土建類專業(yè)“虛實結(jié)合”實踐教學(xué)體系及平臺建設(shè)探討

王莉 王文順 倪國棟

摘要：本文結(jié)合學(xué)校專業(yè)設(shè)置和實驗資源配備情況，對土建類專業(yè)“虛實結(jié)合”實踐教學(xué)體系總體架構(gòu)，以及實踐教學(xué)平臺建設(shè)的內(nèi)容和特點進(jìn)行探討，充分利用先進(jìn)的BIM和VR等技術(shù)和工具，為我校土木建筑工程虛擬仿真實驗平臺的完善提供指導(dǎo)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：虛實結(jié)合；實踐教學(xué)；BIM；VR

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）08-0074-02

一、虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)情況

工程實踐教學(xué)是高等教育的重要組成部分，對于土建類相關(guān)專業(yè)來說，實踐教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力、創(chuàng)新能力、提高綜合素質(zhì)等方面更是必不可少的環(huán)節(jié)，對于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維，增長學(xué)生的創(chuàng)新技能等方面的作用，是其他任何教學(xué)形式所不能替代的。在不斷深化教育教學(xué)改革，全面提高高等教育質(zhì)量的背景下，教育信息化在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力方面的作用不斷凸顯，尤其是虛擬現(xiàn)實等技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)，是20世紀(jì)80年代新崛起的一種綜合集成技術(shù)，涉及計算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等。它由計算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的三維信息的人工環(huán)境——虛擬環(huán)境，可以逼真地模擬現(xiàn)實世界的事物和環(huán)境，人投入到這種環(huán)境中，立即有“親臨其境”的感覺，并可親自操作，自然地與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于教育是教育技術(shù)發(fā)展的一個飛躍。虛擬仿真實驗教學(xué)能實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，在涉及高危或極端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況，能夠提供可靠、安全、經(jīng)濟(jì)的實驗項目。

二、實物模型教學(xué)資源建設(shè)情況

對于復(fù)雜經(jīng)典的建筑結(jié)構(gòu)及施工工藝，還可以借助實物模型教學(xué)法。通過等比例或微縮模型，能夠更加直觀地感受立體建筑的形態(tài)，有助于學(xué)生建立空間思維能力、培養(yǎng)工程識圖能力、提高結(jié)構(gòu)認(rèn)知能力，強(qiáng)化理論知識和實踐認(rèn)知。實物模型教學(xué)法尤其適合建筑施工類課程，具有涉及面廣、實踐性強(qiáng)、發(fā)展迅速等特點，內(nèi)容涉及三大力學(xué)、工程測量、土木工程材料、房屋建筑學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)、砌體工程、地基基礎(chǔ)和管理學(xué)等基礎(chǔ)課程的知識，跨越了技術(shù)和管理兩大學(xué)科，需要掌握的知識點較多，并具有很強(qiáng)的綜合性；課程內(nèi)容本身來自于工程實踐，又用之于工程實踐，主要內(nèi)容針對各工序的施工工藝、施工方法和實際操作過程，具有很強(qiáng)的實踐性。

三、虛實結(jié)合的實驗教學(xué)平臺建設(shè)

基于虛擬仿真和實物模型的教學(xué)方式各有其優(yōu)缺點和適用范圍。在現(xiàn)有實驗資源和軟硬件條件的基礎(chǔ)上，有必要對虛擬仿真、實物模型及其有機(jī)結(jié)合的建設(shè)方案行研究與探索，以充分發(fā)揮虛擬仿真實驗、實務(wù)模型在教學(xué)過程中的作用，實現(xiàn)虛實結(jié)合、優(yōu)勢互補(bǔ)、相互促進(jìn)，最終構(gòu)建適合于土木工程、工程管理、建筑環(huán)境與能源工程、工程力學(xué)及其他相關(guān)專業(yè)，貫穿工程規(guī)劃設(shè)計、實施建造、運(yùn)營維護(hù)等全過程“虛實結(jié)合”綜合實踐教學(xué)體系和共享平臺，以改善對學(xué)生的實踐教學(xué)和工程訓(xùn)練投入不足的窘?jīng)r，有效提升土木工程專業(yè)工程人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1.土建類專業(yè)“虛實結(jié)合”實踐教學(xué)體系總體架構(gòu)。結(jié)合我校土木工程相關(guān)專業(yè)設(shè)置情況，基于虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，構(gòu)建了土建類專業(yè)“虛實結(jié)合”實踐教學(xué)體系，總體架構(gòu)如圖1所示。

2.虛擬仿真實驗平臺建設(shè)內(nèi)容：（1）以BIM技術(shù)作為工程數(shù)據(jù)平臺、設(shè)計平臺、技術(shù)方案制作平臺和專業(yè)協(xié)作平臺。BIM作為建筑行業(yè)信息化必不可少的工具，能夠有效管理工程建設(shè)全過程中涉及的建筑實體信息、施工信息及工程管理等相關(guān)信息，為工程設(shè)計、施工、運(yùn)維及管理提供必要的數(shù)據(jù)支撐，也為各參與方之間的溝通交流提供協(xié)作平臺，如魯班軟件開發(fā)的BIM系列軟件。（2）以施工工藝模擬仿真和管理類軟件作為工程技術(shù)和工程管理實訓(xùn)平臺。在項目實施全過程中需要技術(shù)類和管理類相關(guān)知識和技能。施工工藝模擬仿真實驗主要針對技術(shù)類知識進(jìn)行直觀模擬和強(qiáng)化訓(xùn)練，如維啟科技開發(fā)的各類施工工藝仿真教學(xué)軟件等；而工程管理實訓(xùn)平臺則提供了工程進(jìn)度、資源、成本等實驗教學(xué)平臺，如廣聯(lián)達(dá)科技股份有限公司開發(fā)的各類工程管理類實訓(xùn)平臺等。（3）以虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)作為提供結(jié)果的真實沉浸體驗平臺。現(xiàn)有的建筑工程模型和施工場景，可以借助于虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)為用戶提供沉浸式真實體驗。真實沉浸體驗平臺是以VR技術(shù)為核心，借助于虛擬現(xiàn)實頭盔、眼鏡、數(shù)據(jù)手套、以及光學(xué)位置追蹤系統(tǒng)等設(shè)備捕捉用戶的位置和動作信息，經(jīng)過虛擬現(xiàn)實處理系統(tǒng)，最后通過3D立體顯示系統(tǒng)將結(jié)果反饋給用戶，同時還可以多人協(xié)同交互，能夠為用戶提供逼真的體驗。如曼恒數(shù)字研發(fā)的虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)，可以實現(xiàn)模型的分解、拆裝、漫游等。（4）虛擬現(xiàn)實的真實再現(xiàn)系統(tǒng)，包括典型復(fù)雜的實物模型、3D打印、3D掃描等。

上述部分主要借助于計算機(jī)等軟硬件系統(tǒng)呈現(xiàn)建筑工程的實體模型和施工管理過程。而典型復(fù)雜的建筑及其結(jié)構(gòu)可以借助于實物模型展現(xiàn)出來，可以通過分解和組裝直觀了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)；3D打印可以將電子的建筑模型和構(gòu)件打印輸出實物；3D掃描可以將現(xiàn)有的建筑和施工場景掃描后快速形成虛擬模型。

3.虛擬仿真實驗平臺特點：（1）提供交互式實驗環(huán)境。從BIM模型的創(chuàng)建到施工過程的模擬、施工工藝仿真、交互式虛擬現(xiàn)實模擬等，都需要學(xué)生主動參與，通過提供數(shù)據(jù)與實驗平臺進(jìn)行交互，有效提高學(xué)生參與的積極性和主動性。（2）支持全過程實施過程模擬。虛擬仿真實驗平臺涉及前期策劃、設(shè)計、施工和運(yùn)營等全過程的實施模擬，可以滿足不同專業(yè)、不同課程、不同階段的實踐要求。（3）采用虛實結(jié)合模式。綜合利用虛擬仿真和實物模型等多種教學(xué)方法和手段，通過虛實結(jié)合，合理組織實踐教學(xué)工作，充分發(fā)揮兩種教學(xué)平臺的功能，優(yōu)勢互補(bǔ)。（4）充分利用BIM和VR等先進(jìn)技術(shù)和工具。在實驗平臺建設(shè)過程中充分引入BIM和VR等相關(guān)技術(shù)和工具，將其合理整合的實踐環(huán)節(jié)中，可以充分利用平臺優(yōu)勢，實現(xiàn)對學(xué)生多方面的知識和技能的訓(xùn)練。

四、總結(jié)

無論是虛擬仿真還是實物模型，均來自工程實踐，借助于BIM和VR等相關(guān)技術(shù)構(gòu)建的虛擬仿真實驗平臺，能夠為土建類相關(guān)專業(yè)的實踐教學(xué)提供直觀可視化的基礎(chǔ)條件。基于虛擬仿真的實驗平臺建設(shè)已經(jīng)取得了一定的成果，結(jié)合3D打印、3D掃描及實物模型制作等方式可以實現(xiàn)虛擬模型的真實再現(xiàn)和虛實轉(zhuǎn)換。采用虛實結(jié)合的教學(xué)模式，能夠促進(jìn)學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性和主動性，從而有效提升各類專業(yè)創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)效果。上述成果為我校土木建筑工程虛擬仿真實驗平臺的完善提供指導(dǎo)依據(jù)。

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