基于虚拟仿真的建筑装配式施工方向人才培养研究

程 斌 郑 非

(1.武汉城市职业学院 湖北 武汉：430064；2.武汉工程职业技术学院 湖北 武汉：430415)

装配式建筑是指建筑的主要部品部件在构件厂预制生产，运输到施工现场，通过起吊机具和连接配件进行装配而成的建筑形式。与传统建筑相比，具有施工速度快、质量稳定、降低成本、节约能源、工业化程度高、环保性好等多种优势[1]。根据住建筑《“十三五”装配式建筑行动方案》，到2020年，全国装配式建筑占新建建筑的比例达到15% 以上。当前湖北省正处于发展期，《湖北省人民政府办公厅关于大力发展装配式建筑的实施意见》提出，到2020年，武汉市装配式建筑面积占新建建筑面积比例达到35%以上，襄阳市、宜昌市和荆门市达到20%以上,其他设区城市、恩施州、直管市和神农架林区达到15% 以上；到2025年,全省装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%以上[2]。同时提出鼓励和引导省内有关高等学校、职业学校开展校企合作,开设装配式建筑相关专业，培养专业技术人才[1]。

1 高职院校装配式建筑教学现状

当前,高职院校已经陆续开设装配式建筑相关课程，但偏向于技术理论方面，更多的是在理论教室运用多媒体信息手段进行教学，实践性环节开展不够全面。针对于装配式建筑实训教学，很多装配式建筑实训室建设方面还不够完善，建设了建筑实体模型，但是模型是静态的，实际利用有限。建设了施工操作实训场，但是不能与课堂形成互动整体。而且装配式混凝土结构实训难以开展，场地如何设置，工位如何布置，实训项目设计等因素成为难点，如何将技术成果向实训教学方面转化，是一个值得实践研究的问题。因此,装配式建筑施工课程实训教学研究方面还是有很大研究空间[3]。

2 建筑装配式施工方向人才培养方案

在建筑产业现代化中要开展装配式教学，必须将教师教学、学生认知学习、日常实训、岗位实习、知识考核统一起来。而且装配式建筑专业教学的建设，必须配套相应的课程开发、教材开发、教学资源开发、实验实训项目开发，及虚拟仿真实训系统等的开发，才能体现建筑产业现代化虚拟仿真实训中心建设的真正意义[4]。

2.1 教学设计

教学设计基于教学与装配式建筑构件生产厂和装配施工工地的岗位，通过 “教”、 “学”、“训”、“考”四环节(详见图1)，配套装配式建筑虚拟仿真实训系统，实现一体化教学设计，满足教学需求。

图1 “教学训考”模式图

教学内容设计要求：针对构件厂和装配施工现场的典型工作流程和项目任务，分析岗位所需要的技能和素质，以岗位真实工作任务为载体，依据岗位规范、行业标准，按照生产工艺流程，设计典型学习单元。每个学习单元由一个或多个完整和相对独立的工作任务为载体，学习单元及任务之间遵循“认知——实训——实习”的低级到高级、单一到综合的，符合学生认知的规律和职业成长的规律(详见图2)。

图2 学习进程图

2.2 教学模式

结合学校原有教学模式，根据行业发展新形势要求，融合 “教学训考”一体化模式，运用行动导向教学法，采用软硬结合的一体化教学手段(图3)，即：学生学习的内容是工作，实现项目教学和任务驱动教学。基于工作过程导向设计教学内容，来源于装配式建筑构件生产厂和装配工地实际工作情景和项目任务，让学生在硬件实训台上，通过亲自操作，达到对装配式建筑的认知、日常实训和顶岗实习。

图3 人才培养教学模式图

2.3 人才培养改革内容

2.3.1 课程体系

在《建筑工程技术专业人才培养方案》指导下，开设”装配化”施工方向,增开《砼构件生产》和《装配化施工》两门课程。将构件工厂全流程及装配施工现场以虚拟仿真的形式搬进教室，同时开发出“装配式建筑虚拟仿真实训系统”。围绕本实训系统，配套开发课程标准、教学设计、教学资源、项目化教材，并采用一体化教学模式，利用系统自身的评价考核功能，实现“装配化施工方向”的教学过程[5]。

2.3.2 实训系统

根据建筑产业现代化装配式建筑特点，综合行业规范，分别从装配式构件生产流程和装配化施工现场流程出发，以企业岗位为教学设计基础，围绕《砼构件生产》和《装配化施工》两门课程教学需求，开发出“装配式建筑虚拟仿真实训系统”。

以实际完成的装配式建筑工程案例为原型(详见图4)，实现与生产、装配过程1:1综合训练。系统配套《砼构件生产》和《装配化施工》课程标准、教学设计、项目化实训教材及微课、图片、视频、交互动画等多种教学资源，利用虚拟仿真技术，进行构件生产和现场装配的模拟、动态演示、交互式操作实训，软硬件结合一体化教学模式，满足二年级学生的日常实训和最后0.5学年的校内顶岗实习，并实现结果智能考核。

图4 装配式建筑虚实结合实训基地示例

2.3.3 教学资源

依据《砼构件生产》和《装配化施工》两门课程教学要求，从“装配式建筑虚拟仿真实训系统”中，拆解整合成完全适用于教师直接教学的资源(详见图5)。

图5 主要教学资源图

2.3.4 评价考核

“装配式建筑虚拟仿真实训系统”中的“仿真软件”和“工程案例”模块，是把工厂搬进教室，考核也由单一的课堂考试变为多元化的评价形式，引导教师和学生按照一体化教学模式的特点开展项目任务活动，重视过程评价， 评价形式多样化：笔试、实操、构件制作、操作步骤、标准规范、异常工况处理、现场问题解决能力、综合 分析报告等，均列入考核评价方式(详见图6)。

图6 评价体系图

2.3.5 实训内容

装配式建筑虚拟仿真实训系统根据学生认知规律和岗位设置，分为三个阶段：

(1)认知阶段:VR漫游

对于大一新年而言,在教学过程中，通过VR漫游的方式，让学生对装配式建筑产生直观的认识，不但能让学生快速、准确的了解装配式，更能激发学生学习的兴趣和爱好，为进一步学习装配式奠定基础。

教学过程中，通过VR技术的3D漫游展示(详见图7)，学生可以选择性地学习一个真实的装配式建筑工程楼，从原料如何转化为构件，构件如何进行装配，构件之间如何实现连接和加固，最后如何进行装修和验收。每个工程案例的VR漫游都能使得学生在游戏环境中针对不同装配式建筑形成过程产生感性的认识，作为装配式施工方向学生掌握和理解装配式建筑专业的有效工具，同时也是学生在完成每个知识点和技能点学习后的强化理解和掌握的手段。

图7 VR技术3D漫游展示案例

(2)实训阶段:仿真软件

二年级的学生通过一年的学习，对装配式建筑已经形成足够基本的认识和了解。随着《砼构件生产》和《装配化施工》两门课程的开设，教学过程需要学生开始开展日常的技能实训。

按照构件厂实际生产流程(详见图8)，根据企业岗位需求，进行模块化划分。以纯软件方式实现单模块的独立学习、训练、考核和评价。所实训的构件内容依据标准图集典型构件进行设计[6]。

仿真软件分为教师端和学生端。教师端的主要功能是完成训练、考核任务的下达，结果的评价和查阅。学生端分为控制端和虚拟端，主要功能是自主的或根据教师下达的训练任务，通过控制端虚拟控制台发送指令到虚拟仿真软件的实时控制，以完成所有任务的操作。

图8 构件厂流程示意图

(3)实习

根据教学进程，考虑学校综合教学及方便学生顶岗实习，结合企业生产规律，提出“0.5解决方案”，即为学校量身建设专业的“工程案例”实训中心，在最后一个学期，用虚拟仿真的技术手段把工厂操作搬到实训室，以三维虚拟仿真的表现形式展现给学生，并结合真实的指令操作台来实现完整的操作过程，使学生能够体验到一线操作人员的生产装配过程，做到学生走出校门就能适应装配式建筑生产与装配施工的多个岗位工作，快速成为行业熟手,具体如下:

(1)以实际案例为依托，完成装配式建筑的构件生产与装配；

(2)学生从识图及工艺安排开始，完成整个实训大楼的全工艺流程；

(3)软硬件相结合，实现与实际生产、装配施工过程1:1综合训练；

(4)学生按岗位分工完成实际案例全过程训练；

(5)一套实训操作台可对应多种结构工程案例。

工程案例软件对应的装配式工程建筑，同样遵循装配式生产流程，从构件生产、构件运输到现场装配，与纯仿真软件的训练流程一致。但工程案例系统根据典型案例建筑为设计依据，设计图纸、过程资料完全基于案例建筑资料，将案例建筑生产细节及所需构件完全仿真，还原案例建筑真实的施工过程。同时教师仅需选择指定的案例建筑进行计划下达，学生即可根据岗位分工进行协作，开始一栋大楼的生产实训。实训过程中，各个工序模块不再像纯仿真软件独立训练及评价，而是依据生产顺序逐序将本模块操作实训结果传递到下道工序作为生产原料或生产条件，过程结果交叉质检岗位检查，实训最终完成案例建筑的全过程装配[7]。

3 结语

基于虚拟仿真的装配式建筑有利于技术技能型人才培养，能促进人才培养的针对性和实效性, 能充分调动校企双方参与人才培养的积极性和主动性，提高学生的实操能力，同时既能顺应建筑行业产业升级的需要，又能进一步发挥院校作为省级特色名校的引领和辐射作用，带动整个专业群的发展，为地方经济服务,也是建筑工程技术专业人才培养模式改革创新的必由之路。