王浩

摘要：道路工程設(shè)計(jì)是土木工程專業(yè)（道路與橋梁工程方向）重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié).目前實(shí)踐教學(xué)過程中存在較多不足和問題，教學(xué)效果不佳，而Roadleader（路立得）軟件虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用，為學(xué)生提供設(shè)計(jì)、建模和仿真平臺(tái)交互操作的真實(shí)體驗(yàn)環(huán)境，有效緩解了該課程實(shí)踐教學(xué)所面臨的困境.通過問題分析、案例分析和教學(xué)改革措施研究，詳細(xì)介紹了道路工程設(shè)計(jì)課程開展虛擬仿真教學(xué)的具體教改措施，實(shí)踐證明虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用能明顯提高該課程實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量.

關(guān)鍵詞：道路工程;虛擬仿真;實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：G642.45? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）04-0160-03

道路工程是國家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)正常運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施，具有總量大、路線長、投資巨大、建設(shè)與運(yùn)營周期長等特點(diǎn).同時(shí)道路工程長期直接暴露在復(fù)雜的自然環(huán)境下，勘察設(shè)計(jì)困難，施工工序繁多、組織管理復(fù)雜.道路工程的在設(shè)計(jì)、施工和管理方面的這些特點(diǎn)和困難，同樣也是土木工程專業(yè)（道路與橋梁工程方向）道路工程實(shí)踐教學(xué)所面臨的困境.同時(shí)，在日常實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)校在教學(xué)設(shè)備和教學(xué)手段方面無法提供真實(shí)的工作環(huán)境與工作條件，因此，面臨著實(shí)踐教學(xué)與實(shí)踐操作和工作嚴(yán)重脫節(jié)的困境，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)枯燥乏味，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，教學(xué)效果不佳.而虛擬仿真技術(shù)通過利用虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、仿真等信息化手段，構(gòu)建開放自主、高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境、儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)對象[1]，打破以教師為中心的傳統(tǒng)的教師為中心實(shí)踐教學(xué)模式，探索以學(xué)生為中心的新模式，將先進(jìn)的教學(xué)理念和最新的規(guī)范要求設(shè)計(jì)在實(shí)踐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中[2]，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果顯著提高，為實(shí)現(xiàn)教學(xué)的理念先進(jìn)、理論科學(xué)、實(shí)踐創(chuàng)新提供設(shè)備基礎(chǔ)和技術(shù)支撐[3].

通過運(yùn)用Roadleader（路立得）軟件提供的虛擬仿真技術(shù)，為學(xué)生提供設(shè)計(jì)、建模和仿真平臺(tái)交互操作的真實(shí)體驗(yàn)環(huán)境.開展道路設(shè)計(jì)的虛擬仿真實(shí)踐操作，向?qū)W生傳授相關(guān)軟硬件的使用方法，使學(xué)生能全面熟練掌握道路勘測設(shè)計(jì)基本技能并了解相關(guān)的先進(jìn)技術(shù).

1 道路工程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)存在的問題

道路工程設(shè)計(jì)按照選線、定線、平面設(shè)計(jì)、縱斷面設(shè)計(jì)和橫斷面設(shè)計(jì)五個(gè)步驟展開，平面交叉、立體交叉、沿線設(shè)施、環(huán)境保護(hù)和景觀等結(jié)合前面五個(gè)步驟的實(shí)際情況和整體布局進(jìn)行設(shè)計(jì).通過實(shí)踐教學(xué)評價(jià)和學(xué)生意見調(diào)查反饋發(fā)現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高，教學(xué)效果不佳.例如選線和定線階段，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)運(yùn)用紙質(zhì)地形圖和CAD地形圖進(jìn)行，學(xué)生對平原、山嶺和丘陵等地形以及復(fù)雜的地質(zhì)情況，很難有直觀的認(rèn)識(shí)，而實(shí)地考察進(jìn)行選線雖然直觀，但實(shí)驗(yàn)成本高，且場地地形單一，不可能涉及各種地形，所以很難在考慮各種地形的前提下完成后面的平面設(shè)計(jì)、縱斷面設(shè)計(jì)和平縱線形組合設(shè)計(jì)[4].

因此，以電子地形圖為基礎(chǔ)的Roadleader軟件通過數(shù)字高程模型建模實(shí)現(xiàn)了道路虛擬仿真設(shè)計(jì)，可以讓學(xué)生在各種不同的地形下進(jìn)行道路設(shè)計(jì)，并能實(shí)時(shí)的查看道路三維仿真動(dòng)態(tài)效果圖，直觀方便的檢查設(shè)計(jì)效果，以及對不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較.

2 教學(xué)案例

Roadleader軟件是一款基于BIM理念的三維道路設(shè)計(jì)軟件，除了常規(guī)的路線設(shè)計(jì)、縱斷面和平面設(shè)計(jì)外，具備地形三維建模、交叉口三維建模、道路三維建模、自動(dòng)更新以及三維漫游等功能，可以查看三維的地形、交叉口、綠化景觀、道路設(shè)施等，并且可以實(shí)現(xiàn)在高仿真環(huán)境中的駕駛視角、高空飛行視角等多視角的模擬行車，直觀的觀察全路線實(shí)況，切身感受平面線形連接變化、縱坡起伏、平縱組合、超高和加寬過渡等設(shè)計(jì)是否合理.通過Roadleader軟件進(jìn)行道路設(shè)計(jì)，按照建立數(shù)字地形模型、路線設(shè)計(jì)（平面線型設(shè)計(jì)）、縱斷面設(shè)計(jì)、道路設(shè)計(jì)（道路橫斷面設(shè)計(jì)）主要的四個(gè)步驟進(jìn)行[5].

第一步是建立數(shù)字地形模型，打開一張?jiān)嫉腃AD地形圖，地形圖中主要用的數(shù)據(jù)是高程點(diǎn)和等高線，還有一些河流、房屋的邊界線等，高程點(diǎn)和等高線都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)和屬性.地形圖數(shù)據(jù)完整條件下，通過軟件高程點(diǎn)識(shí)別和快速轉(zhuǎn)化等高線功能可以自動(dòng)識(shí)別高程數(shù)據(jù)，建立三維地形模型，并查看三維地形，直觀查看高程異常的高程點(diǎn)，通過高程檢查來排序查找出高程數(shù)據(jù)異常的高程點(diǎn)，并將錯(cuò)誤數(shù)據(jù)改為正確的數(shù)據(jù).

第二步平面線型設(shè)計(jì)，提供了導(dǎo)線法和曲線法兩種設(shè)計(jì)方法，對于主線，不管公路還是市政道路，大多數(shù)采用導(dǎo)線法進(jìn)行設(shè)計(jì)，而對于立交、匝道采用曲線法進(jìn)行設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)前需要對地形有詳細(xì)的了解，軟件對地形圖高程范圍用不同的顏色進(jìn)行表明，同一個(gè)顏色或者顏色相近說明高程相差不大，可以直觀顯示出地形走勢和范圍，輔助學(xué)生進(jìn)行平面線型設(shè)計(jì).然后以導(dǎo)線法為例，先是在軟件操作界面中布置導(dǎo)線點(diǎn)，可以布置多個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)，盡量將導(dǎo)線點(diǎn)布置在同一顏色的區(qū)域內(nèi);通過剖切地面線視圖和三維視圖等查看路線高程差變化情況;接下來是平曲線設(shè)計(jì)，主要是緩和曲線和圓曲線組合設(shè)計(jì)，可以通過控制切線、外距等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選定其中一種控制方式和計(jì)算方式，對導(dǎo)線點(diǎn)的圓曲線半徑和緩和曲線長度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并通過軟件自動(dòng)計(jì)算出切線長度、外距值等參數(shù)，計(jì)算完成后，平面線型設(shè)計(jì)即完成.

第三步縱斷面設(shè)計(jì)，先錄入自然縱斷面數(shù)據(jù)，可以自行導(dǎo)入數(shù)據(jù)，也可以從地形圖中提取，生產(chǎn)自然縱斷;接著新建設(shè)計(jì)縱斷和縱斷拉坡圖，進(jìn)入縱斷拉坡圖界面，在起終點(diǎn)之間添加多個(gè)變坡點(diǎn)，根據(jù)地形，調(diào)整邊坡點(diǎn)位置，可以通過保持前坡度不變、保持后坡度不變、高程不變、自由移動(dòng)等多個(gè)方式進(jìn)行調(diào);下一步是豎曲線設(shè)計(jì)，可以通過鼠標(biāo)拖動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以自己設(shè)置曲線半徑等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì);在豎曲線拉坡過程中，可以隨時(shí)通過填挖方視圖查看填挖方變化情況，也可以通過三維視圖查看道路的大概的圖形.

第四步道路工程設(shè)計(jì)，創(chuàng)建道路，設(shè)置板塊形式，提供了高速公路、一級公路、二級公路等公路，以及一塊板、二塊板等市政道路，還可以設(shè)置邊坡、擋土墻的結(jié)構(gòu)形式;設(shè)計(jì)過程中可以隨時(shí)查看三維圖像，如圖1.

道路平面、縱斷面和橫斷面設(shè)計(jì)完成后，可以對邊坡?lián)跬翂?、隧道、橋梁、平面交叉、立交和交通設(shè)施等進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2和圖3，分別是道路設(shè)計(jì)中隧道范圍的平面設(shè)計(jì)圖和用Roadleader軟件生產(chǎn)的虛擬仿真效果圖.軟件還能自動(dòng)計(jì)算土石方量、平曲線表等.

3 教學(xué)改革措施

一是強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)的工程性和綜合性.

道路工程設(shè)計(jì)是土木工程專業(yè)（道路與橋梁工程方向）基礎(chǔ)性的教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容，通過組織學(xué)生自主設(shè)計(jì)道路工程可加深對道路勘察設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容及基礎(chǔ)工程、橋梁工程、隧道工程等相關(guān)課程知識(shí)的理解[6]，培養(yǎng)綜合運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)為畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[7].

道路工程設(shè)計(jì)的題目應(yīng)選擇實(shí)際工程項(xiàng)目，讓學(xué)生參與實(shí)際工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生對積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的能力;道路工程設(shè)計(jì)的題目應(yīng)具有綜合性，不僅是道路的平面、縱斷面和橫斷面設(shè)計(jì)，還要求對擋土墻、隧道、橋梁、綠化景觀等項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)，它綜合了道路工程、橋隧工程等內(nèi)容.

二是豐富教師的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).

負(fù)責(zé)道路工程實(shí)踐教學(xué)的教師，不僅需要儲(chǔ)備大量專業(yè)理論知識(shí)，而且需要有參與工程建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，熟練掌握道路工程設(shè)計(jì)的各個(gè)步驟，進(jìn)而提高自身的專業(yè)素養(yǎng).因此，高校應(yīng)支持和鼓勵(lì)教師到施工單位、勘察設(shè)計(jì)單位及其他相關(guān)單位掛職鍛煉，為教師提供參與工程建設(shè)的機(jī)會(huì)，教師通過對工程操作的實(shí)際了解，是提高教師自身工程經(jīng)驗(yàn)的有效途經(jīng)[8];也可以通過有豐富實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的教師，組建教學(xué)團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)缺乏經(jīng)驗(yàn)的青年教師;聘請企業(yè)中實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的工程技術(shù)人才，以兼職身份加入教師隊(duì)伍中，可以快速的將工程生產(chǎn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)帶入學(xué)校課堂中，或者到校開設(shè)專題講座，解答教師、學(xué)生的疑問;與企業(yè)合作開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件和系統(tǒng)，鼓勵(lì)學(xué)生參入教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)中既可以提高教師學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和能力，又激發(fā)學(xué)生對專業(yè)的興趣、好奇心和進(jìn)一步學(xué)習(xí)探索的欲望，同時(shí)也加強(qiáng)企業(yè)與學(xué)校之間的合作，促進(jìn)雙方先進(jìn)的理念和管理模式交流學(xué)習(xí).

三是設(shè)置開放性實(shí)踐課程，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力.

通過利用實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)、軟件等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在課余時(shí)間開設(shè)實(shí)踐教學(xué)課程，老師指導(dǎo)和協(xié)助學(xué)生實(shí)踐操作，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在課余時(shí)間對自己學(xué)習(xí)的理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐鍛煉，讓學(xué)生能夠?qū)⒆约簩W(xué)習(xí)中的想法和創(chuàng)意，投入到實(shí)踐中，形成一些具有一定創(chuàng)造性的小成果.例如吉首大學(xué)通過設(shè)置實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目，為老師和學(xué)生提供一定的經(jīng)費(fèi)，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué).通過多年的政策實(shí)施，引導(dǎo)學(xué)生積極投入到實(shí)驗(yàn)室科研和教學(xué)活動(dòng)中，最大限度發(fā)揮實(shí)驗(yàn)設(shè)備的作用，鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力.

4 結(jié)論

虛擬仿真技術(shù)具有耗能低、效率高、時(shí)效性強(qiáng)、開放度高等特點(diǎn)，解決了學(xué)生多而實(shí)驗(yàn)設(shè)備少的困境，為學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的提升提供了新的教學(xué)模式.通過Roadleader軟件的虛擬仿真技術(shù)，進(jìn)行道路工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了道路工程全過程數(shù)字化的教學(xué)改革，教學(xué)效果顯著改善，進(jìn)一步提高學(xué)生的專業(yè)技能、實(shí)踐技能和信息技術(shù)應(yīng)用能力，是落實(shí)教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃的具體舉措.

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