基于虚拟仿真的土建施工类课程教学方法深度研究＊

李 超 余佳芯 （绵阳城市学院，四川 绵阳 621000）

土建施工类课程如《土木工程施工技术》《建筑工程施工技术》是土木工程、工程管理、工程造价专业的必修课程及专业核心课程，该类课程包括了土方工程、基础工程、砌筑工程、混凝土结构工程及装饰装修工程等施工内容，其中，重点是基础工程、混凝土结构工程等的施工。该课程既有理论性又有实践性，学生通过该课程的学习可以对建筑工程项目的施工工艺有更深入的了解和认识。但由于传统的教学方法主要以课堂授课为主，而该课程知识点多、理论性强，学生容易出现厌学情绪。因此，传统教学方式已无法满足现代土建类专业学生培养目标的要求，因而将虚拟仿真技术引入该课程的教学中是非常有必要的。

虚拟仿真技术是指通过计算机等现代化设备来模拟各种现实场景，使学生身临其境地进行操作。在虚拟仿真技术中，虚拟现实技术具有与真实世界相似的外观和交互行为，并且可以在虚拟环境中完成仿真操作。因此，将虚拟仿真技术引入到土建施工类课程教学中具有非常重要的意义。

1 课程特点与教学目标

土建施工类课程是土木工程、工程管理、工程造价等专业实践性很强的核心课程，该课程主要研究土木工程施工中各分部分项工程的施工技术、施工方案质量保证措施及有关施工机械的选择与应用，具有综合性强和实践性强的特点，涉及工程施工技术领域的方方面面，课程内容丰富、知识面广，对学生的理论知识和实践能力要求很高。凡从事土木工程相关的行业均需懂得施工，凡参与工程建设的人员都应具备相关的知识和技能，其在整个工程建设中起着关键性的作用。通过本门课程的学习，应掌握土木工程施工的基本知识及基本规律，能够分析和解决土木工程施工中有关施工技术问题。本课程的培养目标为：掌握从事工程结构设计、施工实施组织、预算和管理工作的理论知识；具有施工阶段的现场管理、安全、材料、设备、质量管理等能力。学生应达到的具体能力目标：掌握土木工程施工的基本知识及基本规律；掌握从事工程施工实施组织和管理工作的理论知识；具有施工阶段的现场管理、安全、材料、设备、质量管理等能力；具有分析和解决土木工程施工相关问题的基本能力。

基于虚拟仿真技术下的土建施工类课程课程教学方法主要分为理论知识与实践教学两部分，该课程采用理论与实践相结合的教学方法，通过虚拟仿真软件对土木工程施工过程进行模拟，通过理论和实践相结合的方式进行教学。

2 教学方法深度研究

本课程在传统教学的基础上，结合虚拟仿真软件开展教学。教师在某实际工程各分部分项工程的理论教学上向学生展示虚拟仿真软件中相对应的工艺流程、施工要点、质量要求等信息，让学生身临其境地掌握到所学知识。同时，这些内容直接与规范挂钩，与强制性条文接轨，在学习知识的同时对枯燥乏味的规范也有了形象生动的理解。学生在课堂上对同一项目的各部分项工程进行观摩和实践，使学生对施工有一个系统全面的认识。教师通过探究式教学法、案例分析法、启发式教学法、沟通交流法、对比分析法，引导学生思考并及时了解学生对课堂知识的掌握情况，根据学生在课堂上的表现情况进行分析，并在下一次课前布置下节课的理论预习与内容。这样可以提高教学效率，充分利用有限的时间达到教学目标。通过这样的方式可以激发学生学习兴趣、增强学生实践能力，同时也提高了学生学习效果。教师可以根据实际情况对虚拟仿真软件中的模型进行修改，从而使模型更符合工程实际情况。下面以施工技术部分重要章节的重难点为例介绍课程教学方法。

2.1 土方工程施工

本章节主要包含土的工程分类及性质、场地平整、土方开挖、排降水、土壁支护、土方机械化施工和土方填筑与压实。其中，场地平整的土方量计算既是重点也是难点，同时该部分内容比较抽象且较难理解。此时，教师可利用启发式教学法引导学生思考为什么要进行场地平整，从而引入场地设计标高H0的概念、重要性以及确定原则。随后利用虚拟仿真技术（图1），采用案例式教学法进行某施工现场场地平整工作，模拟划分方格网的真实场景以及利用水准仪确定各方格网角点高程的过程，再按挖填平衡原则引导学生一步一步推出计算设计标高H0=（H1+2H2+3H3+4H4）/4N的公式，而不是直接把公式抛给学生，这样推出的公式更有利于学生对场地平整施工工艺及其对应公式的理解，避免学生对公式死记硬背，到真正的场地平整现场不知措辞的情况发生。在按挖填平衡原则确定H0知识点结束后，立即以习题形式组织学生开展训练，以进行知识强化。训练完成后采用探究式教学法引导学生思考，根据挖填平衡计算的设计标高是一个水平面的标高，但场地内各方格网角点实际设计标高在实际施工中要受到泄水坡的影响，需要根据泄水坡度的要求（单坡泄水或双坡泄水）进行计算，此时又出现了抽象难理解的局面。因此，教师可继续利用虚拟仿真技术身临其境地展示由于泄水坡的出现导致整个场地产生的变化，一旦学生形象地理解了这个变化，便能通过i=△h/l的简单公式得到因泄水坡引起的高度变化△h，从而确定因斜水坡产生的各方格网角点实际设计标高Hn。后续再接着利用虚拟仿真技术动态操作求得各方格角点的施工高度hn（场地设计标高Hn－自然地面标高H）、绘零线（利用相似三角形求零点后连线）、挖填土方量计算（平均高度法）以及求运距（实际工程取形心之间的距离）的过程，并结合习题强化计算和绘零线的方法。通过以上方式可让学生既能一步步得出该场地的挖方区、填方区及其运距，还能形象理解、固化知识、强化计算方法，同时，为下一讲的后续工序土方调配提供计算条件。

图1 场地平整虚拟仿真

2.2 基础工程施工

本章节主要包含地基加固处理、浅基础施工、预制桩施工、灌注桩施工，以上的施工均发生在地下，学生平时很少有机会见到实体，土方回填后更无法接触到相关内容，课堂上仅通过图片、视频很难全面展示相关施工工艺与施工要点。

以本章中较为抽象的泥浆护壁成孔桩为例进行基于虚拟仿真技术的教学方法阐述，如图2所示。教师可采用启发式教学法引导学生思考，当进行灌注桩施工遇到含水量高的软土地区时，提出用上一讲课学习干作业成孔灌注桩能否施工的问题让学生思考。当学生通过思考否定后，便引出今天将学习的泥浆护壁成孔桩并介绍泥浆护壁成孔是用泥浆保护孔壁、防止塌孔和排出土渣而成孔，成孔机械有回转钻机、潜水钻机、冲击钻等，其中，以回转钻机应用最多，根据泥浆循环方式的不同，分为正循环回转钻机和反循环回转钻机。无论正循环还是反循环的施工流程仅通过图片和描述学生是很难理解的，便需要利用虚拟仿真技术先展示正循环泥浆由钻杆内部注入、从钻杆底部喷出，携带钻下的土渣沿孔壁向上经孔口带出并流入沉淀池，沉淀后的泥浆流入泥浆池再注入钻杆，由此进行循环的情境，以便学生能够形象地理解。接下来采用探究式教学法，让学生根据正循环工艺试着描述反循环的施工工艺，此时部分学生便能通过探究思考找到答案。为了验证学生的描述，此时便继续利用虚拟仿真技术展示反循环泥浆由钻杆与孔壁间的间隙流入钻孔，由砂石泵在钻杆内形成真空，使钻下的土渣由钻杆内腔吸出至地面而流向沉淀池，沉淀后再流入泥浆池，形成反循环的情境，让学生得到自我认同的同时将知识固化。随后采用对比分析法让学生对正循环和反循环进行对比分析，从而得出两个方式的差别和优劣。最后，采用总结归纳法，让学生根据所学的正反循环工艺总结归纳出泥浆护壁成孔桩中泥浆的作用是什么，从而归纳出保护孔壁、防止塌孔、排出土渣及冷却与润滑钻头的措施。最后，提出趣味问题泥浆护壁成孔桩中的泥浆究竟是什么让学生思考，得出由高塑性黏土或膨润土和水拌合的混合物的答案。通过以上多种教学方法并穿插虚拟仿真技术的形式，可以使课堂环节丰富多彩，学生学习兴趣浓厚，并实实在在让学生全面掌握所学知识。

图2 泥浆护壁成孔桩虚拟仿真

2.3 混凝土结构工程施工

本章节主要包含钢筋工程、模板工程、混凝土制备及运输、混凝土成型及养护等，是整门课程中最重要的章节，其中，钢筋工程则是本章中相当重要且难度较高的部分，掌握钢筋工程对以后的工作至关重要。因此，接下来以钢筋工程中的钢筋下料长度为例进行基于虚拟仿真技术的教学方法阐述。首先可通过实物图片展示钢筋弯曲和钢筋弯钩，通过启发式教学法让学生知道根据规范、图集等要求钢筋需要进行弯曲和形成弯钩，而将运输到施工现场的直线钢筋在什么长度切断才能准确地弯曲成符合要求的形式是值得思考的问题，从而引出钢筋下料长度的计算。钢筋因弯曲或弯钩会使其长度发生变化，配料中不能直接根据图纸尺寸下料，同时还必须了解混凝土保护层、钢筋弯曲、弯钩等规定，才能根据图示尺寸计算其下料长度。此时，便可通过虚拟仿真技术展示钢筋弯曲后的变化，再采用归纳法总结出变化的特点，即在弯曲处形成圆弧，且外壁伸长、内壁缩短，轴线长度不变，从而让学生深刻地掌握此变化。接下来结合理论与工程实际，让学生知道钢筋的量度方法是沿直线量外包尺寸，所以弯起钢筋的量度尺寸必定大于下料尺寸，而两者之间的这个差值便称为弯曲调整值。接着再采用探究式教学法，以90°弯曲为例，带着学生利用以上弯曲变化原理推算出90°弯曲的调整值。随后，可同理采用以上教学方法开展钢筋弯钩增加长度的教学，并通过实际例题组织学生根据弯曲调整值和弯钩增加长度开展钢筋下料长度的计算以固化知识。最后，运用虚拟仿真技术展示由直线钢筋加工成箍筋的过程，再运用探究式教学法和对比分析法让学生通过对弯曲和弯钩的分析对比计算出箍筋的下料长度，让学生进一步掌握弯曲、弯钩及其关系。一旦学生能够推出，便能深刻理解钢筋弯曲的变化以及该变化产生的弯曲调整值的计算与选用，做到不仅会用数据，还知道数据的具体由来，从而使所学知识得到升华。

3 课程改革成效

通过开展基于虚拟仿真的土建施工类课程教学改革，并对245名学生进行满意度问卷调查，结果见表1。

表1 基于虚拟仿真的土建施工类课程教学改革问卷平均分（百分制）

通过问卷数据分析，由于教学内容形象生动、教学方法丰富多样，评分均在95 分以上。但由于新技术的加入，对教师课堂的教学组织和课程的进度上有一定的影响，该两项分值均在90分以下，老师还需进一步熟悉虚拟仿真软件的操作以及与常规教学内容的衔接，以确保教学组织井井有条，教学进度与开课计划相匹配。总体来讲，学生对加入虚拟仿真后的教学评价均在85分以上，整体满意度较高。

现将虚拟仿真技术在教学改革中的成效总结归纳在以下几个方面：①使学生建立了空间概念，帮助学生理解了概念，培养了学生的空间想象力；②让学生在有限的时间内了解了整个施工过程，提高了学习效率，丰富了学习内容，使教学内容更加生动有趣；③让学生能够身临其境地体验施工现场，增强了实践操作效果；④使学生认识到施工过程的艰辛，从而更加珍惜现在所拥有的学习条件和生活条件；⑤帮助学生理解了复杂抽象的理论知识，通过动手操作将理论知识与实践操作紧密结合起来；⑥帮助学生进行学习过程的自我评价，通过对自己学习成绩的分析和对比，了解学习中的长处与不足；⑦激发了学生的学习兴趣和创新能力；⑧让学生对自己所学过的知识进行深入研究和分析，从而培养他们的独立思考能力、创新能力和综合素质。

4 结语

土建施工类课程是实践性很强的专业核心课程，为了更好地培养学生的实践能力，提高学生的学习兴趣，从虚拟仿真软件入手，以理论和实践相结合的方式进行教学。在虚拟仿真教学中，采用案例分析法、对比分析法、观察法和总结归纳法等教学方法，培养了学生的学习兴趣和创新能力。通过将虚拟仿真软件应用于土建施工类课程课程的教学中，将抽象、枯燥的理论知识转化为形象生动、直观的仿真项目，使学生能更好地理解并掌握理论知识。虚拟仿真软件是一种很好的辅助教学方法，其目的在于提高学生对专业知识的学习兴趣，培养学生发现问题、解决问题、创新思维等综合能力。在今后的教学实践中，将继续探索虚拟仿真软件在土建施工类课程课程中的应用，综合运用各种教学方法提高学生学习兴趣和教学效果，在更新教学内容、完善教学方法和考核方式等方面进行深入研究。