建筑工程技術專業(yè)中虛擬仿真技術的應用

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摘要:在推進教育現(xiàn)代化的進程中，虛擬仿真技術被廣泛地運用在高職教育教學中。本文圍繞南京城市職業(yè)學院建筑工程技術專業(yè)建設情況，介紹了虛擬仿真技術解決建筑工程技術專業(yè)實訓難的問題，并完善了專業(yè)三階段虛實結合的實訓教學體系;同時，在實際教學中，虛擬仿真技術構建的情境也大大促進了學生學習的參與性與主動性，提高了教學的質量和水平。

關鍵詞:虛擬仿真;高職教育;建筑工程;實訓教學

我國正處于社會信息化深入發(fā)展階段，傳統(tǒng)建筑業(yè)也在進行自我革新，朝著工業(yè)化、信息化以及智能化發(fā)展，衍生出工業(yè)裝配式技術、BIM信息模型技術等。高職教育也在不斷探索新技術新方法，2006年，教育部《關于全面提高高等職業(yè)教育教學質量的若干意見》(教高［2006］16號)中就實訓基地建設方面提出了要充分利用現(xiàn)代信息技術，開發(fā)虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實驗。2017年，國務院印發(fā)《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出我國教育進入高質量新階段，綜合利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實技術探索未來教育教學新模式。高職建筑工程技術專業(yè)需適應時代的變遷與行業(yè)的發(fā)展。對此，本文將結合南京城市職業(yè)學院建設中的虛擬仿真實訓體系探討這項技術在建筑工程專業(yè)中的應用。

一、虛擬仿真技術在建筑工程專業(yè)實訓體系中的應用

(一)高職建筑工程技術專業(yè)實訓的困境簡單來說，建筑工程技術專業(yè)培養(yǎng)的是基于施工員崗位的“懂建筑、精施工、會管理”的高素質技術技能人才，實訓體系在整個人才培養(yǎng)方案中具有非常重要的地位。但由于建筑行業(yè)的特殊性，校內外實訓基地的建設都普遍存在困難。校內實訓基地受限于場地和經費，難以重現(xiàn)建筑過程中各項技術，即使一些條件較好、投入較多的學校，建設的一些實訓項目也是以展示觀摩為主，動手實踐部分較少;采購的設備數(shù)量有限，難以滿足全部學生的操作需求;一些操作難以反復，不利于學生探究性學習。在校外實習基地方面，由于建筑項目周期長并且具有一次性特征，工程進度難以和課程學習相匹配。此外，考慮施工現(xiàn)場的安全隱患和企業(yè)自身的經濟效益，企業(yè)難以多次接待學生短期的參觀學習。基于以上困境，不少高職院校建筑工程專業(yè)更像是簡配版本科土木工程的“學科型”教學體系，工學結合不緊密，學生難以將學到的理論知識運用到實際工作崗位中去。

(二)虛擬現(xiàn)實技術的分類基于以上因素考慮，有必要將虛擬仿真技術融入專業(yè)的實訓體系建設。虛擬仿真技術主要有以下三種類型:1．桌面虛擬仿真系統(tǒng)利用平面顯示器呈現(xiàn)立體的虛擬環(huán)境，通常將施工二維平面圖紙轉換為三維模型，學生可通過鼠標等設備與虛擬環(huán)境進行交互，可以在環(huán)境中進行觀察，將抽象的平面概念具象化，也可模擬某項施工技術過程，將書本枯燥生澀的理論知識轉換為更容易接受的立體影像。這項技術成本較低，目前也使用得較為廣泛。2．全沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)使用頭盔、機械手柄、身體動作追蹤等儀器設備將使用者完全沉浸在虛擬的三維環(huán)境中，使用者可以精確的與虛擬環(huán)境進行交互，視覺、聽覺、觸覺與實際環(huán)境完全隔離，完全置身于虛擬環(huán)境中，在虛擬環(huán)境中進行操作、體驗。這項技術成本較高，很多高職院校雖有投資，但數(shù)量有限。3．分布式虛擬系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)構建一個多用戶的虛擬環(huán)境平臺，采用統(tǒng)一的結構、標準、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫將不同時間空間的虛擬終端整合，多名用戶之間可以自由交互協(xié)同工作。這項技術目前在國外使用較多。

(三)構建三階段虛實結合的實訓教學體系建筑工程技術專業(yè)學生應具備識讀工程施工圖紙、查閱相關圖集、測量放線的基礎技能，參與工程施工、編制施工組織計劃及專項施工方案、工程預決算的核心能力以及BIM技術相關的拓展能力。南京城市職業(yè)學院建筑工程技術專業(yè)根據(jù)人才培養(yǎng)目標，以施工員、資料員典型的工作任務、職業(yè)標準為依據(jù)，構建三階段虛實結合的實訓體系。校內構建虛實結合的實訓體系:實訓項目較為容易實現(xiàn)的，一般以實體操作為主，例如鋼筋加工、綁扎鋼筋、全站儀測量等;實訓項目周期長，不易反復操作的，以虛擬仿真技術為主，如建筑工程項目施工———專業(yè)崗位仿真訓練平臺。同時，還配有建筑工程項目管理、招投標沙盤實訓項目，大型施工現(xiàn)場布置實體模型。虛擬仿真技術填補了核心課程實訓的空白，完善了校內實訓體系。校外構建三階段的實習體系。第一階段認崗。該階段主要在基礎技能的第一學年，學生通過工程制圖，建筑結構等課程的學習后，進入一線施工現(xiàn)場，與已學知識進行匹配，對專業(yè)和崗位進行感性認知活動。第二階段跟崗。學生在第二學年學習了核心課程后，在校外實習基地進行為期兩周的跟崗實習，在工程施工現(xiàn)場對已學習的核心技能進行驗證和反思。第三階段頂崗。學生在完成學校的所有學習、獲得職業(yè)資格證書后，真正進入一線，成為一名工作者，用專業(yè)技術解決實際問題，完成學生到專業(yè)從業(yè)人員的過渡。三階段的實習可以將校內不同階段虛實結合的專項實訓項目整合起來，體會各工序之間的聯(lián)系，將不同課程融會貫通，提升學生對知識的掌握和技能的運用。

二、虛擬仿真技術在教學中的應用

(一)現(xiàn)有教學方法與學生不匹配隨著高考招生制度的不斷改革，高職生源不斷多樣化，學生素質參差不齊，理論基礎薄弱，學習主動性不高。傳統(tǒng)的課堂教學，即便配合了多媒體資源、信息化教學平臺的使用，也很難集中學生的學習注意力。一方面，這樣的教學方法本質上還是以教師的灌輸為主，學生是被動的接受知識，知識還是被填到大腦中去，一旦填鴨的過程中出現(xiàn)了不理解、聽不懂的環(huán)節(jié)，后面的學習全部崩塌。另一方面，高職學生的學習生涯很少出現(xiàn)學習的高光時刻，學生對自己的學習能力持否定態(tài)度，從內心排斥學習，畏難情緒嚴重，自信心不足。因此，不少學生在社團活動時候大放異彩，在上課學習時，大腦就停止思考。

(二)虛擬仿真技術下的情境化教學根據(jù)建構主義學習理論，學生是學習的中心，是知識信息的加工主體。由建構理論衍生出的情境化教學、探究性學習、問題導向等教學方法能夠不斷挑戰(zhàn)學習者已有的知識架構和經驗，從而在交互的過程中形成新的知識。學生在活動中主動學習，而教師是建構過程的引路人。虛擬仿真技術下的三維立體虛擬環(huán)境，具有沉浸性和交互性特征，學生置身其中，有很強的臨場感，促使學生主動獲取知識信息。同時，三維具象化的事物降低了學習的難度，增加了學生學習的自信心。以建筑施工組織中的施工現(xiàn)場布置為例，傳統(tǒng)的教學中，教師會引用工程案例將場布中涉及的規(guī)范進行羅列。由于施工現(xiàn)場涉及多種對象，羅列的規(guī)范很多，注意事項瑣碎，學生的上課效果較差，難以完成課程目標。在引入了桌面虛擬仿真技術的三維場布軟件后，場布理論課程就轉變?yōu)閳霾紝嵱栱椖?。項目源自真實施工案例，在教師的指引下，學生依據(jù)施工工程所處城市位置、周圍道路環(huán)境，考慮風向和天氣因素，借助軟件中已有的各種施工現(xiàn)場的模型(如在建建筑、圍擋、道路、臨時設施、工程車輛、大型機械等)，對施工現(xiàn)場進行搭建和布置。搭建施工現(xiàn)場的過程就是學習施工現(xiàn)場規(guī)范的過程，同時，在搭建的過程中，學生對規(guī)范的理解運用各不相同。虛擬環(huán)境允許學生按個人理解對學習對象進行操作，觀察不同操作下不同的結果，來驗證自己對知識信息的接收加工是否正確，這是一個主動學習和修正過程。虛擬仿真技術下的情境教學，大大提高了學生學習的參與度與主動性，提升了學習效果。

(三)虛擬仿真競賽由于專業(yè)的特殊性，高職建筑專業(yè)競賽總體主要集中在建筑工程識圖、CAD軟件類等，如省級和國家級的技能大賽就有此類賽項。此外，還有一些工程測量和建筑模型類的比賽。而針對專業(yè)核心技能的施工技術、施工組織設計以及工程項目管理類較為少見。虛擬仿真技術的出現(xiàn)，降低了這類競賽的舉辦難度，只需電腦和網(wǎng)絡便可開展。如某BIM施工項目管理應用技能大賽，包含施工組織設計、三維建模及建筑工程項目策劃等。以賽促教的同時也為專業(yè)營造出濃厚的學習競爭氛圍，走出去多比賽也拓寬了學生的眼界，增強了學生的自信心。

三、虛擬仿真技術的困境和發(fā)展

(一)虛擬仿真實訓室投入成本過高虛擬仿真實訓室雖然能夠支持建筑工程技術專業(yè)不少實訓項目，但是建設成本很高。以一款全景沉浸式虛擬仿真系統(tǒng)為例，雖然該設備可以模擬仿真全站儀測量各種不同地形，但建設投入達兩百萬。同時，隨著建筑行業(yè)新技術、新工藝的不斷發(fā)展，虛擬仿真實訓項目也面臨軟硬件的升級改造，后期的運行維護也需要學校持續(xù)的投入。

(二)虛擬仿真對空間想象能力的影響虛擬仿真技術利用信息化手段將抽象的符號具象化，建筑工程專業(yè)同樣要求學生具有將二維圖紙轉換為三維立體建筑物實體的能力。由于高職學生空間想象能力較差，所以虛擬仿真技術有助于學生的學習，降低學習如建筑構造等課程的難度。但是如果過分依賴虛擬仿真，學生的空間想象能力反而得不到鍛煉和提高。這就要求教師在教學時合理使用虛擬仿真這個工具，教學時需要安排學生進行空間轉換的思考過程。

(三)虛擬仿真對注意力的影響虛擬技術打造的虛擬環(huán)境通過視覺、聽覺、體感向學生傳遞圖形、文字、聲音等信息。打造沉浸式體驗學習的同時也傳遞了大量豐富的信息，學生會對情境中某些信息產生更強的臨場感，投入更多的注意力，而對其他信息的注意力減少，無法實現(xiàn)學習的目的。例如，安全生產課程通過虛擬現(xiàn)實(VR)技術讓學生體驗了高空墜落、腳手架坍塌等情境，模擬情境很真實，但學生體驗到的是墜樓的刺激，反而忽視了安全的意識、課程的目的。所以，在虛擬仿真的學習過程中，教師要加強引導，同時合理設計虛擬仿真學習的腳本和內容。

(四)多用戶虛擬仿真環(huán)境“ActiveWorld”平臺是國外廣泛使用的一款多用戶虛擬環(huán)境。多名不同地點學習者可以在同一個虛擬環(huán)境中自由交互、協(xié)同工作。目前，國內使用的虛擬仿真項目多為單人、單項。學習者只能與計算機虛擬的環(huán)境交互，實訓的內容也是較為單一的觀察性學習或是操作性學習。虛擬仿真技術應朝著多用戶平臺發(fā)展，虛擬的環(huán)境更綜合、更完整，學習者彼此之間以虛擬身份共同探索、觀察、討論和分析，開展更富有效果的合作式學習，特別適合遠程教學。同時，參與學習的各方可以共同建設虛擬環(huán)境，做到共建共享，節(jié)約資源，降低成本。

四、結語

綜上，虛擬仿真技術在高職教育尤其是實訓教學方面的應用完善了建筑工程技術專業(yè)的實訓體系，幫助學生在實踐中把理論知識轉換為專業(yè)技能。從建構主義角度來看，虛擬仿真技術作為一項有效的教學工具，變學生被動填鴨式學習為主動探究性學習，提升了學習效果和課堂質量。但目前虛擬仿真技術也有自己的局限性，應當從共建共享出發(fā)，降低成本，合理設計虛擬仿真教學內容，充分發(fā)揮這項技術在高職教育中的價值和優(yōu)勢。

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作者：蔡琦婧 單位：南京城市職業(yè)學院講師