验教学课程共享平台,共同建设,继续完善,切实用好,让VR技术真正为学校、专业和学生服务。

  作者:王世鹏 桂勇 刘湘萍 熊定凯 田震 单位:赣南科技学院

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