三維建模與虛擬現實技術在本科教學的多環節應用

王慧 鐘軼峰

[摘 要]隨著建筑信息模型（BIM）技術的發展，部分國內外高校將BIM技術引入工程制圖教學、專業課程設計與畢業設計實踐等多個教學環節。此外，虛擬現實（VR）技術也逐漸應用于各類工程實踐及教學場景中，比如交通規劃、駕駛模擬、駕駛員行為等相關研究及教學工作。文章論述BIM技術與VR技術在道橋專業教學中的應用方案，以道橋設施為對象對BIM技術與VR技術應用的教學模式進行了分析，分別對不同課程類型（專業導論課程、專業理論課程、專業設計課程以及實驗實踐課程）進行了應用場景的設計，并從架構設計要求、接口設計原則、視圖/場景設計和用戶功能設計等方面探討三維交互式平臺建設問題。

[關鍵詞]BIM技術;VR技術;交通基礎設施;課程類型;應用場景

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）03-0023-04

一、BIM技術教學與VR技術教學的現狀與問題提出

（一）BIM技術教學實踐與發展

建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）技術在2002年由 Autodesk公司率先提出，并逐漸得到世界建筑行業的普遍認同[1]。相對于傳統的二維制圖，BIM技術具有信息完整、直觀及多維信息等優勢。BIM技術不但可以輔助學生完成設計，還可以用于幫助學生理解施工、管理等各個環節[2]。此外，對于一次完整的工程設計任務，BIM技術比傳統的CAD需要的時間少[3]。基于BIM的項目管理工具可以顯著提高項目管理的教育質量，學生從中能夠更好地學習如何將不同的正式項目管理方法應用到具體的項目環境中[4]。

英國學者提出應積極推動數據標準化的建設，從而使不同的BIM軟件與數據具有通用性[5]。BIM工具的通用性使其更適用于教學。然而，受教學學時的限制，巴西的大學提出了將BIM教學融入專業課程教學的方式，并寫入教學大綱[6]。國內高校也逐漸將BIM技術知識融入工程管理專業課程體系與教學內容中，并在實驗、實訓等實踐教學以及師資隊伍建設等方面進行實踐探索[7]，提出了土木工程BIM+新課程體系，認為應該建設集工程實踐、校企融合、跨知識平臺于一體的新課程模式[8]。

盡管試驗分析證明了BIM技術對教學具有正向輔助作用[9]，然而受限于現實條件，BIM技術尚未普及成為教學的基本工具。本文認為BIM技術應該可以作為土木工程（包括交通基礎設施）學科教學過程中的一種通用工具而廣泛應用于其相關理論與實踐課程當中。

（二）VR技術在交通基礎設施教學中的應用

虛擬現實（VR）涵蓋了增強現實（AR）、沉浸式VR、桌面VR等系列技術與產品。2016年被稱為“VR元年”。VR有七大教育功能：體驗、探究、訓練、矯正、交流、創作與游戲。VR具備重塑教育的潛力，但VR大范圍變革教育的路還很長[10]。

交通土建學科教師在教學過程中為了給學生展示真實的工程過程與設施構造，往往會利用VR技術進行相關的實驗實踐教學，解決現實場景中的學習不完整問題[11]。交互式虛擬現實技術結合核心專業知識有更廣闊的應用場景，比如建筑業的異地生產研究、預設型的技術經濟分析及試錯[12]。BIM技術與VR技術在項目管理等領域發揮了重要作用[13]。基于協同平臺，VR技術在團隊合作、跨學科團體以及時間管理等方面也提供了很多綜合解決方案[14]。

（三）問題提出

盡管BIM技術已經被部分高校作為一門專業技能引入大學教育，VR技術也作為一種輔助教學手段被引入課堂，然而，目前仍缺少成熟的可以用于輔助教學的信息模型與虛擬現實平臺，且還沒有一個可以服務于不同教學目標的虛擬場景。

因此，本文以交通基礎設施不同學科相關教學研究為例，設計BIM三維信息交互平臺，針對不同課程類型（專業導論課程、專業理論課程、專業設計課程以及實驗實踐課程）進行BIM與VR應用場景的設計，分析BIM技術與VR技術應用于交通基礎設施不同學科相關教學中的可行性，探討其技術應用場景的拓展方向。

二、BIM技術與VR技術教學場景設計

（一）課程體系設計

國內土木工程/交通運輸工程本科教學課程體系主要包括四大類課程即通識教育課程、工程學科基礎課程、專業基礎課程和專業課程。計算機技術本身通常屬于專業基礎課范疇，而將計算機用于輔助教學則可以在平臺設計的基礎上應用于各類專業課程甚至通識課程的教學，涉及相關技術應用的主要課程體系參見圖1，技術應用路線參見圖2，平臺模塊化要求與設計見圖3。 [ ][實驗

（二）課程教學場景設計

根據課程體系與平臺設計，本文分別對專業導論課程、專業理論課程、專業設計課程與實驗實踐四大類課程進行具體的BIM與VR技術應用場景設計。

1.專業導論課程

專業導論課程通常用于介紹專業背景、性質、知識體系、學習內容、學習方法和前沿動態，使學生了解專業領域的基本情況并產生專業興趣;明確專業學習的主要任務，提高學習的針對性和目的性。

基于專業導論課程的學習目標與功能，可以將這類課程教學拆分為對象與內容兩個部分。針對對象的教學類似于科普，即通過對現實世界的觀察、拆解、體驗與分析，使得學生更為深刻地理解相關專業學科所涉及的問題范圍，了解專業性質;內容則是以對象的拆分為基礎，理解學習所需要的不同角度、層次，以及需要面對的問題及其解決辦法。

其具體表現形式包括以下幾個：（1）虛擬現實場景體驗，直觀感受道路交通設施與結構物等現實場景。（2）利用BIM模型觀察解構實體結構物。（3）跨越不可及障礙，觀察高空、水下、結構內部等多角度信息。（4）觀察內外環境，學習問題歸因，構建思維導圖。

2.專業理論課程

一方面，每門課程的學習內容及學習形式不盡相同，另一方面，土木工程專業理論往往結合課程實踐來進行。因此，本文將專業理論課程教學中與學生互動的部分進行拆解，主要包括理論認知以及課程作業與實踐兩個部分。

在理論認知方面，學生可以充分利用專業導論課程所設計的相關場景提出問題。課程作業主要包括兩類：一類為客觀題目，主要是基于已建立或待建立的經典模型，利用經典力學與數學進行計算分析;另一類為主觀題目，側重于研究分析。

針對客觀題目，專業課教師可以建立參數化模型，動態生成作業及參考答案，使得每一個學生（小組）可以解答不同參數的同類型問題，規避了作業抄襲問題;針對主觀題目，專業課教師可以利用互聯網平臺進行作業互批點評，也可以結合學生的專業認知提出現實問題，進行互動解答，豐富課程互動的內容與形式。此外，不同專業課的教師還可以利用平臺獲取與共享教學素材，形成良好的課程間互動。

3.專業設計課程

設計可以說是理解理論并通向實踐的橋梁，在工程設計實踐中，VR技術已廣泛應用于設計審查、施工培訓以及跨專業協調。國內土木工程專業大都將設計類課程分為設計理論和設計實踐兩個部分，例如鋼結構設計、道路鋪面設計、道路線形設計、混凝土橋梁設計等，很多歐美國家土木工程教學中的設計實踐部分往往不專門設置課程，而是以實踐的形式存在。設計本身是一個以學生為主的主動行為，學校及教師應該以提供平臺和輔導為主，而非設計教學。基于VR技術、AR技術的發展，未來的設計實踐將趨向于利用互聯網平臺共享素材資源，而不是受限于學校的地理位置與社會關系。

本文基于VR技術的發展對設計類課程初步進行了近期、遠期的規劃設計。（1）從近期來看，逐漸減少甚至取消設計課程教學學時，只進行理論教學并培養學生閱讀理解相關文獻規范的能力，補充直接設計實踐，從設計題目逐漸過渡為實際場景。（2）從遠期來看，虛擬現實與增強現實的交互平臺為設計的完整性提供了可能。此外，從就業及學科發展的角度來說，土木工程師并不是土木設計師，設計行業對于計算機的依賴性越來越強，提升學生對基本原理、設計工具（BIM技術）及實踐的理解能力更為重要。

4.實驗與實踐

利用VR技術來開展實驗課教學由來已久，主要包括虛擬設施、虛擬環境、虛擬空間與虛擬人物四個部分。虛擬設施是指實驗設備、場地及教學經費等方面的原因導致一些教學實驗無法開設，因此利用虛擬現實系統提供設施，讓學生感受教學實驗。虛擬環境主要針對有危險的環境（如化學燃爆、外科手術模擬），利用虛擬現實參與實現，避免發生事故與風險。虛擬空間是指人的感受空間的縮小與擴大以及跨越時間限制的能力，既可以感受微觀世界，也可以感受宏觀系統。從結構的角度就是既可以探索材料與構件的內部結構，也可以俯瞰城市變遷。虛擬人物大都用于人文藝術學科的體驗式教學，從工程實驗的角度來說主要體現為虛擬教師。BIM技術可以結合力學分析實驗、仿真模擬實驗等，將模型數據進行廣泛共享并應用于各類場景。

實踐主要包括設計實踐與實習兩個部分。學生在設計實踐環節可以利用拍攝的圖片、視頻再現真實場景，利用BIM模型構建結構設施，觀察實際效果。而在實訓環節，學生則可以在實際項目實習之前，通過虛擬平臺的實習場景，體驗工程建設管理的各個過程與組成部分，增強安全意識與全局觀;實習結束后，可以回顧不同環節，也可以了解個人受時空限制不能參與的實習內容。

（三）三維交互式平臺建設

1.架構設計要求

建設集數據、用戶交互軟件、互聯網及輕量化應用于一體的整體解決方案。其中，數據部分包括橋梁構件級、道路單元級結構信息;交互軟件部分需實現基于互聯網的海量三維模型數據的瀏覽和管理，保證操作的連續、實時和平滑;輕量化服務部分是根據具體的學習業務進行單一過程的模型精簡。用戶分為教師管理員用戶及學生一般用戶，教師用戶可以根據具體課程教學內容自定義功能模塊。

2.接口設計原則

首先，所有元素都必須有接口，每個元素接口包含其特有的視圖信息，即同一個元素可能出現在多個不同角度的視圖中。一般來說，模塊接口包含接口所提供的所有方法。但是對于特有的輕量化服務來說，模塊接口不包含其提供的特定方法。

一個元素可以有多個接口。由于每個接口有一套獨立的邏輯相關資源，該接口服務于特別的元素，但是該接口所能提供的功能為元素所有功能的子集。元素通過一個接口可以與多個參與者交互，但允許的交互數量是明確的，即限制的訪問量。

3.視圖/場景設計

實現三維場景的展示和模擬，包括自由定點的查看、俯瞰、處于場景中的模擬游行查看等。可以針對特定三維模型進行量算分析、兩點之間的可視化分析、剖面分析、挖填方分析、日照分析和定點觀察。可以自定義飛行路線或利用外部位置信號進行實時驅動（如GPS等），實現任意模型在場景中的沿線運動（如圖4所示）。

4.用戶功能設計

具備用戶自定義添加三維基礎模型與數據層的功能。地圖搜索服務支持多種搜索類型，包括關鍵字搜索、視野內搜索、周邊搜索、普通建議詞搜索、POI搜索、周邊搜索等。路線規劃服務支持駕車路線查詢，可以根據輸入的起點、終點和途經點（如果有）以及規劃方式查詢駕車路線。系統支持以下幾種方式的駕車路線查詢：最快路線、最短路線、避開高速、少步行。中心點定位查詢服務支持返回當前地圖范圍的中心點坐標信息。

交通安全場景模擬指的是模擬道路交通中與設施管理有關的場景，包括施工推演、應急預案編制等。施工推演利用三維地圖360度全方位展示的特點，實現不同施工方案的真實再現，研究施工作業對現有交通在實際場景中的影響并進行施工組織規劃（如圖5所示）。

三、總結與展望

BIM技術與VR技術不僅可以應用于土木工程的課程設計與認知實踐，也可以應用于土木工程教學的各個環節，輔助實現不同的教學目標。本文針對專業導論、專業理論、專業設計與實驗實踐四大類課程進行了BIM+VR技術應用實踐的探討。此外，本研究的初步探索表明，基于互聯網的多維信息平臺可以同時滿足不同用戶的定制化需求。以平臺形式進行三維數據建設與平臺開發，不同類型的工程教學可以共享教學模塊與數據，利用平臺接口開發適合自己使用的課堂教學素材。

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[責任編輯：龐丹丹]