VR/AR技术在土木工程专业教学中的应用

VR/AR技术在土木工程专业教学中的应用

杨群1， 谢立广2

（1.成都师范学院，成都 611130；2.四川交通职业技术学院，成都 611130）

摘要: 本文对VR/AR技术在高校教学中的应用现状进行了阐述，接着分析了AR/VR技术在土木工程专业教学中运用的必要性，最后在土木工程专业的理论教学、素质教学及实验教学等方面进行了VR/AR技术的应用创新。本文的研究思路可为土木工程专业教学的发展和创新提供一定地参考。

关键词:VR/AR；土木工程；教学

VR（Virtual Reality）虚拟现实技术，又称为灵境技术或人工环境，是利用计算机系统及传感器技术生成一种仿真模拟环境，使用者可进入其中进行人机交互，并且可获得视觉、听觉、触觉等感知，使使用者如同身临其境一般。AR(Augmented Reality)增强现实技术，是在VR基础上发展起来的新型技术，将计算机构建的虚拟物体、场景等信息与现实世界的图像进行叠加，虚与实相互补充，弥补了VR隔绝现实的虚幻感。VR与AR技术相辅相成，共同构成了混合现实技术，赋能教学变革[1]~[3]。

1. VR/AR技术在教学中的应用现状

与国外相比，我国VR与AR技术的研究起步较晚，但发展较快，最初VR技术主要应用在军事、游戏、房地产等方面。但随着国家教育事业发展“十三五”规划中指出“全力推动信息技术与教育教学深度融合，综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式”[4]以及《教育信息化 2.0 行动计划》中指出要加强高等学校虚拟仿真实训教学环境建设，服务信息化教学需要，国内已经有越来越多的企业着眼于VR与AR技术在教育领域的应用研究，并获得了具体的实证研究成果，比如济南科明数码技术股份有限公司的“VR教学软件+VR黑板”、“AR教材”，百度公司的“VR智慧课堂”等[5]。

同时不少学者也开始将VR/AR技术运用到教学实践中。如裴育苗等将虚拟现实技术引入医学教学中，构建出三维器官模型和在医学教学中所需要的仪器、设备，建立一个有自然交互感的虚拟场景，让学生其中进行学习和操作，提升临床实操表现[6]。范丽亚等剖析了一款人体解剖教学系统，同时分析了虚拟人体解剖及手术培训领域存在的问题，并展望了其未来的发展方向[7]。陈锐浩等针对职业院校的虚拟现实资源建设及教学应用，提出虚拟现实教育资源三层应用模式，总结出适合职业院校的虚拟现实资源开发实施模式；设计出面向翻转课堂教学和实训教学的两种虚拟现实课堂教学模式，并通过实践案例证明其有效性[8]。顾瑜萍介绍AR/VR技术在中职食品专业课程中的应用需求和应用现状；以食品加工类课程糖果与巧克力制作为例，阐述AR/VR技术的具体实践应用，并谈了AR/VR技术在职业教育中的应用策略和应用前景[9]。王淑佳等通过介绍3款融合AR技术的应用程序，将AR技术与中学生物学教学工作进行深度融合[10]-[11]。由此可见，国内VR/AR技术的教学应用覆盖面相对较小，专业教学尤其是土木工程领域的应用面有限。

2. VR/AR技术在土木工程专业教学中运用的必要性

土木工程是一门十分重视实践性与操作性的学科，其专业核心课程内容较广，如《房屋建筑学》、《结构设计原理》、《建筑施工技术》、《施工组织设计》等等，这些课程多为理实一体，且课程中涉及的实验与实训环节都与实际工程息息相关。但实际工程大都具有工期长、建设规模大、施工难度大、地域差异显著、施工现场环境复杂、不安全因素较多等特点，将学生带到具体工程中进行实训难度很大，也不现实[12]。与传统的实训室相比，从资金投入、维护成本和学生安全等方面综合考虑，VR/AR技术都是不错的选择。利用VR/AR 技术可创建一个沉浸式和交互式的虚拟学习环境，将复杂的思维过程和知识点通过仿真模拟的情境直接明了的展现在同学面前，让学生更加容易的感知所学习的内容；VR/AR 技术还能将课程的教学内容转换成不同模块，使学生可利用碎片化时间进行自主学习，满足了信息时代学生学习灵活、方便、随时随地学习的个性化学习需求，极大地拓展了教与学的灵活性。

因此，在土木工程专业教学过程中充分运用现代信息技术，将VR/AR技术与专业教学进行有机融合，创建虚拟、虚实结合的教学环境，使教学内容以可视化方式呈现，有利于实现学生由被动学习向主动学习的转变，是学校培养技能型、创新型人才的有效方法和手段。

3. VR/AR技术在土木工程专业教学中的具体应用

3.1 VR/AR技术在理论教学中的应用

土木工程涉及理论课程繁多，基础课程较易理解，但是专业课程需要跟实际工程联系起来才能加深理解，否则真成了纸上谈兵。以《结构设计原理》为例，该课程是土木工程专业的一门核心必修课，是研究钢筋混凝土、预应力混凝土、结构构件设计的一门学科。通过本课程的学习，使学生掌握各种工程结构基本构件的受力性能、计算方法及构造要求，并能根据有关设计规范和设计资料进行一般构件的设计，为今后工作奠定坚实的基础。

根据以往的教学经验，课程中涉及的各类钢筋的识图及计算是多数同学掌握不清楚的地方。传统的教学方法是给同学们展示结构构件的二维图纸，再将其中的钢筋一一拆分为受力筋、构造筋、箍筋、负筋、架立筋等来分别讲解其计算规则。同学们能理解每种钢筋的计算规则，但是对实际工程中具体构件的钢筋应该怎么布置理解较困难。现在可以借助钢筋平法与计算仿真软件，将二维图纸演变成形象立体的三维模型来展示相应标注和钢筋构件，让学生们可直观的看到钢筋构造，加深其印象，更好的掌握钢筋的计算方法。

通过虚拟仿真软件，可以清晰的看到结构的三维立体图，在操作界面中还可以随时旋转其方位，便于学生详细地了解其构造，图1所示为某框架柱的三维立体图。

           图1 某框架柱的三维立体图           图2 板的二维图纸示意图

   工程中常见的构件有基础、柱、梁、板、楼梯及剪力墙等。以板为例，其二维图纸见图2所示，由图可知，该板底部X方向的底部配筋为直径10mm，间距200mm的一级钢；板底部Y方向的底部配筋为直径8mm，间距200mm的一级钢；板的1号支座负筋为直径10mm，间距150mm的一级钢，分布在①轴、③轴、A轴及B轴线上。板的2号支座负筋为直径10mm，间距150mm的一级钢，分布在②轴线上；其中板的支座负筋下的分布筋为直径6mm，间距200mm的一级钢。

   在该虚拟仿真软件中可点击任意种类钢筋进行交互，每一类钢筋都可以单独显示出来，图3为板X方向的底部配筋示意。显示结果还可进行任意角度的旋转，方便同学们直观明了地了解该类钢筋的具体布置情况。为了加深同学们对钢筋计算的理解，还可显示出其计算公式，并进行解释说明。

 图3 板X方向的底部配筋示意图            图4  手机端查看模型

3.2 VR/AR在素质教育中的应用

随着信息技术的快速发展，基于VR/AR技术的创新型教育方法出现在大众面前，如VR安全教育、VR/AR心理减压、VR红色文化教育等[13]，大大提升在校生的科技素质。

为响应习总书记弘扬长征精神，坚定青少年的民族自信心，树立正确的价值观念，普及爱国主义教育，在创新创业活动中选择长征途中的飞夺泸定桥、过草地、爬雪山等经典场景，通过Lumion、Maya、3DMax软件建立了三维立体环境，再通过VDP软件实现在VR中的交互，让使用者在虚拟世界中体验到长征过程中先辈们保卫家国的场景，“真正”体验到红军长征的艰难，对长征精神有更深刻的理解，达到传播红色精神的目的。同时通过Augment平台，模型可转化成可以用手机等移动终端查看的AR模型，如图4所示。

3.3 VR/AR技术在实验教学中的应用

土木工程专业涉及实验的课程不少，如《建筑材料》、《土力学》及《水力学》等等。以《土力学》课程为例，同学们在学校实验室常做的实验有：密度实验；含水量实验；塑液限实验；剪切实验和压缩实验。这些实验的教学学时不多，一般在8个学时左右，一节课可能会完成2个实验，加上实验室设备偏少，一般都是好几个学生一组进行实验。这样每个学生实际上可操作的时间就偏少了，甚至有个别学生直接浑水摸鱼，不进行操作，直接用别人的实验数据和结果。如此实验教学效果不甚如人意，急需改进。

同时由于学时限制，开展的都是些基础实验，实验完成后学生难以将不同实验进行整合与对比分析，只知其一不知其二。如室内剪切实验一般分为直接剪切实验和三轴剪切实验，这两种剪切实验又可根据实验过程中是否固结、排水及加荷速率的不同等进行分类。三轴剪切实验可细分为不固结不排水剪、固结不排水剪、固结排水剪。学生在实验室没有时间将这三种实验都做，就无法深入理解不同种类实验之间的异同点，而实际工程的土工实验成果中一般都会给出不同种类的实验数据，那么在工程实施过程中该取哪种实验数据呢？届时学生将会感到非常迷茫。

如今可充分利用VR/AR技术建立虚拟实验室，利用其交互式、沉浸式、感知性、自主性等特点，让学生可以“亲身”操作那些在现实实验室中没法完成的不同实验，加深学生对理论知识的理解，提高教学质量。一些实验设备由于价格昂贵，几乎不会出现在普通高校里，如真三轴实验仪器，如此学生们对此类实验的认知仅仅停留在书本上，了解甚少。在虚拟实验室中同学们可以一睹芳容，扩宽自己的知识面，增加其学习兴趣。  

4结语

 随着VR/AR等技术的飞速发展，虚拟仿真设备及其教学资源将会更加丰富，在土木工程专业教学过程中充分运用现代信息技术，将VR/AR技术与专业教学进行有机融合，创建虚拟、虚实结合的教学环境，使教学内容以可视化方式呈现，有利于实现学生由被动学习向主动学习的转变，是学校培养技能型、创新型人才的有效方法和手段。

参考文献：

[1]梁梓伦,蔡晓君,周梅,等.VR技术在机械工程专业教学中的展望[J].大学教育，2018(2):74-76.

[2]茅洁.基于VR、AR、MR技术融合的大学体育教学应用研究[J]. 武汉体育学院学报，2017(9):76-80.

[3]秦晓青,宋毓震. VR/AR技术赋能教学变革的应用与展望[J].中国科技信息,2021(9):106-108.

[4]夏应芬.基于AR/VR技术高校教学模式改革与创新[J].广东蚕业,2018(9):112-113.

[5]黄余燕. VR/AR技术在中职学校财会专业的教学探究[D].南昌：江西科技师范大学,2019,6

[6]裴育苗，李瑞鑫，常荧，等．VR在医学教学中的模拟应用［J］．山西电子技术，2020(6):17-19．

[7]范丽亚，马介渊，张克发，等．VR/AR技术在人体解剖教学及手术培训中的应用［J］．科技导报，2020(22):31-40．

[8]陈锐浩,王瑛,蔡铁峰,等.职业院校VR/AR资源建设及教学应用模式研究[J].现代计算机,2020(23):53-58.

[9]顾瑜萍.基于AR/VR技术的教育信息化实践探究—以中职食品专业课程为例[J].现代职业教育,2020(34):54-55.

[10]王淑佳，刘凯于．增强现实技术(AR)在中学生物学教学中的应用[J]．生物学教学，2020(1):39-40．

[11]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.

[12]张璐.基于BIM和AR/VR技术的建筑类课程教学改革—以建筑工程技术专业课程为例[J].黎明职业大学学报,2019(3):62-66+76.

[13]杨秀杰.VR/AR技术在教育教学中的创新应用[J].电脑知识与技术,2021(7):163-164.

基金项目：四川省高等学校人文社会科学重点研究基地·四川省教育信息化应用与发展研究中心项目（项目编号：JYXX22-044）