基于BIM和VR技术的“土木工程施工”课程应用探讨

吴鹏

[摘 要] BIM与VR技术作为建筑行业发展中的新兴技术，为“土木工程施工”课程教学指明了新的方向。在传统“土木工程施工”课程中引入BIM与VR技术，能够让学生体验虚拟现实中的场景，更好地掌握专业知识，并且能够将所学理论知识与实际工程相结合。针对“土木工程施工”课程在实际教学中存在的问题，探讨如何有效地将BIM与VR技术应用于“土木工程施工”课堂。从高校近几年招生情况来看，土木工程等传统理工科专业的关注度呈下降趋势，而人工智能、计算机等相关专业的热度逐年升高，这在一定程度上说明了传统土木工程专业亟待转型，以更好地适应社会的发展需要。

[关键词] 土木工程施工课程;BIM技术;VR技术;教学探索

[基金项目] 2019年度江苏省教育厅“荷载和温度共同作用下复合材料夹层结构的蠕变性能研究”（19KJB560014）

[作者简介] 吴 鹏（1990—），男，江苏南通人，博士，南京工业大学土木工程学院讲师，主要从事复合材料结构耐久性能研究。

[中图分类号] TU;G640   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）47-0045-05    [收稿日期] 2021-08-15

一、引言

“土木工程施工”课属于实践类课程，与实际工程密切相关，具有专业范围广、教学难度大、综合性强等特点。目前，“土木工程施工”课的教学方法为理论授课并辅以实践，教学形式以多媒体课件教学为主并适当运用板书，且多是“老师讲，学生听”，导致学生在课堂上难以透彻理解课程内容。尽管教师也在努力激发学生思考，但事实上，学生的课堂参与度仍然很低[1]。在这种教学模式下，学生无法感性地认识所学内容，虽然理论知识丰富，但实践经验严重缺乏。为适应国家发展需求，土木工程毕业生需要参与到实际工程中，而在现有的教学模式下，学生的知识结构和素质可能远远不够[2]。

教育部课程建设要求教学理念“新”起来，课堂“活”起来[3]。但如何激发学生的学习兴趣，如何调动学生对学习的探究欲望，如何培养学生的创新精神并激发学生的潜能，这些都是教师在现实教学过程中面临的重要问题。

在“土木工程施工”课程中引入BIM与VR等技术，使传统土木工程与信息智能化技术结合，可以让学生更形象直观地理解课程的专业知识，有效解决课程教学与实际工程的脱节问题，学生可以在虚拟场景中体验现实的施工过程。同时，这种可视化和VR沉浸式技术可以激发学生的学习兴趣，使学生不再被动地接受知识。

二、“土木工程施工”课程现阶段存在的问题

“土木工程施工”课程是工科土木类学生从事土木类工程施工所必须要掌握的一门专业课程，也是土木工程本科教学指导性专业规范中确定施工原理与方法的课程。课程主要目的是使学生掌握土木工程施工技术方面的基本理论知识，并通过课程的学习，培养学生独立分析和解决土木工程施工中有关施工技术和施工组织管理中的问题，锻炼学生提出创新性技术能力，并使学生熟悉土木方向常见的施工工艺和流程，以培养能适应国家和市场需求的应用型人才。现阶段“土木工程施工”课程存在的问题主要包括以下三点。

1.教学内容与工程实际存在差异。现阶段的“土木工程施工”课程教学模式多为单向的“满堂灌”，教师在课堂上完全理论式的讲解无法带给学生直观的感性认识，学生难以理解施工现场的实际过程。大量理论知识的讲解，使教学内容缺乏趣味性，无法激起学生的学习兴趣与探知欲望，直接导致课堂效果差。一些教师过于依赖多媒体课件，不关注教师与学生之间的互动性，这就难以发挥教师在教学过程中的主导作用和学生的主体作用。吴艳[4]基于全国10所高校课堂教学现状进行调研，结果表明，目前大学课堂的危机主要在于课堂教学无法与实际工程发展保持同步，使得教学内容脱离实际。由于课堂教学的局限性很难保证学生在学完理论知识后立马投入实践中去检验，因此很难培养学生的动手能力和解决实际问题的能力，进而影响教学效果。部分学生认为课堂上学习的东西對未来工作实习帮助不大，认为只有工作实习才能真正培养专业能力。

2.实践课程参与度不高。“土木工程施工”课程的实践性强，书本知识与施工现场联系密切，并且所涉及的施工种类繁多，现场施工的工艺与流程占据了大部分内容。每个学生的知识水平存在有差距，有些学生认为课程晦涩难懂，不愿意参与实习;学校设备配置和使用情况存在局限性，导致实践课程中并不是每个学生都有机会直接参与;有些实验由于课堂时间或课程学时限制无法在短时间内得到实验结果，学生的参与意愿不强。虽然组织学生现场观摩效果较好，但实地考察费时费力，且无法将教学内容全部实习。再加上参观时间短、项目施工时间长等原因导致参观效果差，学生无法深入了解。还有些学生虽然具备了一定的理论知识，但缺少工程经验，无法真正参与实践学习，只能现场参观[5]。

3.考核方式不太客观。施工课程教学的考核方式一般是根据平时提问、考勤、作业和考试等表现进行评定，这种考核方法具有一定的片面性，例如，课堂提问不能覆盖到每一位学生，不少学生在期末突击背诵以应付考试，而且学生平时的学习情况、表现评定也存在较大的差异或偏差。此外，还存在考核标准不当的问题，按照知识点和步骤打分与实际情况不符。就土方工程来说，理论上有方格网法和断面法两种，需经过大量计算之后才能够得到准确的土方工程量，即使理论和步骤都正确，但也会因计算复杂导致结果错误。传统试题的类型与实际工程没有结合起来，现场施工需根据施工图和各类标准执行，但考核没有与真实案例相结合，过于强调书本知识，没有达到考核学生实际能力的目的。

三、BIM与VR技术在“土木工程施工”课程中的应用

VR（Virtual Reality）即虚拟仿真技术。虚拟现实是多媒体技术的终极应用形式，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。它利用计算机可以生成一种虚拟的环境，能让用户脱离现实，从而进入模拟环境。不仅可以就真实环境进行设计，还可以创建完全虚拟的世界，操作者可以通过双手、眼睛、耳朵等多个身体部位在环境中遨游，从而达到身临其境的感觉。近年来VR技术飞速发展，在很多领域内都得到了广泛的运用，如航天航空、中西医教学、机械制造等。因为VR技术有交互性、沉浸感、想象力等特点，所以运用到“土木工程施工”这门课可以有效地解决传统教学资源有限、工地实习存在安全风险等诸多问题，大幅度提升教学质量，进而达到教学理念“新”，课堂“活”的目的。不仅能满足学生的实践需求，而且能将枯燥且抽象的书本知识和施工工序以更加形象具体的形式展现出来，有利于学生的理解与学习。

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型。作为一门新兴技术，它能更好地做到智慧建造，便于精细化、可视化、信息化设计、施工和运营管理，能够更好地体现施工过程和施工现场的活动，并且可以检查结构的合理性。BIM包含3D和4D技术，其中3D技术主要是基于工程项目的基础数据来构建工程实体的三维立体模型，从三维视角展现出工程结构图形及其空间组合关系。将其与VR技术相结合，便能使学生身临其境，让学生能体验虚拟的现实场景，激发学生的思考能力，让课堂“活”起来，同时，VR还可以锻炼学生的实操能力。BIM与VR技术相结合，能让学生做到自己手动完成实践，将书本知识与实际相结合，从而激发学生的学习兴趣与对施工过程的探索欲望。

BIM、VR技术在“土木工程施工”课程中的应用包括如下五个方面。

1.土木工程施工的工艺与流程。通过VR技术与BIM技术相结合展示土木工程施工的工艺与流程，将学生带入到虚拟的施工环境中，从而到达现场讲解的目的，让学生能更好地理解每一道工序和所需要注意的问题。学生还可以选择不同的角色，扮演不同的工程人员，再结合BIM模型，对每一个构件的拼装和吊装过程进行详细的观摩，甚至还可以通过VR技术去切身体会工人拼装的一些大致操作。设定好相应的参数、坐标等，就可以进行拼装模拟。这不仅能极大地激发学生的兴趣，还可以培养学生的动手操作能力。在BIM和VR技术的支持下，不仅向学生直观生动地展示了整个施工过程、材料、机具，而且没有场地的限制。当前，整个土木行业也变得更加智能化，符合当下的发展趋势，然而土木工程施工教材的更新较为滞后，最新的技术没有在教学中得到体现。通过BIM与VR技术可以让学生在教材之外体验并学习最新的施工技术。

2.施工图纸。对施工图纸而言，光靠书本上的规范，学生并不能直观地感受如何施工，也无法掌握实际操作。但利用VR技术可以让学生自己动手去感受基坑工程、挖土方、砌筑工程、混凝土的浇筑以及工业厂房的安装等，在获得书本知识的同时也锻炼了自身的技能，为步入工作奠定了基础。另外，VR技术可以将书本上抽象的知识具体化，就拿简单的定义来说，往往是靠学生死记硬背，许多概念学生都不能准确理解，一些工程上特有的结构，光靠书本上的图纸并不能展现。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，我们将其与BIM、VR技术相结合，拿着图纸进入虚拟现实中，便可以让学生能够感知具体的实物结构，再与书本上的知识对照，将施工图的细节全部以VR技术展示到学生的面前，解决图纸上符号繁杂、位置难懂的难题。

3.“土木工程施工”的课程设计。对于课程设计而言，将BIM与VR技术结合更是一种有效的模式。教师可以将其与自己的教学需求挂钩，在现实条件无法满足的环境下，应用虚拟仿真技术来达到教学目的。传统的“土木工程施工”课程设计都是教师给出任务书，学生按照任务书要求进行课程设计，在设计过程中不可避免地会出现问题。例如，某工业厂房结构的施工方案学生难以掌握，而将其与VR技术结合后，学生可以亲身参与工业厂房结构的施工，包括测量放线、土坡支护、钢筋、模板，以及脚手架工程和主体结构工程等，获得直观的感受;还可以模拟参与各个工程的质量、安全措施及文明施工管理措施，掌握具体的施工步骤、时间、造价与质量等。这样在编制施工方案时就会有自己的想法和创新点，同时也符合施工要求。通过BIM与VR技术的结合，普通的课程设计也能让学生感受到知识的学以致用，融合所有土木课程的知识，调动了学生的主观能动性。

4.施工现场安全意识。“安全来自长期警惕，事故源于瞬间麻痹”，这句标语在施工现场随处可见，安全问题是实际工程的重中之重。解决这类问题不能只靠现场的标语，应该从“土木工程施工”课程就开始学习，在源头上培养施工安全意识。在现阶段的课堂教育中，大部分安全知识只是通过教师的口头描述及对已发事故的宣讲，学生只是停留在听的阶段，没有亲身经历过危险场景，这种方式花费了大量的教学时间却起不到很好的效果。当安全教育与VR技术相结合，我们就可以让学生亲临事故现场。通过BIM创建的3D结构，再用VR技术让学生以当事人身份进入事故发生现场，进行虚拟的事故重演。让学生亲身经历危险，这样更有利于宣传安全知识，能将安全意识更好地刻印在学生的脑海中，认识到安全问题的重要性。这样，安全教育知识就会变得活灵活现，不仅激发了学生主动学习的兴趣，而且还能在极短的时间内更加高效地完成安全教育，这便是VR复刻场景与安全教育结合。

5.专业融合。建筑行业拥有众多细分专业，例如建筑、结构、施工、给排水、暖通、设备等，在设计和施工过程中相互之间没有沟通和反馈，在设计和建造过程中有一定的脱节。基于BIM与VR技术的智能建造模式成为解决这一问题的突破口。可以将各个专业的学生集中在一起完成毕业设计。由于BIM模型集成了各个专业的设计信息，因此，专业之间设计的不兼容问题会及时暴露，通过各个专业协商设计的方式，可以高效地解决这一问题。这种“跨专业”模式培养的学生，可以有效地促進土木行业中的各细分专业融合。BIM装配式建筑是大趋势，在教学过程中，我们可以组织学生去拥有先进技术的企业学习，也可以通过VR技术带领学生在虚拟现实中进入数字工厂，了解工厂生产建筑产品预制构件，再将生产好的装配式构件运输到施工现场拼装。通过BIM与VR技术这个桥梁，可以促进高校学生培养与土木行业用人单位需求的融合，让学生在“新工科”的培养下成为当今社会所需要的人才。

四、基于BIM和VR技术的“土木工程施工”课程优势

随着科学技术的不断发展，传统的“土木工程施工”课程内容日益滞后，BIM和VR技术的引入则可以解决这个问题。BIM技术的可视化、量化等特点极大地方便了设计、规划及运营管理;在教学过程中VR技术利用计算机图形技术模拟生成现实工程中的场景，再通过一定的方式使人进入到虚拟场景中，通过空间模型让学生仿佛漫游真实的施工现场。对于部分空间感较差的学生，具体模型使知识更加形象，从而加深对知识的理解[6]。学生还可以通过亲自操作对已有模型的解剖，展现一些重要施工工艺，了解不同施工阶段的信息，能够对每一个施工阶段都有深入的了解。VR技术的应用能够弥补传统教学的缺陷，也能解决实践教学过程中学生动手机会少、上手难的不足。以往学生很大程度上是通过死记硬背教师课上所讲的知识，很难把握重点、难点。对于不同的学生，教师可以选择特定的模拟场景对学生进行针对性教学。

1.培养学生的学习主动性。在学习过程中学生不再是被动学习，教师在课堂上也转变为以学生为中心的“主动式”教学方法，积极引导学生的求知欲和探索欲。在整个教学过程中，教师由原本单一“教”的角色逐渐转变为“导”的角色。引入BIM和VR技术将课堂理论与实际工程相结合，利用具体模型能够达到边实践边学习的效果，有效培养了学生发现问题、思考问题、解决问题的能力，培养学生对工程的具体概念[7]，将所学知识及时与实际工程相结合，学与用能结合起来。

2.学习形式多样化。与传统的“土木工程施工”课程相比，VR和BIM技术能够带给学生更深刻的施工现场体验，生动形象的模型教学还能活跃课程氛围。BIM可视化特点结合VR沉浸式特点使得原本抽象的知识点变得生动形象起来。虚拟的施工场景具有不受时间、空间限制的特点，并且没有场地、机械耗费、交通费用和施工安全等问题，学生可以在任何时间进行深入学习。在教学过程中可以模拟实际施工现场进行工作分配，学生可以根据自己的角色合作完成工作，进而锻炼学生团结协作的能力，培养集体意识。

3.教学模式安全可靠。使用BIM和VR技术进行虚拟建模实验，可以对一些已经建好的工程模型的各部分进行详细分析，学生不但可以对每个施工阶段需要做的工作均有更深刻的了解，还完全避免了观摩施工现场带来的安全隐患问题，使课堂教学和现场实践高度结合。BIM和VR技术的使用，还可以减少个人技术、环境因素以及材料性能差异等问题对工程的影响，降低不确定因素对课程的影响，保证课程质量，提高了课程的可靠性。

4.考核方式全面。使用BIM与VR技术相结合的教学模式之后，我们可以更改以往的考核模式。传统的考核模式并不能完全反映学生的应用能力。在施工过程中，以解决问题为目标，可以通过多手段、多途径实现。利用BIM与VR技术进行施工模拟考核，能使学生准确掌握土木施工操作，运用VR模拟实践教学，BIM模型实物为纽带，在基础理论试卷考核方式之外增加“以能力为主”和“以服务施工为目的”的考核，将学生应对工程实际情况与现场能力，以及解决突发情况的能力贯穿在课程教学之中，更高效达成施工课程的教学目的。

5.促进教师团队建设。教与学相辅相成，BIM与VR技术的使用除了培养出一批新工科学生，还在一定程度上促进了教师的成长。现如今技术发展迅速，而教师由于课堂等因素的限制不能及时更新教学内容，这在一定程度上会导致老师教的内容跟不上技术的更新。特别是对一些没有工地现场实际经验的年轻教师，他们讲课大多过分依赖多媒体课件，这对施工课程来说是一种不足。在课堂上使用BIM与VR技术则无需考虑这个问题，课堂教学即能与实际工程接轨。

五、结论和展望

在有限的教学时间内，将BIM与VR技术相结合的教学方法提供了一种对课堂进行沉浸化、生动化、实际化的方式，让学生作为课堂的直接参与者，以一种更加积极主动的方式获取知识，让整个课堂“活”起来，氛围更加融洽。通过BIM与VR技术的沉浸式展示，使学生对土木工程施工的流程与工艺有了更加全面和直观的认知。

在当前单向的“满堂灌”的教育模式下，基于BIM与VR技术的“土木工程施工”课程能够成为一种新颖且有效的教学方法，也可以作为更加规范的考核方式。借助网络平台与线下设备，基于BIM与VR技术的“土木工程施工”课程可以在未来得到进一步推广。推广的关键在于教学中场景与模型，以及人机交互系统，这离不开教师、学生与专业技术人员的配合。VR技术与BIM相结合是土木施工课发展的基石，不断改进模拟环境与内容，才能让师生切实体会到其优势。在今后的发展中，这种教学方式将显示更重要的价值。

参考文献

[1]田江永.《建筑施工技术》课程教改的探讨[J].时代教育（教育教學版），2008（6）：136+3.

[2]林峰，顾祥林，何敏娟.现代土木工程特点与土木工程专业人才的培养模式[J].高等建筑教育，2006（1）：26-28.

[3]王作文，万旭升，孟晓平.土木工程施工课程多样化教学模式改革与实践[J].高教学刊，2020（19）：143-146+149.

[4]吴艳，陈永明.大学课堂教学的现状分析及思考——基于全国十所高校的实证调查[J].高教探索，2015（11）：88-93.

[5]杨阳，姚刚，沈鑫，等.基于VR和BIM技术的场景沉浸式土木工程施工课程建设[J].教育教学论坛，2020（7）：248-250.

[6]陆海燕，鲍文博，宁宝宽，等.BIM与VR技术在土木工程施工教学改革中的探索与实践[J].高等建筑教育，2018，27（5）：127-131.

[7]李淑敏.BIM技术在土木工程施工中的应用分析[J].中国建筑金属结构，2021（6）：98-99.