新工科與教育信息化背景下建筑結(jié)構(gòu)虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用研究

徐利麗　夏玲濤

[摘? ? ? ? ? ?要]? 以ZSpace桌面一體化VR設(shè)備為載體，有機融合虛擬現(xiàn)實實訓與沉浸式交互體驗，參照國標建筑設(shè)計圖集，校企合作制作一批具有代表性的建筑構(gòu)造節(jié)點，以三維立體、雙向交互的呈現(xiàn)方式，將建筑構(gòu)造節(jié)點清晰展現(xiàn)，幫助激發(fā)學生學習興趣，提高學生的參與度和教師的教學效率，并進行教學應(yīng)用。擬將教學新成果、教學新資源、教學新模式推廣至其他高職課程。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 建筑結(jié)構(gòu);虛擬仿真;開發(fā)與應(yīng)用

[中圖分類號]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2022）34-0118-04

一、項目意義

2018年“新時代高教40條”開啟了推動課堂教學革命的新篇章。緊接著，2019年“本科教育改革質(zhì)量22條”提出實施國家級和省級一流課程建設(shè)“雙萬計劃”，著力打造一大批具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的“金課”。教育信息化成為不可或缺的手段，虛擬仿真技術(shù)憑借直觀性、可操作性、可重復性的優(yōu)勢為教學改革開辟了新的路徑。傳統(tǒng)教學方法以教師課堂授課為主，課堂上多采用PPT演示的教學手段，將知識點劃分層次傳授給學生，難以激發(fā)學生學習的積極性和主動性，學生對構(gòu)造知識的掌握也僅僅停留在理論理解的層面，很難獨立繪制構(gòu)造節(jié)點及進行結(jié)構(gòu)構(gòu)造計算。高職土建類專業(yè)主要為企業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才，從事建筑工程生產(chǎn)一線的技術(shù)、管理工作，提高學生的識圖能力、規(guī)范理解能力，虛擬仿真教學資源可以輔助學生完成從二維到三維的思維轉(zhuǎn)變。將虛擬仿真技術(shù)引入教學，創(chuàng)設(shè)工作環(huán)境的情景，能夠充分調(diào)動學生的主動性、參與性和競爭性，從而更好地培養(yǎng)學生的實踐能力以及競爭意識。

目前的高職進校生基本都是經(jīng)過重點高校和普通高校兩輪篩選過后的，這些學生絕大多數(shù)基礎(chǔ)差，缺乏空間想象力，邏輯思維能力較差，特別害怕純理論的學習。現(xiàn)在的教學設(shè)計，尤其是在建筑和結(jié)構(gòu)構(gòu)造節(jié)點方面，往往因教學設(shè)備上的落后，導致教師教學時表達方式不夠具體，造成課堂效果較差，難以達到授課目的。這些因素都嚴重制約建筑和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，建筑結(jié)構(gòu)及建筑構(gòu)造與識圖課程作為重要的專業(yè)課程，在很大程度上影響著學生將來就業(yè)和發(fā)展。且鋼筋構(gòu)造部分知識瑣碎、枯燥，若仍采用講授法，靠死記硬背學習配筋要求和識圖知識，難以激發(fā)學習興趣，這樣學生就失去參與課堂的積極性，逐漸演化為不愿意學甚至厭學。學好建筑構(gòu)造與識圖，必須先掌握構(gòu)造原理和做法，但是大多數(shù)高職學生不善于對知識點細節(jié)進行思考，傳統(tǒng)的灌輸式教學模式達不到預(yù)期效果。

面對以上教學問題，不難發(fā)現(xiàn)，原始的教學方法和手段難以吸引學生注意力，不能讓其產(chǎn)生學習興趣。這就需要調(diào)整教學方法和手段，如將知識點融入具體工程情景中，采用項目教學、任務(wù)驅(qū)動等方法，充分利用現(xiàn)代化教學設(shè)施，引入多媒體、BIM、仿真模擬等，建好虛擬現(xiàn)實教學資源對于推動課程教學改革和提高教學效果顯得非常必要。

課堂教學中引入虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實，簡稱為VR）技術(shù)，可利用其能情景再現(xiàn)的優(yōu)勢，補齊傳統(tǒng)課堂教學的短板，提高學生學習的主動性，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。它可以為人們創(chuàng)造相應(yīng)的設(shè)計空間環(huán)境，真實性與應(yīng)用性并存，使人們沉浸其中，在講解抽象的概念時，教師可以通過虛擬空間模擬的教學模型生動地展示教學要點，幫助學生更直觀地理解內(nèi)容，準確掌握理論知識和實際接觸的內(nèi)容。虛擬模型可以直接、生動地揭示事物的形態(tài)和運動，是一種很好的教學手段。教學時利用虛擬技術(shù)模擬的模型，我們可以理解并掌握建筑構(gòu)造及結(jié)構(gòu)構(gòu)造的基本要求，從而更好地掌握相應(yīng)的理論知識。

團隊有機融合虛擬現(xiàn)實實訓與沉浸式交互體驗，參照規(guī)范要求及圖集做法，制作一批具有代表性的建筑構(gòu)造節(jié)點及結(jié)構(gòu)構(gòu)造節(jié)點，以三維立體、雙向交互的呈現(xiàn)方式，使學生有身臨其境之感，這不僅調(diào)動了學生的學習興趣，節(jié)省設(shè)備投資，而且可通過便利的升級緊跟專業(yè)技術(shù)的發(fā)展。

二、研究內(nèi)容

在建筑及結(jié)構(gòu)構(gòu)造教學過程中，通常需要根據(jù)實際的知識內(nèi)容為學生構(gòu)建相關(guān)的實物模型，進而幫助學生了解較為抽象的概念，以降低學習難度，掌握知識內(nèi)容。通過VR技術(shù)可以促使現(xiàn)階段的抽象概念進一步形象化，通過軟件進行建模，構(gòu)建與教師教學所需模型相同的內(nèi)容，該教學模型相較于傳統(tǒng)模型更具優(yōu)勢，整體交互性較強，可促使學生參與學習實踐。例如，ZSpace的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造應(yīng)用，可使學生利用節(jié)點圖譜探究結(jié)構(gòu)構(gòu)造，幫助學生加深對人體結(jié)構(gòu)的了解，為后續(xù)學習奠定良好的基礎(chǔ)。

根據(jù)建筑構(gòu)造與識圖及建筑結(jié)構(gòu)課程教學內(nèi)容，列出重點、難點，制作了一批虛擬現(xiàn)實教學資源的知識點。同時，通過優(yōu)質(zhì)教學資源的有效整合，規(guī)范專業(yè)教學基本要求，使教學內(nèi)容與行業(yè)需求相對應(yīng)。建筑構(gòu)造與結(jié)構(gòu)構(gòu)造虛擬現(xiàn)實教學資源具體內(nèi)容見表1、表2。

（一）教學系統(tǒng)開發(fā)

聯(lián)合廣州中望龍騰股份有限公司校企合作開發(fā)教學系統(tǒng)，教學系統(tǒng)核心目標是改革和優(yōu)化職業(yè)教學模式，開發(fā)和積累教學資源。系統(tǒng)以ZSpace桌面一體化VR設(shè)備為載體，有機融合虛擬現(xiàn)實實訓與沉浸式交互體驗，參照國標建筑設(shè)計圖集，制作了一批具有代表性的建筑構(gòu)造節(jié)點。該系統(tǒng)充分體現(xiàn)VR技術(shù)表現(xiàn)力強的優(yōu)勢，以三維立體、雙向交互的呈現(xiàn)方式，將建筑構(gòu)造節(jié)點清晰展現(xiàn)在學生面前，幫助激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的參與度和教師的教學效率。

系統(tǒng)包含基礎(chǔ)構(gòu)造、墻體構(gòu)造、樓地層構(gòu)造、屋頂構(gòu)造、樓梯構(gòu)造、變形縫構(gòu)造六大部分總計34個建筑構(gòu)造節(jié)點模型，系統(tǒng)界面及交互顯示效果如圖1～4。系統(tǒng)包含基礎(chǔ)構(gòu)造、梁構(gòu)造、墻構(gòu)造、板構(gòu)造、柱構(gòu)造五大部分總計58個結(jié)構(gòu)構(gòu)造節(jié)點模型。系統(tǒng)采用三維仿真技術(shù)，將二維節(jié)點構(gòu)造轉(zhuǎn)化成立體的三維模型，通過二維圖紙與三維模型同屏交互顯示，三維模型360°旋轉(zhuǎn)、縮放、拖拽等功能，實現(xiàn)了三維模型的全方位觀察體驗。

（二）教學應(yīng)用推廣

本系統(tǒng)涵蓋的資源適用面廣，適用于本科、高職、中職學生，適用課程見表3。該系統(tǒng)已運用于我校建筑構(gòu)造與識圖課程教學，通過兩個平行班的對比，運用本系統(tǒng)教學的班級，在課程后期設(shè)計并繪制構(gòu)造節(jié)點時有明顯的優(yōu)勢，后續(xù)團隊擬將教學新成果、教學新資源、教學新模式推廣應(yīng)用于其他建設(shè)相關(guān)課程中。

三、特色與創(chuàng)新之處

（一）降低實訓成本

學生坐在教室就可以掌握構(gòu)造要求，從而優(yōu)化教學過程，提高教學的質(zhì)量和效率。相比較傳統(tǒng)實驗實訓室搭設(shè)節(jié)點模擬施工現(xiàn)場，虛擬現(xiàn)實教學具有成本低、效率高、可擴展性強、操作安全、高度開放、資源共享、隨技術(shù)發(fā)展更新?lián)Q代快等特點，是對傳統(tǒng)實驗實訓的完善補充和拓展。

（二）真正理實結(jié)合

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建課程中的構(gòu)造模型，一方面加強基礎(chǔ)理論信息傳遞的效果，另一方面使每個學生都能通過VR深入體驗，解決傳統(tǒng)教學模式下“難理解”“難實現(xiàn)”的問題，增加學生對構(gòu)造的學習興趣，提升學生的創(chuàng)新和空間思維能力，掌握實際項目中構(gòu)造做法，實現(xiàn)理論和實踐相結(jié)合的教學。

（三）突破三大約束

傳統(tǒng)教學過程中，為了讓學生擁有對建筑及結(jié)構(gòu)構(gòu)造的感性認識，教師帶領(lǐng)學生參觀施工現(xiàn)場，幫助學生掌握鋼筋的種類級別、綁扎、加密、搭接等構(gòu)造，約束條件較多，但借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)則不受時間、空間影響，不受施工進度影響，不受自然天氣的影響，便于教學進度的安排。

（四）創(chuàng)新教學模式

通過虛擬現(xiàn)實等形式進行課程教學，克服傳統(tǒng)的靜態(tài)圖片教學的弊端，VR技術(shù)把真實度極高的視覺、觸覺、聽覺有機結(jié)合，營造一種虛擬環(huán)境，讓置身其中的人們體驗感極強，充分調(diào)動學生的積極性，操作具有趣味性、靈活性強，真正做到“寓教于樂”。3D虛擬現(xiàn)實場景，游戲式的教學模式，使學生在系統(tǒng)環(huán)境下游戲式操作體驗的同時輕松掌握構(gòu)造知識，有效提高“1+X”建筑工程識圖專業(yè)技能等級證書的通過率。

參考文獻：

[1]苗群英，楊芷軒，杜潔.VR技術(shù)在虛擬仿真教學設(shè)計中的應(yīng)用[J].安徽建筑，2021，28（3）：102-103.

[2]徐濤，張百歲.高職院校建筑結(jié)構(gòu)課程教學的問題與對策[J].科技信息（學術(shù)研究），2007（3）：140.

[3]劉玲玲，褚美玲.土建類虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)與實踐[J].科技視界，2021（20）：110-111.

[4]徐志彪.信息技術(shù)在高職土建類教學中的應(yīng)用探討[J].科技視界，2016（6）：240.

[5]代端明，李科.虛擬仿真技術(shù)在實踐教學中的應(yīng)用研究：以建筑水電工程計價課程建設(shè)為例[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2018（4）：146-148.

[6]李娜，王偉，李翠紅，等.基于虛擬仿真的混合式教學模式探索：以《建筑工程概預(yù)算》課程為例[J].中國多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學學報（上旬刊），2021（7）：84-86.

◎編輯 王亞青

基金項目：2022年度浙江省教育科學規(guī)劃課題“新工科與教育信息化背景下建筑結(jié)構(gòu)虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用研究”（2022SCG300）;教育部首批國家級職業(yè)教育教師教學創(chuàng)新團隊研究項目“新時代高等職業(yè)院校‘建筑信息模型制作與應(yīng)用專業(yè)領(lǐng)域團隊教師教育教學改革創(chuàng)新與實踐”（ZD2020070101）。

作者簡介：徐利麗（1988—），女，浙江杭州人，講師，碩士，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)。

夏玲濤（1971—），女，浙江杭州人，教授，碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計。