虚拟现实技与桥梁工程教学

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1传统教学存在的问题

按照传统的教学模式，如果采用填鸭式教学，针对专业知识的学习，例如桥梁工程的施工工艺，仅仅从图片及教材中所学的内容不够立体和全面，仅能从片面角度理解问题，会在应用时显得力不从心。实验实训是桥梁工程教学中的重要环节，实践实训教学要求教学内容与生产实际、与学生未来职业岗位相联系，并在教学实践中构建能够体现与情境相关的、明确的工作工程知识，最终形成职业能力。针对桥梁工程的传统实验实训，仅仅局限在某个混凝土块的制作、养护等等，某个桥梁工程的结构设计而言，仅仅针对的是某个部件、T型梁等简单的计算；针对某个工程项目的施工组织设计也局限在某一条路的某个部位，所以局限性非常大，学生得到的锻炼有限。另外由于教师注重理论教学，对实践教学重视程度不够。因此导致实践教学相对薄弱，尤其在桥梁工程施工讲解中，其具有内容种类繁多、实验内容灵活、新技术更新较快等特点，给教师的实践教学带来了困难。无法满足学生对专业知识的需求，造成了理论与实践的脱节、学生动手能力差等问题的出现。高校实验室经费的原因，实验仪器及设备简单，实验的丰富性也受到了较大限制，学生对综合性和设计性的实验需求也无法得到保障。因此这种简单枯燥的实验也不能引起学生求学的热情，学生缺乏参与意识，实践能力差。

2运用虚拟现实技术制作仿真教学课件的必要性

在现代的教育环境下，高校教师在理论教学中也面临着诸多问题。现论教学多采用传统的教学模式，近年来高等院校结合现代教育技术来辅助教学。例如应用PPT制作教学课件；应用Authorware制作具有交互功能的学习系统；应用计算机高级语言（如VB）制作具有交互功能的学习系统、考试系统等等。在校多年的教学实践中，高校教师应用以上方法进行了教学改革尝试，教学效果得到了学生肯定，但是也存在着一些缺点，在《桥梁工程》课程授课过程中存在教学内容不直观、桥梁模型试验成本高等特点，因此我们采用虚拟现实技术来制作仿真交互的教学课件，使学生能在任何地方任何时间来加强《桥梁工程》课程的实操和理论知识的学习，学生可以像玩游戏一样来体验桥梁结构设计、施工技术，这将极大的提高学生学习的兴趣。虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉和生理、心理特点，由计算机产生逼真三维立体图像，学习者成为虚拟场景中的一份子，其与虚拟环境中各种对象的相互作用就如同在现实世界中的一样。同时虚拟现实系统中是集视听触动觉为一体的传感及反应装置，学习者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知信息，因而可以充分调动各种感官的积极性，进行实时的全方位的学习。例如针对桥梁工程中的桩基施工，通过钻孔灌注桩的施工工艺的介绍，有针对性的通过3D技术，将针对不同钻具类型——旋转钻、冲击钻、冲抓钻分别介绍施工顺序，通过视听等多面的立体感受，学生能够更深入的体会和掌握其施工工艺，记忆深刻，和传统的老师讲授理解要更透彻，接受领悟的要领更多。同时对于土木工程中，应用型人才是市场的需求主力，如果使用虚拟现实技术改进教学方法，从以教师为中心的授课形式转变为以学生为中心的个别化教学、合作化教学。由学生积极主动参与构建某个土木工程构建，那么学生的被动学习就转变为主动学习，学习的效果可想而知。利用虚拟现实技术建立的桥梁虚拟实验室(Virtuallab)在教育上应用前景广阔。创建桥梁结构虚拟环境的演示体可以摆脱真正实验室所需要的昂贵的设备，教学的效果基本接近真正的实验教学效果。

3虚拟现实技术在工程专业中应用的设计思路

在工程专业教学中应用虚拟现实技术的目标之一是调动学生的自主学习兴趣，强调学习过程以学生为中心，充分发挥学生的自主学习性。虚拟现实技术在桥梁工程教学中，需要以典型的工程项目为载体，确定类型、结构、构造、尺寸及工程施工布置方式等基础资料，收集桥梁的墩台、墩台基础、桥梁承载结构等资料，为软件开发奠定数据基础。其实施过程拟采用的思路及方法如下。

1）调查法：深入工程单位调研，以工程专业学生的工作岗位所必需的知识和能力为目标，确定虚拟仿真工程项目和具体内容；调研虚拟现实技术在国内高校教学中的应用；了解软件开发平台的种类和功能。

2）功能分析法：根据当前工程类专业教学改革现状和需求，进行三维虚拟现实技术和专业教学结合的需求分析，研究一种切实可行的教学方法；以典型的工程项目为载体，确定类型、结构、构造、尺寸及工程施工布置方式等基础资料，为软件开发奠定数据基础；教学模块开发；比选并确定开发软件。

3)经验总结法：本校试点，将成果运用到教学中，并总结提高，然后向其他学校推广新的教学方法。

4)教学效果评价。按照桥梁工程教学设计内容，实施教学工作并对其效果进行评价。通过对学习过程和仿真操作教学效果评价，才能如实的反应教学过程中的优点和不足，发现教学组织过程中存在的问题及成因，为改进教学提供依据。只有通过不断的完善虚拟现实技术在桥梁工程教学中的应用，才能实现辩证唯物法的发展规律。教学评价也是学生和教师共享学习成果的一个过程，通过学生接受知识、提出疑问、发现问题以及参与评价等过程中，进行了知识体系的建构，使知识得到巩固、完善和升华。

4应用虚拟现实技术的发展

学生在计算机创造的虚拟世界中可以欣赏桥梁艺术，从中得到美的享受。这使得将传统的、小范围的专业技术教育转化为更现代的、更大范围内的专业教育和针对更多受众的文化素质教育成为可能。虚拟现实技术在桥梁工程教学中应用将是今后一个重要的发展方向。从近年来虚拟现实技术的发展来看，其主要存在以下特点。

1）研究的广度及深度在不断增加，这为桥梁工程教学中使用虚拟现实技术垫定了良好的基础。

2）虚拟现实技术越来越强调教学系统设计理论的应用，在教学及技术方面，都越来越注重理论与实践结合，场景建模过程中要求操作便捷、清晰明了，学科特点突出。

5结论

针对传统教学存在的问题，指出了运用虚拟现实技术于桥梁工程仿真教学的必要性，并提出虚拟现实技术在工程专业中应用的以下设计思路。

1）深入工程单位调研，以工程专业学生的工作岗位所必需的知识和能力为目标，确定虚拟仿真工程项目和具体内容。

2）以典型的桥梁工程项目为载体，进行三维虚拟现实技术和专业教学结合的需求分析，研究一种切实可行的教学方法；并将成果应用于教学之中。通过教学效果评价，反馈教学过程中的优点和不足。

作者：唐德兰高征伟刘丽单位：重庆交通大学国际学院