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①

徐利麗，夏玲濤

（浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

一、項(xiàng)目意義

2018年“新時(shí)代高教40條”開啟了推動(dòng)課堂教學(xué)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(shí)施國家級(jí)和省級(jí)一流課程建設(shè)“雙萬計(jì)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(fù)性的優(yōu)勢(shì)為教學(xué)改革開辟了新的路徑。傳統(tǒng)教學(xué)方法以教師課堂授課為主，課堂上多采用PPT演示的教學(xué)手段，將知識(shí)點(diǎn)劃分層次傳授給學(xué)生，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，學(xué)生對(duì)構(gòu)造知識(shí)的掌握也僅僅停留在理論理解的層面，很難獨(dú)立繪制構(gòu)造節(jié)點(diǎn)及進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)造計(jì)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(xué)生的識(shí)圖能力、規(guī)范理解能力，虛擬仿真教學(xué)資源可以輔助學(xué)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(xué)，創(chuàng)設(shè)工作環(huán)境的情景，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、參與性和競(jìng)爭(zhēng)性，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力以及競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)。

目前的高職進(jìn)校生基本都是經(jīng)過重點(diǎn)高校和普通高校兩輪篩選過后的，這些學(xué)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(xué)習(xí)。現(xiàn)在的教學(xué)設(shè)計(jì)，尤其是在建筑和結(jié)構(gòu)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)方面，往往因教學(xué)設(shè)備上的落后，導(dǎo)致教師教學(xué)時(shí)表達(dá)方式不夠具體，造成課堂效果較差，難以達(dá)到授課目的。這些因素都嚴(yán)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(shí)圖課程作為重要的專業(yè)課程，在很大程度上影響著學(xué)生將來就業(yè)和發(fā)展。且鋼筋構(gòu)造部分知識(shí)瑣碎、枯燥，若仍采用講授法，靠死記硬背學(xué)習(xí)配筋要求和識(shí)圖知識(shí)，難以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，這樣學(xué)生就失去參與課堂的積極性，逐漸演化為不愿意學(xué)甚至厭學(xué)。學(xué)好建筑構(gòu)造與識(shí)圖，必須先掌握構(gòu)造原理和做法，但是大多數(shù)高職學(xué)生不善于對(duì)知識(shí)點(diǎn)細(xì)節(jié)進(jìn)行思考，傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)模式達(dá)不到預(yù)期效果。

面對(duì)以上教學(xué)問題，不難發(fā)現(xiàn)，原始的教學(xué)方法和手段難以吸引學(xué)生注意力，不能讓其產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。這就需要調(diào)整教學(xué)方法和手段，如將知識(shí)點(diǎn)融入具體工程情景中，采用項(xiàng)目教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)等方法，充分利用現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)施，引入多媒體、BIM、仿真模擬等，建好虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源對(duì)于推動(dòng)課程教學(xué)改革和提高教學(xué)效果顯得非常必要。

課堂教學(xué)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)，簡(jiǎn)稱為VR）技術(shù)，可利用其能情景再現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，補(bǔ)齊傳統(tǒng)課堂教學(xué)的短板，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)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(jì)空間環(huán)境，真實(shí)性與應(yīng)用性并存，使人們沉浸其中，在講解抽象的概念時(shí)，教師可以通過虛擬空間模擬的教學(xué)模型生動(dòng)地展示教學(xué)要點(diǎn)，幫助學(xué)生更直觀地理解內(nèi)容，準(zhǔn)確掌握理論知識(shí)和實(shí)際接觸的內(nèi)容。虛擬模型可以直接、生動(dòng)地揭示事物的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)，是一種很好的教學(xué)手段。教學(xué)時(shí)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(shí)。

團(tuán)隊(duì)有機(jī)融合虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)與沉浸式交互體驗(yàn)，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(diǎn)及結(jié)構(gòu)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)，以三維立體、雙向交互的呈現(xiàn)方式，使學(xué)生有身臨其境之感，這不僅調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，節(jié)省設(shè)備投資，而且可通過便利的升級(jí)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(xué)過程中，通常需要根據(jù)實(shí)際的知識(shí)內(nèi)容為學(xué)生構(gòu)建相關(guān)的實(shí)物模型，進(jìn)而幫助學(xué)生了解較為抽象的概念，以降低學(xué)習(xí)難度，掌握知識(shí)內(nèi)容。通過VR技術(shù)可以促使現(xiàn)階段的抽象概念進(jìn)一步形象化，通過軟件進(jìn)行建模，構(gòu)建與教師教學(xué)所需模型相同的內(nèi)容，該教學(xué)模型相較于傳統(tǒng)模型更具優(yōu)勢(shì)，整體交互性較強(qiáng)，可促使學(xué)生參與學(xué)習(xí)實(shí)踐。例如，ZSpace的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造應(yīng)用，可使學(xué)生利用節(jié)點(diǎn)圖譜探究結(jié)構(gòu)構(gòu)造，幫助學(xué)生加深對(duì)人體結(jié)構(gòu)的了解，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。

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

表1 建筑構(gòu)造虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源具體建設(shè)內(nèi)容

續(xù)表

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源具體建設(shè)內(nèi)容

續(xù)表

續(xù)表

（一）教學(xué)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(xué)系統(tǒng)，教學(xué)系統(tǒng)核心目標(biāo)是改革和優(yōu)化職業(yè)教學(xué)模式，開發(fā)和積累教學(xué)資源。系統(tǒng)以ZSpace桌面一體化VR設(shè)備為載體，有機(jī)融合虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)與沉浸式交互體驗(yàn)，參照國標(biāo)建筑設(shè)計(jì)圖集，制作了一批具有代表性的建筑構(gòu)造節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)充分體現(xiàn)VR技術(shù)表現(xiàn)力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，以三維立體、雙向交互的呈現(xiàn)方式，將建筑構(gòu)造節(jié)點(diǎn)清晰展現(xiàn)在學(xué)生面前，幫助激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的參與度和教師的教學(xué)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(jì)34個(gè)建筑構(gòu)造節(jié)點(diǎn)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(jì)58個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)模型。系統(tǒng)采用三維仿真技術(shù)，將二維節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了三維模型的全方位觀察體驗(yàn)。

圖1 建筑構(gòu)造系統(tǒng)首頁

圖2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造系統(tǒng)首頁

圖3 建筑構(gòu)造二維圖紙與三維模型同屏交互顯示

圖4 結(jié)構(gòu)構(gòu)造維圖紙與三維模型同屏交互顯示

（二）教學(xué)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(xué)生，適用課程見表3。該系統(tǒng)已運(yùn)用于我校建筑構(gòu)造與識(shí)圖課程教學(xué)，通過兩個(gè)平行班的對(duì)比，運(yùn)用本系統(tǒng)教學(xué)的班級(jí)，在課程后期設(shè)計(jì)并繪制構(gòu)造節(jié)點(diǎn)時(shí)有明顯的優(yōu)勢(shì)，后續(xù)團(tuán)隊(duì)擬將教學(xué)新成果、教學(xué)新資源、教學(xué)新模式推廣應(yīng)用于其他建設(shè)相關(guān)課程中。

表3 適用課程

三、特色與創(chuàng)新之處

（一）降低實(shí)訓(xùn)成本

學(xué)生坐在教室就可以掌握構(gòu)造要求，從而優(yōu)化教學(xué)過程，提高教學(xué)的質(zhì)量和效率。相比較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室搭設(shè)節(jié)點(diǎn)模擬施工現(xiàn)場(chǎng)，虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)具有成本低、效率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、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(diǎn)，是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的完善補(bǔ)充和拓展。

（二）真正理實(shí)結(jié)合

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建課程中的構(gòu)造模型，一方面加強(qiáng)基礎(chǔ)理論信息傳遞的效果，另一方面使每個(gè)學(xué)生都能通過VR深入體驗(yàn)，解決傳統(tǒng)教學(xué)模式下“難理解”“難實(shí)現(xiàn)”的問題，增加學(xué)生對(duì)構(gòu)造的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的創(chuàng)新和空間思維能力，掌握實(shí)際項(xiàng)目中構(gòu)造做法，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)。

（三）突破三大約束

傳統(tǒng)教學(xué)過程中，為了讓學(xué)生擁有對(duì)建筑及結(jié)構(gòu)構(gòu)造的感性認(rèn)識(shí)，教師帶領(lǐng)學(xué)生參觀施工現(xiàn)場(chǎng)，幫助學(xué)生掌握鋼筋的種類級(jí)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(shí)技術(shù)則不受時(shí)間、空間影響，不受施工進(jìn)度影響，不受自然天氣的影響，便于教學(xué)進(jìn)度的安排。

（四）創(chuàng)新教學(xué)模式

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