基于建筑工程技術專業核心技能的智能化虛擬實訓架構

楊 寧，趙美霞

（1.江蘇建筑職業技術學院，江蘇 徐州 221116；2.建筑工業化與信息化應用技術研究所，江蘇 徐州 221116）

一、引言

高職院校實訓室和實訓場地對于培養學生的實操能力至關重要，是步入工作崗位之前的崗位演練，為培養高素質技能型人才起到了積極的作用。正因如此許多高職院校建設了大量的實訓場地，積極有效的保證了人才培養質量。筆者所在的建筑工程技術專業為江蘇建筑職業技術學院的龍頭專業，先后經過了國家示范建設、江蘇省品牌專業建設及江蘇省高水平專業群建設，實訓室條件得到了有效提升和改善，目前正在進行的雙高建設將進一步推動和提升實訓室種類、功能和場地的建設工作。盡管如此，隨著建筑工程技術專業學生數量的增多以及經濟社會科技的進步對建筑工程技術專業發展中諸如新崗位、智能化、學習碎片化等的新變化和新要求，實訓室的發展現狀與廣大師生的需求出現了矛盾，已不能滿足廣大師生的現實要求，特別是以虛擬現實技術、BIM 技術等為代表的智能化教學的快速發展為實訓室的發展帶來了新挑戰和新機遇。眾所周知，虛擬現實技術具有交互性、可感知性、高逼真性、構想性等優勢，可給人身臨其境的體驗和感受。鑒于此，很多研究者研究了虛擬現實技術在課程教學中的應用。李里[1]將土建類專業課程作為引例，基于虛擬現實技術從課程模式、教學體系、教學方法等方面提出了建議。李成[2]將虛擬現實技術應用到了土木工程專業成人教育課程教學中，有效克服了學生課堂體驗不佳等問題。邱瑩瑩[3]梳理知網論文分析了虛擬、增強及混合現實技術在教育教學中的應用現狀及遇到的挑戰，并對未來提出了展望。王宏[4]探究了虛擬現實技術在種植設計課程教學中的應用。王爽[5]將虛擬現實技術在電氣自動化技術專業教學中進行了應用效果良好。馮文[6]將虛擬現實技術在數控技術課程中進行了應用，教學改革效果良好。劉溪辰[7]提出了將VR技術在高職旅游專業教學中進行應用的具體方法。劉向暉[8]提出利用虛擬現實技術突破建筑動畫光效表現等教學難點的方法。楊寧[9]提出了將桌面虛擬現實技術融入《建筑識圖與繪圖》的思路和方法。楊寧[10]從應用成本、傳統教學平臺和模式等方面分析了虛擬現實技術在教學應用中的制約并提出了應對措施。同時，很多研究者研究了虛擬現實技術在專業實訓中的應用。陳淑清[11]構建了濱州學院多層的建筑工程虛擬仿真實訓平臺。唐昊[12]從實訓教學資源、軟件系統資源、微課慕課資源、題庫資源等方面提出了建筑工程虛擬仿真實訓室的建設思路。胡力勤[13]提出一種基于校園網絡平臺的虛擬實訓系統并在建筑智能化工程專業實訓中進行應用。鄢維峰[14]從虛擬企業、場景、設備以及虛擬工程項目等方面出發構建仿真實驗室。張學鋼[15]從總體設計、業務設計及技術設計方面研究了利用虛擬仿真技術實現建筑工程虛擬實訓的思路。姚金偉[16]介紹了浙江工商職業技術學院建筑工程仿真實訓系統的開發與應用。

綜上所述，對于虛擬實訓的研究雖然已經取得了一定的成果，但主要聚焦在虛擬技術在教學課程中的應用。對于虛擬現實技術在專業實訓中的研究雖有所涉及，但針對智能化虛擬實訓內容的架構研究特別是基于建筑工程技術專業核心技能視角的智能化虛擬實訓架構研究涉及較少。論文針對當下建筑工程技術專業實訓的特點，基于建工專業的五項核心技能，從建筑構造模塊、施工專項模塊、工程施工管理模塊、工程造價模塊、核心技能模塊等方面架構智能化虛擬實訓具有重要意義。

二、當下建筑工程技術專業實訓的特點

筆者所在的建筑工程技術專業經過前期的建設取得了一定的規模和成績，但是仍然不能滿足當下師生對于實訓的個性化需要，同時科技的快速發展以及學生學情的變化對建筑工程技術專業實訓提出了新要求。在此背景下，當下的建筑工程技術專業實訓呈現以下特點：第一，學生多而場地有限，需分批實訓，實訓儀器設備調試拆裝花費時間多，實訓效率較低；第二，實訓人流量大，儀器器材設備損耗大故障多，維護經費大；第三，實訓場地時間安排擁擠，實訓時間有限，學生無法利用零散時間自由實訓；第四，實訓內容單一，綜合性實訓不好實現；第五，危險性的實訓無法開設；第六，實訓場地建設好后實訓內容不能做到與時俱進，不能隨著建筑工程技術專業發展中出現的新技術、新崗位而適時的改變；第七，師生比不足，教師不能兼顧到每位同學，每位同學不能保證全程高效參與實訓活動，實訓效果不佳；第八，實訓服務周邊企事業單位的作用和能力有限。

三、智能化虛擬實訓架構

筆者梳理建筑工程技術專業人才培養方案，在人才培養方案的制定和執行中緊緊圍繞識圖與繪圖、工程測量、鋼筋算量、BIM 建模、施工進度計劃編制這五項核心技能展開。鑒于現階段虛擬實訓的研究現狀、建筑工程技術專業實訓的特點以及建筑工程技術專業的五項核心技能，智能化虛擬實訓擬從以下幾個方面進行架構。

（一）建筑構造模塊

剛入學的新生對于建筑的概念比較模糊，對于建筑構造僅僅停留在課本教學的層面上，或僅見過部分的圖片，管中窺豹，不具有現實感知性，缺乏對建筑構造的整體概念和把握，學習印象不夠深刻。建筑構造的深刻把握可為《建筑識圖與繪圖》及后續課程的學習奠定堅實的基礎，因此設置建筑構造模塊非常重要。建筑構造模塊的架構包括磚混結構、框架結構、剪力墻結構以及古建筑構造子模塊，滲透有建筑工程技術專業中BIM 建模的核心技能。學生可以利用虛擬現實系統進入到對應的子模塊開展實訓任務，以游覽者的身份或者游戲角色進入建筑內部和外部進行漫游和參觀，對建筑構造的特定部位進行準確識別和確認。系統可給出正確的答案，會根據參與者的識別情況進行分數的計算和匯總，并給出評價、分析和建議。教師后臺可以查看獲取學生學習情況，了解學習過程中的易錯點和混淆點進而做出教學的適度調整和安排。

（二）施工專項模塊

施工專項模塊的架構基于建筑工程技術專業人才培養方案中的施工類課程，貫穿建筑工程施工的全過程。涉及的主要課程包括《建筑識圖與繪圖》、《建筑工程施工測量》、《建筑結構》、《建筑力學》、《建筑材料與檢測》、《水電圖紙識讀》、《建筑工程施工準備》、《基礎工程施工》、《混凝土結構工程施工》、《砌體結構工程施工》、《裝配式混凝土結構施工》、《鋼結構工程施工》、《建筑裝飾與防水工程施工》、《BIM 建模》等。該模塊將明確的工作任務作為虛擬實訓的項目，該工作任務來源于工程現場，并基于現場工程和專業發展而適時調整。

施工專項模塊在上述課程基礎上劃分為建筑結構和工程結構施工子模塊兩大部分。建筑結構子模塊主要包括結構構件的模擬計算和結構內力分析兩部分虛擬實訓，虛擬實訓在實施過程中融入識圖與繪圖、BIM 建模兩項建筑工程程技術專業核心技能。工程結構施工子模塊包括識圖與繪圖虛擬實訓、施工工程準備虛擬實訓、基礎工程施工虛擬實訓、混凝土結構工程施工虛擬實訓、鋼結構工程施工虛擬實訓等。該子模塊虛擬實訓實施過程中囊括了識圖與繪圖、BIM 建模、工程測量、鋼筋算量、施工進度計劃編制五項核心技能。每個子模塊下的虛擬實訓任務均需要參與者以虛擬角色的身份模擬完成，完成前和完成過程中有規范和正確的引導和說明，參與者開始任務之前可以提前進行學習和了解任務完成的規則。在開始虛擬實訓的過程中，參與者按照引導進行，若操作錯誤可點擊顯示正確的方法。操作全程的記錄、數據及結果可以量化表示，老師可以參看學生的個人表現和綜合數據，并對課程及實訓的重難點、知識點及易錯點進行調整。

（三）工程施工管理模塊

該模塊基于人才培養方案中工程施工管理類課程，貫穿于工程施工管理的全過程。涉及的主要課程包括《建筑工程竣工驗收與資料管理》、《建筑工程安全技術與管理》、《BIM 施工管理》、《國際工程項目管理》、《建筑施工模板與腳手架安全技術》、《建筑施工現場臨時用電安全技術》、《建筑施工機械與吊裝安全技術》、《建筑工程安全文明施工與評分標準》、《建筑工程質量檢查與管理》、《見證取樣與材料檢測》等。

結合涉及上述課程的課內實訓、實訓課程及課程教學，將工程施工管理模塊劃分為材料質檢管理、資料填寫與管理、工程安全管理子模塊。材料質檢管理子模塊主要包括材料管理和質量管理。資料填寫與管理子模塊主要包括了資料填寫和資料管理。工程安全管理子模塊包括模板與腳手架安全技術、施工現場臨時用電安全技術、施工機械與吊裝安全技術、文明施工和綠色施工等。該模塊虛擬實訓實施過程中同時強化BIM 建模核心技能。工程施工管理模塊下所有虛擬實訓任務的完成過程同施工專項模塊。

（四）工程造價模塊

該模塊基于人才培養方案中造價預算類課程，貫穿于工程預算的全過程，特別適用于預算造價崗位。涉及的主要課程包括《施工項目承攬與合同管理》、《BIM 算量》、《裝飾工程計價》、《水電工程計價實務》、《土建工程計價實務》、《鋼筋三維計量》等。

在上述課程的基礎上，結合崗位實訓及崗位能力的需要，將工程造價模塊劃分為工程招投標、土建工程計價、水電暖工程計價、裝飾工程計價子模塊。該模塊虛擬實訓強化識圖與繪圖、BIM 建模、鋼筋算量核心技能。該模塊下所有虛擬實訓任務的完成過程同施工專項模塊。

（五）核心技能強化模塊

該模塊是針對建筑工程技術專業人才培養方案中強化建筑工程技術專業核心技能的目標而設置的，同時也響應了培養方案設置的《核心技能訓測》課程。該模塊主要包括識圖與繪圖、BIM建模、工程測量、鋼筋算量、施工進度計劃編制五部分。該虛擬實訓模塊是針對前面幾個模塊中滲透的建筑工程技術專業的五項核心技能的進一步強化和夯實，是落實核心技能人人過關的重要部分。該模塊下所有虛擬實訓任務的完成過程同施工專項模塊。

以上各模塊以虛擬實訓任務為出發點，以工作過程為導向，實訓內容緊貼現場實踐且可隨著技術和崗位的發展進行更新，實訓過程生動形象兼具游戲體驗特征，實訓任務可進行中途暫停和繼續，可利用碎片化時間完成。各虛擬實訓模塊構建了從單項、專項到綜合、強化的實訓體系，貫穿整個人才培養方案，滲透全部課程及實訓課程，形成以建筑工程專業核心技能為中心的虛擬實訓體系。

四、結語

建筑工程技術專業智能化虛擬實訓和現場實訓是相輔相成的，是現場實訓的有效補充，對于促進專業人才培養質量、提升學生的專業核心技能至關重要。同時智能化虛擬實訓的架構不是一籌而就的，而需要保持一個開放的端口，實現隨專業發展、學生個性化發展、技術發展及崗位發展需求的及時更新，并且在實踐反饋中持續改進。