王世鵬 桂 勇 劉湘萍 熊定凱 田 震

（贛南科技學院，江西 贛州 341000）

VR技術(shù)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(shù)，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(shù)，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(lǐng)域獲得了廣泛的應用。

土木工程專業(yè)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(shù)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(yōu)勢。本文基于VR技術(shù)在我國高校土木工程專業(yè)教學領(lǐng)域的建設與應用現(xiàn)狀，從研究探索、應用推廣及網(wǎng)絡共享三個主要階段，系統(tǒng)闡述了VR技術(shù)在土木工程專業(yè)教學領(lǐng)域的發(fā)展歷程。

1 VR技術(shù)在土木工程專業(yè)教學的研究探索階段

21世紀初，土木工程專業(yè)教學實驗成本高、風險大等問題日益突出，國內(nèi)部分高校嘗試將VR技術(shù)和土木工程實驗教學相結(jié)合，開發(fā)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(shù)融入土木工程實踐教學領(lǐng)域，并于2017年開發(fā)出一套“組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學性能虛擬仿真實驗”系統(tǒng)[2]。2011年，寧夏大學開始研究探索VR技術(shù)在土木工程專業(yè)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(shù)虛擬仿真及VR模擬實驗室”；同年，大連大學展開VR技術(shù)在土木工程專業(yè)路橋方向?qū)嶒灲虒W應用研究，對橋梁質(zhì)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(fā)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(yè)大學等高校開展了VR技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)設計原理等方面的教學應用研究[3-6]。

2 VR技術(shù)在土木工程專業(yè)教學的應用推廣階段

經(jīng)過多年的探索實踐，教育部以“科學規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”為指導思想，2014年～2015年間在全國范圍內(nèi)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(shù)在土木工程專業(yè)教學領(lǐng)域進入了應用推廣階段，在課內(nèi)、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(nèi)實驗課

2.1.1 專業(yè)基礎(chǔ)類

在土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課程中，VR技術(shù)主要應用在力學類、材料類與結(jié)構(gòu)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(zhì)學》；結(jié)構(gòu)設計類課程主要有《混凝土結(jié)構(gòu)設計原理》和《鋼結(jié)構(gòu)》。

2015～2018年，西南交通大學等高校利用VR技術(shù)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(shù)，針對《土木工程材料》多種環(huán)境下混凝土劣化實驗開發(fā)了虛擬仿真實驗平臺，還原了現(xiàn)實環(huán)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(xiàn)了VR技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)設計類課程方面的應用，主要針對受彎構(gòu)件承載力試驗等開發(fā)了虛擬仿真實驗平臺，精準還原了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的各種受力與變形過程[3、6]。

2016～2018年，上海大學等高校實現(xiàn)了VR技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)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(nèi)實驗，學生通過虛擬仿真實驗平臺可進行鋼結(jié)構(gòu)建筑的搭建以及結(jié)構(gòu)相關(guān)系數(shù)的測量[3]。

對于土木工程專業(yè)一些特殊結(jié)構(gòu)實驗課程，VR技術(shù)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(shù)應用于《組合結(jié)構(gòu)設計原理》教學當中，首次開發(fā)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(shù)應用到《結(jié)構(gòu)風工程》教學當中，呈現(xiàn)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(yè)課程類

在土木工程專業(yè)課程中，VR技術(shù)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(zhì)工程學》和《人工濕地污水處理理論與技術(shù)》；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(shù)》；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(xiàn)實技術(shù)與水廠設計和水處理凝血實驗教學相結(jié)合，開發(fā)了相應的虛擬仿真實驗教學平臺。以VR的形式展現(xiàn)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(shù)的變化[3]。

在巖土工程方向，2017年，河南工業(yè)大學將VR技術(shù)與《巖土工程原位測試技術(shù)》實驗教學相結(jié)合，利用VR技術(shù)進行靜力觸探實驗。2019年，武漢大學將VR技術(shù)與《巖石力學與工程》實驗教學相結(jié)合，利用VR技術(shù)進行隧道開挖三維地質(zhì)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(shù)據(jù)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(shù)與《土木工程施工》當中的鉆孔灌注樁施工實驗等實驗相結(jié)合，首次建成國內(nèi)建筑施工教學的虛擬仿真實驗[3]。2016年，河南工業(yè)大學將VR技術(shù)與《糧倉建筑與結(jié)構(gòu)》教學相結(jié)合，幫助學生在虛擬仿真空間當中完成園區(qū)的設計、建造和運營[11]。2018年，蘭州理工大學針對《工程質(zhì)量事故分析與處理》的建筑物糾傾實驗，引入VR技術(shù)開發(fā)出了相應虛擬仿真實驗平臺，真實呈現(xiàn)了建筑物因濕陷、鹽脹而傾斜的現(xiàn)象[3]。

在交通工程方向，2012年，大連大學把VR技術(shù)和《橋梁工程》的橋梁檢測與荷載實驗教學結(jié)合到一起，開發(fā)了國內(nèi)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(yè)大學等高校先后將VR技術(shù)運用到橋梁類課程教學當中，涉及《橋梁工程》《大跨空間結(jié)構(gòu)》等課程的課內(nèi)課后實驗教學，包括索結(jié)構(gòu)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(shù)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(nèi)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(chǎn)、材料穩(wěn)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(shù)與地下工程方向隧道施工類課程實驗教學相結(jié)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(xiàn)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(chǔ)單獨實驗課

近年，南昌大學、天津工業(yè)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(jù)系統(tǒng)指示進行操作，系統(tǒng)自動進行數(shù)據(jù)記錄匯總，大大節(jié)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(yè)單獨實驗課

2015年起，部分高校建成了土木工程專業(yè)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(shù)應用到結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)所受荷載大小與變形情況同步展現(xiàn)出來；也將建筑結(jié)構(gòu)因地震或承受荷載而導致的形變呈現(xiàn)在學生面前，激發(fā)了學生對結(jié)構(gòu)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(shù)應用到結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(xiàn)實的前提下，利用VR技術(shù)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(shù)在土木工程專業(yè)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(zhì)量，為VR技術(shù)進入網(wǎng)絡共享階段奠定了堅實的資源基礎(chǔ)。

3 VR技術(shù)在土木工程專業(yè)教學的網(wǎng)絡共享階段

近幾年，國內(nèi)外涌現(xiàn)出云平臺、5G等一系列新興技術(shù)，云平臺是通過網(wǎng)絡以按需、易擴展的方式獲得所需資源的一種服務技術(shù)，該技術(shù)鑄就了虛擬仿真教學的網(wǎng)絡共享平臺[13]。VR技術(shù)和網(wǎng)絡共享技術(shù)的融合，助力了VR技術(shù)在高校教學中的應用逐漸步入到了網(wǎng)絡共享階段。

2017年，隨著我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學項目的不斷出現(xiàn)，教育部選擇示范虛擬仿真項目，基于道德培養(yǎng)的基本任務，建立了虛擬仿真實驗教學課程共享平臺：http∶//www.ilab-x.com/[14]。虛擬仿真實驗教學共享平臺對國內(nèi)各高校開放服務，截至2021年4月30日，該網(wǎng)絡平臺已收納包括法學類、土木類等41類專業(yè)共2079個虛擬仿真實驗項目。土木工程專業(yè)是工科類高校的重點專業(yè)，平臺收錄此專業(yè)課內(nèi)實驗課、單獨實驗課等共計119項。

網(wǎng)絡共享平臺的建設不僅促進了科技教學的發(fā)展，而且實現(xiàn)了社會資源的共享，帶動了國內(nèi)普通高校教學方法的創(chuàng)新和教學水平的提高[15,16]。

4 結(jié)語

（1）在研究探索階段，部分工科院校針對土木工程專業(yè)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(shù)，運用Unity3D創(chuàng)作開發(fā)引擎等工具，初步建成了相關(guān)實驗課程的虛擬仿真平臺，開創(chuàng)了一種新的教學模式。

（2）在應用推廣階段，VR技術(shù)在土木工程課內(nèi)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(shù)量多，截至目前，我國有100余所高校相繼開發(fā)出了土木工程專業(yè)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(yè)基礎(chǔ)類、專業(yè)課程類、基礎(chǔ)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(tǒng)實驗課程存在的一些問題，激發(fā)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(wǎng)絡共享階段，教育部利用云平臺等技術(shù)創(chuàng)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(shù)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(xiàn)狀，在一定程度上帶動了各高校教學質(zhì)量的提升，實現(xiàn)了教育資源的共享。

（4）目前，我國高校在利用VR技術(shù)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(yè)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(xù)完善，切實用好，讓VR技術(shù)真正為學校、專業(yè)和學生服務。