基于虛擬現實的新工科建筑類專業多學科融合創新平臺構建

鞏文斌

（西南民族大學建筑學院，成都 610040）

0 引言

2017 年2 月以來，教育部積極推進新工科建設，先后發布了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”等通知文件，其中強調：“面向工業界、面向世界、面向未來，主動應對新一輪科技革命和產業變革挑戰，服務制造強國等國家戰略，緊密對接經濟帶、城市群、產業鏈布局，以新工科建設為重要抓手，持續深化工程教育改革，加快培養適應和引領新一輪科技革命和產業變革的卓越工程科技人才”。建筑設計類專業，歷來更為重視實踐應用，重視學生的實際操作能力培養。虛擬現實技術、沉浸式仿真實訓模式、體驗式教學等新模式能夠有效與新工科建設需求接軌，為廣大專業教師提供研究、實踐的高校環境。

現以西南民族大學建筑學院建筑學科為研究對象，針對現有實踐教學建設基礎及現狀主要問題，結合新工科背景，基于虛擬現實技術，構建建筑類專業多學科融合創新平臺。通過創新平臺實踐，融合虛擬現實技術與傳統教學方式，探索多學科融合人才培養模式，推動學校、企業、社會多方產學合作協同育人，促進民族文化傳承與創新，探索新工科背景下建筑類專業多學科融合創新平臺實施路徑。

1 建筑專業建設情況

1.1 卓越人才培養與協同育人實踐基地建設

建筑學專業2013 年成為四川省普通本科高等學校卓越工程師教育培養計劃立項專業，2018 年通過住房和城鄉建設部、教育部的專業教育評估，2020 年初列入四川省首批一流本科專業建設支持。學院近年來構建“數字測繪+數字設計+數字建構”一體化虛擬現實數字化教學創新平臺，服務于學科實踐與科研創新。通過校企合作協同育人與光輝城市、谷雨時代、超圖、潤尼爾等科技企業建立集VR、BIM、GIS、虛擬仿真等技術為一體的專業實驗室，目前已完成了VR 虛擬現實技術、無人機航拍技術、AI 人工智能建模技術等一系列全新技術的教學融合，平臺形成“數據留存—信息加工—綜合研究”的技術集成與綜合應用，基本達到“基礎條件+課程拓展+校企合作+人才培訓”工作閉環，實現了虛擬仿真實驗項目與VR 體驗式教學的高效融合，全面驅動人才培養模式創新發展，對學校建筑類學科建設水平、教育質量、辦學效益和綜合實力起到積極推動作用。

1.2 現有教學多專業交叉融合

（1）構建層次分明，體系完整，課程教學體系。建筑學專業包括學科基礎教育、專業基礎教育、綜合訓練教育三個階段，學年時間5 年分配為2 +2 +1。學科基礎階段（一、二年級）重點進行通識教育和學科基礎教育，強調空間設計基本能力和思維能力的培養和訓練，初步掌握中小型建筑單體的類型特點和設計方法；專業基礎階段（三、四年級）注重建筑學理論、建筑設計方法的學習和訓練；綜合訓練階段（五年級）注重職業綜合素質的培養和社會實踐能力的訓練；注重團隊協作能力和規劃統籌意識培養。知識體系形成“一主二輔”的結構，以建筑設計課程為主干，以建筑技術課程和社會人文課程為輔助。在分階段課程安排中植入“民族性與本土性”的特色地域建筑教學線索，各階段轉換上注意相關課程的銜接，循序漸進、逐步深入拓展，確立了由設計、表達、技術、理論、修養、實踐等6 大課程體系，注重對學生在實踐過程中綜合能力的培養（見圖1）。

圖1 建筑學專業教學體系示意

（2）結合應用型人才培養需要，強化建筑學專業綜合素質的訓練。注重實踐創新平臺的建設，鼓勵學生參與學科競賽、創新項目、實驗性教學活動，參與跨學科、跨年級協作的重要工程實踐，培養專業能力突出、專業素養良好、思維活躍、視野開闊的優秀學生。課程教學中強調建筑學工作能力的綜合培養，包括表現能力、調研能力、協作能力、表達能力等，以進一步提高學生的職業素養。注重培養學生熟悉建筑學的工作程序，掌握“調查—分析—設計”的工作方法；加強建筑學的職業道德教育，了解建筑學對社會各方面的影響；通過社會調查實踐、建筑設計等課程中的社會實踐環節進一步培養學生的社會責任感（見圖2）。

圖2 建筑設計課程體系

（3）依托學校的特色優勢學科，探索“地域”和“民族”教學特色。充分發揮學校在民族經濟、民族旅游、民族文化研究等方面的學科優勢，建立以建筑學核心理論為支撐、相關學科理論為補充的多元化知識體系。學校所處的西南地區在生態環境、地域要素、民族文化上具有多樣性特點，在課程體系、教學內容組織和選題上，積極涉獵民族地區村寨的保護與設計、民居更新與傳承等領域，努力探索教學的地域特色。在民族地區建設教學和科研實踐基地，通過測繪、社會調查、科研服務等途徑實現人才培養與社會服務的統一。

2 新工科下建筑類專業多學科融合創新平臺構建

（1）結合新工科背景，優化發展建筑教育。建筑學專業立足西南民族地區城鄉建設需要，依托西南地區人居環境中民族及其聚落眾多的重要特征，基于新工科建設理念，針對當前學科專業現狀及存在的教育教學理念觀念更新、學科專業之間交叉融合、面向復雜工程能力提高等問題，通過校企共建協同育人合作模式，構建形成“建筑學+多學科交叉融會+跨學科組織機構+跨學科課程+跨學科團隊+跨學科平臺”的多學科交叉融合創新平臺，開展體現學校優勢與特色的專業集群建設。

（2）多學科融合，驅動人才培養模式改革。突破學科專業定勢，探索建筑學多學科專業交叉融合，優化人才培養方案，推進課程體系和教學模式改革，構建面向復雜工程問題的課程群，組建面向建筑學跨學科專業教學團隊和項目平臺，實現以學生為主體的開放教學平臺和培養機制，形成“新工科+建筑學+多學科交融”的平臺模式，全面驅動人才培養模式創新發展。

（3）校企合作，推進人才培養途徑優化。建筑學院近3 年通過協同育人產學研積極融合，與多家科技企業建立了建筑類專業新技術教學應用實踐基地。在此基礎上，項目將進一步探索多學科創新平臺長效運行機制，通過產教融合、協同育人等校企合作方式整合實訓實踐資源，共建一批高水平的工程實踐創新教育基地。同時圍繞人才培養、科研創新、社會服務三個方面相互合作，推動教育鏈、人才鏈、知識鏈和產業鏈深度融合，形成具有良好示范和帶動效應的產學研“多學科融合創新平臺”。

（4）虛擬現實與體驗式教學高效融合。面向多專業、多層次人才培養需求，突出以學生為中心的實驗教學理念、結合虛擬現實新技術特點，與教學課程融合，通過創新教學內容、教學方法、教學環節實現特色內容構建。全面試點虛擬現實體驗式教學、翻轉課堂等全新的教學模式，持續改進實驗效果評價體系，快速提升學生綜合設計能力。

3 新工科下建筑類專業多學科融合創新平臺實踐

3.1 融合多學科、多平臺、多途徑的教學支撐體系

（1）多學科、多課堂。學院結合專業建設的總體思路，基于“多學科、多課堂”統籌跨學科教學團隊，多專業參與，多方面積極推進虛擬課程建設，帶動整體課程建設。構建“設計認知+理論提升+實踐應用”的多元化貫穿式的課程體系，創新拓展多方聯合的教學方法，體現多維關注視角、多方利益訴求、多元價值判斷。

（2）多實踐平臺。針對建筑學專業教學中存在的弊端、學校教學與市場需求脫節、跨學科學習環境缺乏等問題，創新平臺嘗試以“實踐教學體系+信息技術管理+學校社會聯動”的方式，通過資源有效整合、教學和科研有機結合、實驗成果向教學內容有效轉化、雙創項目聯合發展等途徑、強化教學內容方法的學習，實踐教學應用價值。同時通過校企合作為學生建立多層次的實踐創新平臺，使學生在課堂之外擁有更廣闊的開放式課堂。①建立穩定的校外實習基地，以保證實踐性教學環節的正常進行及實踐教學的質量。②產學研結合，讓學生參與到教師的科研課題中，培養學生分析問題、解決問題的實踐能力。③積極組織學生參加各種專業競賽，并定期在校內舉辦相關學術競賽，營造校內外學術與實踐氛圍。④結合專業課程到民族地區開展社會實踐和社會調研。

（3）多途徑。針對建筑學專業實踐性強的特點，引進一線工程師與校內師資緊密結合形成教學團隊，拓展設計課程的教學手段與方法，及時了解行業動向，加強新技術在教學中的應用，并引領學生及時了解和把握學科領域的前沿問題。此外，在畢業設計、專業課程設計中，邀請設計院的專家評圖，多途徑引入設計資源共同教學，建設多主體、多平臺、多途徑融合的協同育人機制。

3.2 以新工科為主導的建筑設計類人才培養

（1）開展以設計為核心的建筑類專業新工科建設。以設計為核心的建筑類專業新工科是以建筑學、城市規劃及風景園林專業為體系，同時專業延伸至環境設計、產品設計，形成當代包豪斯設計特質的設計新工科大類。學院將開展的建筑類大類招生與教學，即在建筑學、城市規劃和風景園林專業新生入學的起始階段進行通識教學，到了高年級再根據學生個人的興趣劃分專業。這種做法將建筑設計類的專業打通，形成較好的設計類人才培養機制。

（2）強調多學科交叉融合的人才培養模式。以民族高校行業優勢為特色的學科交叉體系，以“三強一實”（責任心強、專業素養強、動手能力強、工作作風踏實）為建筑類專業新工科辦學思想，打造具有“大設計觀”的創意工科教育模式，融合“通識教育”與“創新教育”的學科交叉模式，構建多民族交融開放、富有特色的學科交叉教學體系，堅持產學研用相結合的學科交叉應用體系。

3.3 基于虛擬現實技術的創新實踐平臺

（1）建設虛擬現實核心教學創新平臺。基于虛擬現實技術帶來的沉浸式交互體驗，配套一系教學功能模塊、表現模塊、交互模塊等，打造虛擬現實核心教學創新平臺，見圖3～6。

圖3 材質編輯、表現

圖4 場景內模型庫配景模型任意擺放

圖5 配有豐富信息的植物模型庫

圖6 動態物體運動軌跡自定義

（2）建設增強現實及無人機技術創新驅動實驗平臺。打造集無人機制式圖片人工智能識別、定點位置偏移軌跡計算智能建模、模型智能輸出、遠程照片/模型管理等功能為一體的無人機技術實驗系統，同時協同打造集制作與表現功能為一體的增強現實實驗系統。上述兩項，作為虛擬現實核心教學創新平臺的技術補充和新興技術應用實踐科研方向，協同發展，見圖7、8。

圖7 無人機航拍建模

圖8 AR增強現實效果表現

（3）全流程數字設計實訓課。借助虛擬現實技術，基于課程模塊，實現全流程虛擬數字設計實訓課，實現提質增效，強化專業綜合素質的訓練，見表1。

表1 全流程虛擬數字設計實訓課重點模塊

（4）虛擬現實實驗教學資源庫。用虛擬現實與建筑教育相結合的方式，通過新軟件、新平臺的研發，形成有效的內容制作、管理指導體系，自主制作教學資源。從課堂教學到畢業設計到學科競賽分階段構建“互聯網+”的OR系統，建設數字化的教學案例庫，強化系統的協同性和整合度。見圖表2。

表2 虛擬現實實驗教學資源庫

4 結語

基于虛擬現實的新工科建筑類專業多學科融合創新平臺，目前已得到學校的高度重視并開展研究與實踐。創新平臺結合校內外學科實踐多元拓展，已完成“新工科理念下的建筑類專業多學科交叉融合人才培養模式構建”“基于虛擬現技術及沉浸式體驗教學新模式的泛建筑設計新技術教學應用實踐基地”“西南民族建筑BIM研究應用基地”“四川藏羌傳統建筑數字建造實驗項目”等5 項教育部產學研協同育人項目，完成四川省省級虛擬仿真實驗教學項目1 項，“基于虛擬現實的新工科建筑類專業多學科融合創新平臺構建”入選教育部第二批新工科研究與實踐項目，平臺組織大學生設計創新團隊，參加各類學科競賽及社會服務實踐活動，舉辦首屆“未建成”數字作品展，已完成相關教改科研項目多項，獲得國家省級獎項多項，積累了一定的研究成果和工作經驗。此外學院通過產學研積極融合，成立區域聯盟中心，與多家企業建立建筑類專業新技術教學應用實踐基地，優化教學模式及人才培養方案，形成校企協同項目的持續良性發展。

通過虛擬現實的新工科建筑類專業多學科融合創新平臺構建和實踐，強調多學科交叉融合。創新平臺融合虛擬現實與體驗式教學，突出體驗感知，延伸傳統教學，形成全新教學模式體系的創新應用。同時，通過校企協同共享資源，推進人才培養途徑優化，形成建筑學創新人才培養模式、提高人才培養質量。