虛擬仿真實驗教學的探索與實踐

趙銘超, 孫澄宇

(同濟大學 建筑與城市規劃學院， 上海 200092)

虛擬仿真實驗教學的探索與實踐

趙銘超, 孫澄宇

(同濟大學 建筑與城市規劃學院， 上海 200092)

為了繼承和發揚我校建筑學專業重視實驗教學的優良傳統，提出新時代背景下虛擬仿真實驗教學建設的新思路。結合已完成的“宋保國寺大殿仿真建構實驗”和“交通流虛擬現實實驗”兩個模塊案例的開發與教學實踐和國家級虛擬仿真實驗教學中心建設，在早期數字時代圍繞尖端設備采購與服務的建設1.0模式基礎上，通過校企合作的方式，提出以“內容建設”為中心，以數字化的虛擬仿真技術與互聯網技術構筑起一系列的在線虛擬仿真實驗教學資源，即2.0模式。并詳細介紹了兩個模塊的功能設計與教學應用。

慕課; 基于互聯網; 虛擬仿真; 建筑學專業

0 引 言

以“慕課”為代表的在線學習方式，基于互聯網，具有交互功能，徹底改變了傳統的“教”與“學”的方式，使全球各地的在線學習人群能夠共享優質的教育資源[1]。根據在線行為“碎片化”的特點，國外一些高校，重新組織了教學知識群，提出了在10 min左右完成的“微課程”模塊理念[2]。具體來說，除了傳統的教學要素外，還提供了在線測試、在線問題、課后在線作業、演示動畫、虛擬實驗、講座視頻等各種補充內容。通過這些在線互動平臺，激發學習者使用在線學習資源，參與到學習中，增加更多的“有效學習”。顯然，高校正面臨著一場變革，而這也關乎到虛擬仿真實驗教學的可持續發展[3]。 我國教育部根據國際在線教育的發展要求，積極組織國內一些頂尖高校開展“慕課”以及虛擬仿真實驗教學中心的建設，我校也組織專家學者進行研討、學習國內外先進在線教學理念，積極開展在線教學改革。

國外學者早在20世紀末就提出了“網絡虛擬實驗(Web-based virtual experiment)”的概念，即虛擬仿真實驗教學2.0[4]。因受限于當時的網絡環境和技術條件不成熟，直到2010年前后才有了一定的發展。國外較為著名的2.0平臺有卡耐基-梅隆大學的虛擬實驗室、麻省理工學院的WebLab、加拿大的DRDC項目、伊利諾伊大學芝加哥分校的Vicher系統[5]。

國內學者在2004年也引入了在線虛擬仿真實驗教學的概念[6]，國內較為成熟的2.0平臺有清華大學工程力學虛擬實驗室、浙江大學的虛擬電工電子網絡實驗室、中國科技大學的“大學物理計算機仿真實驗系統”等。

2.0時代的虛擬仿真實驗教學，是以基于互聯網與個人移動設備的隨時隨地的在線使用為特點[7]。技術的成熟加上計算成本的降低，個人移動設備的計算能力已經可與專業圖形工作站相當，而每位師生都有的個人移動終端(如iphone、ipad、超級筆記本等)，加上無處不在的無線寬帶設施，使在線實驗教學資源可以直接成為當下“慕課”的重要內容，順應在線學習的時代趨勢[8]。

1 虛擬仿真實驗教學

在這一時代背景下，我校于2014年底獲批成立的“國家級建筑規劃景觀虛擬仿真實驗教學中心”(后簡稱“中心”)，旨在依托自身的優勢實驗教學資源，按照已制定的實驗教學建設框架，建設一批適應現代高校在線實驗教學的虛擬仿真實驗模塊。

依靠建設交互功能完善的在線虛擬實驗教學模塊，使原有的一些實驗教學環節，如較危險、較昂貴，或根本無法實施的一些重要的專業實驗， 通過在線虛擬實驗教學的模式，得以輕松實現。中心按建設總體框架，實現建筑、規劃、景觀專業課程的實驗模塊的開發，并在這一過程中總結建設、開發的經驗，為后續的模塊開發提供可借鑒的經驗和技術支持，也為全國同類院校提供實踐的經驗和資源共享，以推動其他高校虛擬仿真實驗教學的建設。

2 建筑規劃景觀虛擬仿真實驗教學中心建設思路

中心建設將圍繞專業課教師展開，以“內容制作”為中心，應用成熟的互聯網技術，遵循師生用戶群體的使用習慣，順應互聯網應用的發展趨勢，圍繞師生的用戶體驗來建設實驗模塊，即虛擬仿真實驗教學建設2.0時代。

2.1 應用具有成熟技術的解決方案

隨著教育經費的大量投入，使虛擬仿真技術逐漸改進和完善，并應用在各個行業領域，為高校的虛擬仿真實驗教學提供了技術成熟的解決方案。2004年學校斥資100萬元采購了具有6通道的Barco立體弧幕展示系統，通過一套專用虛擬場景制作軟件和3臺圖形工作站實現了臨港新城的城市環境漫游；2013年，本科生的課外活動項目，通過購買2 000多元的6頭顯卡和一套普通三維建模軟件，就實現了環幕演示。全球計算機軟硬件的飛速發展和日趨成熟的虛擬仿真技術，也使得高校的虛擬仿真教學不斷走向成熟。

在大量資本涌入和推動下，游戲產業蓬勃發展，廉價便宜的面部設備Kinect、落手操控算法Nimble、高分辨率頭戴顯示設備Oculus等一批虛擬仿真的交互設備，均可在在線購物網站上購買到，并且價格低廉，技術成熟，用戶體驗良好，使得 1.0時代那些費用高、體積大、效率低的“專業設備”逐漸被淘汰[9]。

同時，除了傳統的筆記本電腦外，各種個人移動計算設備也得到了空前普及，其基于GPU的三維圖形計算能力也已經可以媲美當年的專業圖形站[10]。

因此，不斷升級的高速互聯網寬帶、便宜廉價的個人移動計算設備、成熟的虛擬仿真技術及交互設備，為在線虛擬仿真實驗教學提供了強大的技術支持。

2.2 以熟練應用移動設備的高校師生為用戶基礎

如今的互聯網時代，終端設備的功能越來越強大，隨處可見“低頭族”，年輕的高校教師和青年學生也不例外，時刻通過功能強大的終端設備來獲取信息，他們可以通過任意時間來獲取知識。以“慕課”為代表的“在線學習資源”，正好符合師生的這一行為特征。

通過對互聯網應用成功案例的分析總結，共同特點如下：

(1) 小型化、微型化。內容和知識點要“小型化”“顆粒化”“微型化”，盡可能使學習者在10 min內完成。

(2) 重視“搜索”功能。學習者面對大量的知識點，需有強大的搜索功能，在最短時間內找到想學的知識點，避免將時間浪費在尋找知識點上。

(3) 舉一反三功能。每個知識點須具有指向相關知識點的跳轉路徑，便于拓展學習。

(4) 建立完善的互動機制和平臺。師生之間可就知識點進行在線互動，解答疑難。

(5) 建立成熟的用戶社區。在線教學中體現為，學生之間、學生與教師之間，通過系統形成了成熟的在線用戶社區(user community)[11]。

通過對比較成熟的在線網站的用戶行為進行研究，不難發現，皆具有以上特征。虛擬仿真教學實驗資源也將遵循以上用戶行為進行建設，并根據高校自身特點，定制遵循高校環境特點下的虛擬仿真實驗教學資源。

2.3 虛擬仿真實驗教學資源的來源和實現方法

教師是高校的教學主體，是教學資源的創造者和更新者，學校在線虛擬仿真實驗教學資源的“內容”建設也一定是圍繞著內容的創造者專業教師展開。

在互聯網時代，可以提供虛擬仿真技術的軟件開發公司，就技術來說，能夠勝任的公司不少；但能夠提供在線虛擬實驗教學內容的設計，只有專業教師才能勝任，利用教學上的豐富經驗，能設計出實驗目的明確、知識點豐富、通俗易懂、由易入難、專業素材規范的虛擬仿真實驗的教學內容。因此，專業教師才是在線虛擬仿真實驗教學內容質量的關鍵所在。建筑規劃景觀虛擬仿真實驗教學中心，組織一批專業教師完成實驗內容設計，交由專業公司完成開發工作，各司其職，各自發揮優勢，完成虛擬仿真實驗的教學實驗建設。

建筑規劃景觀虛擬仿真實驗教學中心，依托國內一流的教學師資，按照教育部及學校相關部門指導意見，在現有成熟的實驗教學課程基礎上，擬定了3個層次6個領域的在線虛擬仿真實驗教學建設框架體系(見圖1)。

圖1 在線虛擬仿真實驗教學建設體系

針對這一體系，中心采取“校企合作”的方法進行建設，充分發揮各方所長——由教師負責實驗設計，由企業進行定制軟件開發，由中心負責體系協調與資源募集。

3 建筑規劃景觀虛擬仿真中心建設案例

“宋保國寺大殿仿真建構實驗”和“交通流虛擬現實實驗”兩個項目是國家級建筑規劃景觀虛擬仿真實驗教學中心的首批在線實驗教學模塊項目。項目由建筑規劃景觀虛擬仿真實驗教學中心組織開發，校企共同合作研發。自2015年9月項目開展以來，開發公司與我校兩位老師在數月間，進行了反復的學術和研發討論，攻克了數個技術難題，目前2個模塊已建成。

3.1 宋保國寺大殿仿真建構實驗

保國寺，位于浙江省寧波市北的靈山，1961年被國務院公布為第一批全國重點文物保護單位[12]。保國寺大殿，是寺內現存最早的建筑，重建于北宋(公園1013)[13]，清康熙二十三年增建重檐，成為重檐歇山頂式，是現存長江以南保存最完整、歷史最悠久的木結構建筑。[14]“宋保國寺大殿仿真建構實驗”，是虛擬建構系列中的中國古建筑部分之一。在“宋保國寺大殿仿真建構實驗”教學中，通過應用虛擬現實仿真實驗進行輔助，學生可以更為有效地進行自主學習，快速掌握北宋廳堂建筑的特點；學習宋代木構建筑各個主要構件的名稱、位置、和形象，了解其建造過程(見圖2)。

圖2 大殿木構構件認知

模塊提供的自主學習功能包括：構建認知和建造過程認知的自主學習功能。同時為學生設計了相應的學習自檢功能，包括：構建考核和建造過程考核(見圖3)。

圖3 “宋保國寺大殿仿真建構實驗”模塊功能界面

目前“宋保國寺大殿仿真建構實驗”在線虛擬仿真實驗模塊的主要功能已基本實現，并可流暢操作。后續，還將應用虛擬現實中的仿真模型，加入對大殿構件的殘損狀態進行檢測觀察的功能。

3.2 交通流虛擬現實實驗

本項目主要是通過將設計成果進行虛擬仿真實驗，在未來的模塊建設中，希望發展為專業應用與創新實驗以及課題研究與創新實驗。

項目選取經典居住區的設計(見圖4)，包括住宅分布、道路路網、小區出入口等。通過分別調整校區交通結構(出行方式比例)與道路斷面，觀察小區中的交通情況以及交通結構與道路斷面的相互關系[15]。

圖4 經典居住區平面圖

軟件系統的主要功能已基本得到實現，并可流暢操作，包括：交通數據、道路斷面、時段選擇、查看模式和輸出參數(見圖5)。

(1) 交通數據。手動輸入搭乘比例與出行方式比例，機動車換乘比例調整幅度在1～4之間，每種交通方式的出行方式比例調整幅度在0～100%之間，且總出行比例為100%。

(2) 道路斷面。提供4種道路斷面，分別為：4 m，5 m，7 m，9 m。

(3) 時段選擇。分為早高峰，平時以及晚高峰3段。

(4) 查看模式。全區查看。

(5) 輸出參數。主要包括兩部分，另一部分是以平面圖的形式顯示交通流狀況，一部分是輸出參數顯示。

圖5 “交通流虛擬現實實驗”模塊功能界面

學生通過“交通流虛擬現實實驗”的在線學習，可以針對自己的方案，利用課外時間，在交通系統方面進行模擬，對自己的方案在交通方面進行評價和感受，從而培養學生的獨立研究能力。原課內學時中的實驗部分將有條件轉化為課外的自主學習學時，從而減少課內學時。更重要的是，學生通過實際模擬，加深了對本課程的興趣，通過虛擬現實，可以構建理論課和設計課之間的橋梁，學生在理論學習與現實之間的困惑便可迎刃而解。

4 結 語

建筑規劃景觀虛擬仿真實驗教學中心，自2014年底獲批掛牌成立以來，學院領導及中心建設班子按照教育部及學校相關部門指導意見，順應數字時代下的實驗教學要求，共同擬定了新時代背景下的虛擬仿真實驗教學模塊的建設思路，根據學院自身條件，循序漸進，逐步開展建設工作，將最終實現既定的建設目標。

[1] 梁林海，夏穎越. 美國高校在線教育：現狀、阻礙、動因與啟示[J].開放教育研究，2016(2) ：27-36.

[2] 袁 莉，斯蒂芬·鮑威爾，比爾·奧利弗．后MOOC時代：高校在線教育的可持續發展[J]．開放教育研究，2014(3)：10-15．

[3] 王衛國．虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議 [J]．實驗室研究與探索，2013，32(12)：5-8．

[4] 孫澄宇，黃一如. 同濟大學虛擬仿真實驗教學2.0建設[J]. 城市建筑， 2015(28): 43-45.

[5] 袁學倩，鄔家煒，基于協作實驗模式的虛擬實驗系統研究[J]．計算機與現代化，2010(6)：23-26．

[6] 江 勇，江文莉．虛擬實驗室的架構原則與技術[J]．濟南教育學院學報，2004(3)：56-57．

[7] 韋 林，陳榮康，楊國標，等．力學實驗教學示范中心建設與發展中的探索與實踐[J]．力學季刊，2008(4)：656-659．

[8] 劉 佳，徐竟成，施鼎方．環境科學與工程實驗教學示范中心可持續發展與建設[J]．實驗室科學，2015(2)：7-9．

[9] 張飛剛，蔡建樂，李 冰．力學虛擬實驗網絡多媒體課件設計與實現[J]．現代遠距離教育， 2007(6)：72-74．

[10] 孫澄宇，胡 拓，德·福里斯．多出口選擇中的幾何影響因素定量化研究[J]．建筑科學，2011(12)：76-80．

[11] 熊 焰，姚 俊．在線仿真物理化學虛擬實驗系統的開發[J]．化工高等教育， 2012(1)：26-29．

[12] 徐學敏,邱明亮.千年傳奇保國寺[J]. 文化交流, 2014(1)：28-33.

[13] 何 巖,王 玥.寧波保國寺古建筑虛擬現實表現的應用——建筑動畫表現[J]. 美與時代(城市版), 2016(4)：87-93.

[14] 張十慶.保國寺大殿的材栔形式及其與《營造法式》的比較[J]. 中國建筑史論匯刊, 2013(1)：37-43.

[15] 徐磊青，劉 寧，孫澄宇．廣場尺度與空間品質——廣場面積、高度比與空間偏好和意象關系的虛擬研究[J]．建筑學報，2012(2)：74-78．

Exploration and Practice of Pedagogy with Simulation-based Experiments

ZHAOMingchao,SUNChengyu

(College of Architecture and Urban Planning, Tongji University， Shanghai 200092, China)

This essay profiles a new perspective of simulation-based education in new era in association with the excellent and experimental tradition of the architectural discipline in Tongji University. On the basis of two recently launched projects, the “Virtual Construction of the Song Dynasty Baoguo Temple” and the “Traffic Flow Experiment”, the newly established National Center for Simulation-based Pedagogy in Architecture, Urban Planning and Landscape Architecture proposes a new way of college-corporation collaboration with a focus on “content creation.” Instead of the 1.0 mode, which revolved around hardware construction, the 2.0 mode builds a series of online resources in simulation-based education by engaging with VR and internet technologies.

MOOCs; Web-based; virtual and simulation; architeetural discipline

2016-08-15

全國工程專業學位研究生教育自選研究課題(教改項目)《在線虛擬仿真實驗平臺的關鍵能力研究》(2016ZX-169)

趙銘超(1981-),男,黑龍江青岡人，碩士,助理工程師,中心主任助理。主要從事教學科研工作。

Tel.：15901961299； E-mail：zhaomingchao@tongji.edu.cn

孫澄宇(1978-),男，上海人，博士，副教授,中心常務副主任，主要從事教學科研工作。

Tel.:13764024274； E-mail: ibund@126.com

TU 05; G 642.0

A

1006-7167(2017)04-0090-04