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摘要:為了進一步適應高校土木工程專業教學實踐的發展需要，對虛擬/增強現實(vR/aR)技術在土木工程教學實踐中的應用進行探索。首先闡述了VR/AR技術在高等學校教學和實踐中的應用現狀，接著分析了當前土木工程傳統教學實踐方法中存在的若干問題，最后針對土木工程教學實踐的問題現狀，就VR/AR技術在土木工程教學實踐中的應用創新進行探討。結論指出:將VR/AR技術應用在土木工程教學實踐中，能夠更好地彌補傳統教學實踐手段中存在的諸多問題，為國內土木工程教學實踐的發展和創新提供新的思路與方法。
關鍵詞:VR/AR技術;土木工程;教學實踐
隨著新一輪科技產業革命的加速推進，土木工程對于提升國家經濟和改善居民生活起到推動作用，土木工程專業的技術型、創新型、綜合型人才需求日益增大［1］。“雙一流”建設在我國高校正發展得如火如荼，傳統培養模式已無法完全適應當前發展趨勢，因此急需對土木工程專業教學實踐方法平臺進行改革創新。虛擬現實/增強現實技術(VR/AR)作為一項融合計算機圖形學、傳感技術、網絡技術、人機接口技術等為一體的新興技術［2－3］，在教學實踐、實習實訓、工程設計、運營管理等方面具有諸多優勢和發展潛力。為了能夠更好地適應高校教學實踐的發展創新，本文對虛擬/增強現實(VR/AR)技術在土木工程教學實踐中的應用進行探索?；赩R/AR技術在高等學校教學和實踐中的發展現狀，分析當前土木工程傳統教學實踐方法中存在的問題，接著對VR/AR技術在土木工程教學實踐中的應用創新可達到的效果進行探討，為土木工程教學實踐的發展和創新提供新的思路與方法，最終達到提升學習者的認知、經驗和專業能力的效果，目前，虛擬現實/增強現實(VR/AR)技術在發達國家已獲得較為廣泛的運用。
1VR/AR技術在教學中的應用現狀
虛擬現實技術(英文名稱:VirtualReality，縮寫為VR)和增強現實技術(英文名稱:AugmentedReality，縮寫為AR)的起源可以追溯到20世紀60年代，其中VR技術是指利用計算機模擬出三維空間的虛擬世界，從感官上的模擬將體驗者帶入一個十分逼真的虛擬現實環境，在VR技術的影響下，可以使得學生在學習中開闊自己的眼界，推進“沉浸式”教育的建設;AR技術則是一種將虛擬信息與現實世界相結合的技術，以動態的方式實現三維事物的呈現，其廣泛用于智能交互、多媒體以及三維建模等領域，將計算機中生成的虛擬信息應用于真實世界中，從而達到對現實世界增強的效果。VR/AR技術在國內的起步晚，兩者雖然在技術途徑上有所不同，但兩者本質是相通的，主要核心要義在于“真實世界與虛擬信息的集成”“三維尺度空間”和“人機交互”三者相互結合，且三者缺一不可［4］。VR/AR技術作為新興的媒介手段，在國內教學實踐應用中基本處在較為初始的階段，應用覆蓋面小，其中裴育苗等［5］將虛擬現實(VR)技術引入醫學教育領域中，建立醫學教學所需的儀器和設備的三維醫療模型，創建一套具有自然交互的虛擬場景，由此學生可以在虛擬場景中進行學習和操作，這樣不僅可以對人體器官和組織結構進行全面的觀察，且可以提升臨床實操表現;范麗亞等［6］結合實際工程，分析了基于HoloLens的人體解剖學教學系統的功能需求、軟硬件的選型、關鍵開發技術和具體實施效果;王淑佳等［7］借助增強現實技術(AR)手段，通過介紹3款融合AR技術的應用程序，將AR技術與中學生物學教學工作進行深度融合。由此可見，國內VR/AR技術在教學應用實踐中主要集中在醫學領域，其能夠提供諸多便利，但由于起步較晚，VR/AR技術普及度和應用面有限。
2土木工程教學實踐中存在的問題
未來新興產業需要的是實踐能力強、創新力充沛并具備國際競爭力的“復合型”人才，因此整個土木工程行業需要不斷地注入新鮮技術。作為培養土木工程類人才的各類院校，尤其是對于土木工程專業的強校更應勇于承擔起專業建設大任，適應新形勢、順應新時代、不斷革新并積極探索新的教學手段［8－12］。目前土木工程教學中主要存在以下不足。
2．1傳統教學模式呆板、過程枯燥，交互性不強
土木工程學科在教學實踐中需要數學、力學和專業基礎課等課程的支撐，但當前國內大部分高校在教授課程時主要依靠板書或者單一的播放PPT，版面書寫授課形式雖能讓學生清楚地看到知識點，但也會帶來一個問題，即授課過程中過于枯燥，學生學習效率大幅度降低，注意力不易集中在課堂上;而播放PPT的授課形式會造成學生跟不上老師的上課進度，老師授課時不可能逐字逐句講述，有時介紹沒一會就翻頁至后面的內容，直接導致學生錯過許多知識點，進而致使學生在思想上開小差。
2．2實驗教學成效受限于教學資源以及教學條件
在土木工程本科教育教學工作中，實驗教學是一個讓學生深入理解理論原理的重要手段，但實驗教學很大程度上依賴于教學資源與教學條件的質量，在教學資源層面，一方面目前大部分學校中實驗教學課時安排嚴重不足，學生難以將知識點全部吃透，另一方面當前各大高校普遍存在實驗設備陳舊、實驗儀器落后的情況;而在教學條件層面，主要是由師資隊伍水平反映，師資隊伍建設是高校學科建設的重要內容，在高校弱勢學科中師資水平弱的問題尤為突出。
2．3工程實踐以參觀為主、難以深入學習工程實踐
雖可以使得學生從實習中得到更加全面豐富的實際生產的知識，但由于工程實踐多以參觀的形式呈現，該現象一方面會造成學生在整個實踐過程中以游玩為目的，在專業實踐上缺乏主動性，學生發現問題、提出問題、探索創新和解決問題的能力上面并沒有得到提升;另一方面作為土木工程專業的工程實踐場地以施工現場為主，受客觀因素影響，有些較為危險的區域學生們無法進入現場進行學習，學生對該部分內容的理解只能停留在課本或者視頻層面。
2．4考核方式單一，考試多以傳統理論筆試形式為主
授課老師在評定課程最終成績時將考試成績在最終成績的占比定為7成以上，進而導致實踐部分占總成績的比例偏低，任課老師在課程考察時并未體現實踐的重要性，重理論輕實踐的理念深入學生心中，這將導致學生對實踐部分不重視，把自己的學習重心放在筆試上。
3VR/AR技術在土木工程教學實踐中應用的探索與展望
現階段傳統土木工程教學實踐的教學手段不足以滿足當前亟需培養高層次人才的需求。為了更好地激發學生對土木工程學科的興趣，更好地培養學習者主動思考、實踐操練和創新制造的能力，因此對現有的教學實踐模式進行改革是十分有必要的。以提升學生培養質量，開放性實踐教學理念旨在將先進的技術融入到傳統教學實踐工作中，VR/AR技術作為21世紀的主流技術之一，給體驗者帶來的視覺體驗是當前傳統媒介無法做到的，可以肯定的是將VR/AR技術融入到土木工程教學實踐中勢必會帶來前所未有的體驗，VR/AR學習環境帶給我們的不僅僅是一個工作平臺，很大概率上它將會孕育一種新式的教學模式或者說是教學手段。
3．1基于VR/AR技術的4D教學模式應用
“4D”指的是Designation，Discussion，Difference和De-velopment組成，“4D”講學模式是依據金字塔學習理論和前蘇聯教育心理學家維果茨基提出的“最近發展區”(Devel-opment)理論，是通過研究教師和學生課堂活動內容和目的，根據高中實際，充分結合目標教學法以及問題教學法優點形成的。“4D”教學模式以學生為主體，強調學生主動學習，將老師上課的講堂變為學生學習的學堂。通過老師有力引導，充分調動學生積極性，激發學生學習興趣，達到高效課堂的目的。將VR/AR技術廣泛應用于課程教學工作中，該技術可將虛擬對象與現實環境有機結合在一起，因其具有的較強交互性特點，可以為學生提供一個能實現人機交互的虛擬世界，這無疑在滿足學生的好奇心的同時，以一種新穎的方式為學生傳授知識，從而可以大幅度提升授課老師的課程質量，并能激發學生的學習興趣，恰恰符合“4D”教學模式的理念，可見VR/AR技術在其中能得到良好的應用。
3．2基于VR/AR技術的實驗教學中的應用
以華東交通大學《土力學》實驗課程為例，土力學顧名思義是一門研究土體的學科，主要是研究土體的應力應變、強度、滲流以及長期穩定性。常見的土工包括:1)土的含水率實驗;2)土的密度實驗;3)土的液塑限實驗;4)土的固結實驗;5)土的直剪試驗;6)土的三軸剪切實驗。在實際土力學實驗教學中常碰到以下問題:1)實驗課時安排有限，目前國內高校中土力學實驗課時多集中在5個～8個課時，且存在學生多設備少的現象，因此，學生實際上可操作的時間偏少，對于簡單的實驗，學生尚可在有限的時間完成，但對于一些耗時較長的實驗，學生實際上往往做的效果差，甚至無法順利開展一些基礎實驗。2)授課方式比較單一，多媒體教學學生參與率低，且理論課與實驗課脫離現象嚴重?，F階段，大多數高校施行理論課程與實驗課程分開教學，這將會直接導致課程銜接不當，分開教學一方面會導致實驗課程滯后于理論課程，學生在上實驗課程時難以銜接上既學的理論知識，一定程度上影響到學生將理論運用到實踐中的能力;另一方面，一般實驗課程均會設置專門的實驗室老師，不同的授課老師一般授課風格與教學思路也不同，這往往影響到課程質量。3)實驗課程安排模式化。由于教學課時安排在教學初期均已既定，學生基本上是依據實驗課程教學安排而進行具體某個實驗，這會導致學生難以將相關實驗進行整合與對比分析，例如我們常說的直剪試驗，其包括直接剪切實驗與三軸剪切實驗，在特定的課時中，學生總是做著課時安排里相對應的實驗，實際上如果能夠同時進行直接剪切實驗和三軸剪切，這樣可以使得學生加深理解兩種剪切實驗的異同點。又如直接剪切實驗又可細分為快剪、慢剪和固結快剪實驗三種方式，若能同時進行三種試驗操作將有利于學生區分三者的區別，這無疑可以加深學生對理論知識的理解，在一定程度上可以規避學生出現知識混淆的現象。由于實驗設備、課時安排以及實驗室人員配置等因素的制約，想要解決上述問題十分困難，因此虛擬實驗室的存在一定程度上可以解決上述問題。虛擬實驗室的實現可利用VR/AR技術，學生可以像是在現實實驗室那樣親身動手做實驗，不被客觀因素制約，學校利用該虛擬實驗室對參與試驗的學生進行線上實操培訓，可向學生提供更為直觀的、交互性強的實驗教學平臺，進而能較好地提高學生學習效率，提升教學質量。
3．3“現場學習+VR/AR技術”工程實踐多元化模式的應用
以華東交通大學的施工實習為例，施工實習在土木工程專業教學計劃中是一項必不可少的實踐教學環節，它是所學理論知識與實際工程實踐的統一，學校會為土木工程專業學生安排為期一至兩天的隧道施工實習，目的是使得學生在認知上初步了解隧道內部結構及其主要施工過程，現場實踐恰恰是工程教育中重要組成部分。以盾構法隧道施工為例，盾構法隧道施工的種類主要包括泥水盾構和土壓盾構兩種形式，施工工序主要內容如下:1)始發豎井。始發豎井的目的在于為盾構機提供場地用以設備的組裝與安置。2)盾構機的拼裝。指的是先在拼裝室底端鋪設一定厚度混凝土材質的墊層，并在墊層內部埋設鋼軌。3)盾構機的始發。其目的是使得盾構機從始發口進入地層中，開始一系列掘進工作。4)管片拼裝。在盾構掘進后迅速將管片拼裝成環，大部分情況需要采取錯縫拼裝。5)盾尾同步注漿并及時進行二次注漿。盾構在推進過程中，需要在拼裝襯砌管片的同時對襯砌管片與圍巖之間的盾尾間隙進行注漿，若注漿效果不佳時需要進行二次補注漿。6)盾構掘進出土。泥水盾構的出土方式是將開挖土料與泥漿混合，由泥漿泵輸送到洞外并進行分離，而土壓盾構的出土方式則是由螺旋輸料器旋轉將土料運出。由于上述施工場地存在一定的危險性，大多數施工工藝學生們無法親臨現場學習，僅可通過理論知識或者微視頻的方式從側面進行學習，無疑VR/AR技術的出現對工程實踐來說是一個福音，借助VR/AR技術，可以讓學生對盾構掌子面掘進、螺旋機出土、管片拼裝、盾尾同步注漿等細節過程進行可視化學習，進而可以全面地了解盾構掘進過程。
4結語
土木工程是一門十分重視實踐性與操作性的學科，虛擬教育(結合VR/AR技術)同人工智能和大數據一樣被譽為影響未來科技創新的三大領域，因此VR/AR技術的應用無疑為我國傳統土木工程教學實踐手段提供了良好契機。利用VR/AR技術開展土木工程專業教學實踐工作，可以將傳統教學實踐中難以親身操作的教學內容形象的展現出來，相信“VR/AR技術+教學實踐”會碰撞出不一樣的花火，讓虛擬現實和增強現實與教學實踐完美結合在一起，能夠更好地彌補傳統教學實踐手段中存在的諸多問題，為土木工程教學實踐的發展和創新提供新穎的思路與方法，從而推動土木工程教學實踐工作步入新時代。
作者：蔣亞龍 單位：華東交通大學土木建筑學院