高職建筑工程類虛擬仿真實訓平臺建設探索*

張同鈺（咸陽職業技術學院建筑學院，陜西咸陽 712000）

隨著我國建筑業的市場化和建設信息化的迅猛發展，建筑工程行業對提高工作效率、降低錯誤率、提高管理質量和使用數字信息的要求越來越高，高職院校的教學內容、教學模式、教學手段都要與時俱進，順應信息時代中學習者對知識的獲取方式的變革，才能提高學生的實踐能力和創造能力，達到信息技術與教學的深度結合。

1 虛擬仿真實訓室建設的必要性

建筑工程技術傳統的建筑材料和儀器的實訓教學室、實訓場已經不能滿足當下學生的實訓能力要求，引入虛擬仿真實訓內容可以幫助學生更好體驗施工全生命周期，更形象直觀地掌握相關知識和技能。虛擬仿真技術的作用主要體現在以下幾個方面。

1.1 沉浸感

虛擬仿真系統用其強大的創造性和模擬性，為學生營造一種教學情景，使學生沉浸于教學之中，使理論具象化，易于理解。由于其獨特的沉浸式、實時性，在軍事模擬、先進制造、城市規劃、地理信息系統、生物醫學、天文等領域有著廣泛的應用。教學中對虛擬現實技術的應用，使其能夠突破時空的限制，實現虛擬教育與現實教育的有機統一。

1.2 交互感

教學中某些知識難以形象化展示、危險系數高、設備實操難等教學內容，傳統的輔助形象化、具體化的圖片、視頻展示因為少了交互性，不便于學生理解記憶。采用虛擬仿真教學軟件，可以通過虛擬現實還原創造許多不可見、難以實現的三維真實場景，學生進入虛擬現實教育系統中進行交互實訓，通過每一步操作的實時反饋，在互動中使教學知識更全面，將隱蔽工程內容直觀顯示，全方位立體展示建筑工程的生產流程。

1.3 真實感

教育本身就是一種信息與知識的傳播。傳統的授課方式，則是依靠教師的口授、文字、圖片，在知識傳輸的過程中，會有一定程度的遺失。通過使用虛擬仿真技術，學生可以真正地置身于所創造的三維虛擬世界中，通過與虛擬環境的交互作用，利用自己的感知和認知能力，全面地獲得各種空間和邏輯信息。這種立體的、全方位的體驗感，使得知識可以通過自身的途徑進行傳遞，并將其原始形態保存到最大程度。虛擬仿真軟件可以一定程度地承擔教師講授的工作和任務，使學生與知識技能較為直接接觸，減少教師在教授過程中自身的水平參差產生傳遞遺失的問題。

1.4 數字感

在5G時代，數字化是信息科學與生命科學相結合的產物，是以計算機技術為手段，在多層面上對人體的形體和機能進行虛擬仿真。該系統由視覺人體、物理人體、生理人體和智能人體四個不同的發展階段構成，并通過建立多學科、多層次的數學模型，由微觀到宏觀的精密仿真。虛擬仿真為人們在教育中的應用提供了一種可行的途徑。數字化教學能夠打破時空的局限，更好地參與到教育和教學中，更好地運用教育資源，達到教育目的。

綜上所述，虛擬仿真技術以其沉浸性、交互性、真實性和可重復性等特征，為教學改革提供了新途徑。使用虛擬仿真系統教學能使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中進行安全、經濟、反復的模擬實習，有效地提高了課堂教學的效率和質量。因此，加強虛擬仿真實訓室建設是當務之急。

2 虛擬仿真實訓室建設理念

土木工程類專業虛擬仿真實訓室建設要能有效地提高土木類專業實踐教學效果和強化學生的工程素質培養，圍繞實踐教學體系，堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”的理念，利用虛擬現實、計算機網絡、多媒體等技術，完成教學平臺的建設，實現虛擬仿真平臺和校內外實踐教學基地的相互補充、相互支持。

由于各高校的經費、場地、支持力度的不同，所建設的虛擬仿真實訓室大大小小諸多的問題逐步暴露出來。

2.1 智能性不足

虛擬仿真系統各不相同，有些企業的產品較為低劣，甚至無法實現實驗結果自動批改和智能指導；實驗成績難統計，實驗效果難評估，實驗數據難匯總，所謂智能化的軟件只是徒有空殼，實驗實訓過程中教師甚至也無法全程監察和督管，導致學生在上實驗實訓課程中肆意妄為不受限制，達不到虛擬仿真教學的效果。

2.2 擬真性不足

現階段市面上用于教學的虛擬仿真軟件質量參差不齊，部分軟件缺乏專業性，有的建模粗糙，仿真模型與實際情況有較大的出入；有些則是工藝流程落后，沒有執行行業現行標準；甚至還有些沒有缺乏業內專家的指導，展示出來的效果與實際南轅北轍。這種結果不但無法教學，甚至會誤導學生對現實情況的認知，實在是非常不可取。

2.3 開放性不足

教學資源和實驗室資源無法對校內或校外開放共享，部分虛擬仿真系統硬件配置低，智能硬件與管理系統無法對接，導致實驗室、儀器設備等利用率低，難以形成附加效益。

2.4 管理混亂

學校實驗室的建設缺乏頂層設計，實驗室缺乏統一管理，運行情況無法實時監控，實驗教學工作覆蓋廣、參與人員多、協調管理難，軟硬件設備監管難度大，信息化管理水平低，傳統的實驗手工排課方式異常艱難。無法同時管理現實和虛擬實訓，虛擬仿真實訓教學中心與實訓教學中心無法同時管理。

虛擬仿真實訓室在建設之初就應充分認識到，這不僅僅是購買一些計算機加一套仿真軟件這么簡單，要立足長遠，該實訓室應代表的是專業的尖端技術和未來發展。因此，建筑虛擬仿真實訓室建設應以建筑原理、建筑設備以及典型建筑生產施工流程仿真為核心，使之成為建筑工程技術、工程管理、工程測量等專業技術人才的實踐能力教育平臺；通過構建一套完整的實訓教學管理體系，將進一步構建具有擴展、兼容性、前瞻性的實訓教學管理與共享平臺，實現對創新人才的現代化實踐教學基地、教師教學改革與探索的基地、虛擬仿真實訓教學示范基地以及教學成果培育基地，為創新型人才提供現代化的實踐教學基地、教師教學改革和探索基地、虛擬仿真實訓教學示范基地以及教學成果培育基地。

3 VR技術虛擬仿真實訓室的硬件建設

傳統的虛擬仿真實訓室都是在普通多媒體教室里，學生們只能在電腦上進行模擬實訓，而不能讓人產生一種身臨其境的感覺。特別是建筑工程技術需要臨場感的實訓沒有逼真的體驗感，不能很好地激發起學習者的興趣。

針對上述現狀，以VR技術為基礎的虛擬仿真試驗中心的構建方案被廣泛采用。學生可以充分地沉浸于虛擬的環境中，在虛擬的三維空間內進行互動，并利用大尺寸屏幕進行演示，從而大幅度提高虛擬仿真的模擬性，激發學生的學習興趣。這種VR技術的虛擬仿真更加注重使用者的沉浸感，提供更好的臨場感，使學生如同置身另一世界，為學生感官上認知操作環境提供幫助。同時，為使用者提供形象的交互體驗，通過交互設備模擬現實中的操作，使學生實際操作水平得到有效提升。這種技術可以為學生提供更深層次的理性認識，彌補書本或平面資料在三維空間中的認知不足，激發學生更多的想象力與創造力。

現階段的虛擬仿真教學首先使用者需要利用頭戴式可視設備(HMD)才可充分融入虛擬世界，在其中進行互動教學，并通過大屏幕進行演示，實現對操作者的實時操作。因此，還需要建設操作工位，使學生進行模擬工作練習和鞏固。該方案主要有沉浸系統、交互系統、運算系統、位置追蹤系統、軟件系統、實訓工位等組成。

（1）沉浸系統。操作者既可通過頭盔顯示系統獲得完全的沉浸感，通過大屏幕顯示系統又可滿足大量旁觀者的觀看需求。沉浸系統主要包含頭戴式顯示設備、主動立體投影機、投影屏幕、邊緣融合器、音響設備等。

（2）交互系統。操作者通過虛擬現實交互設備的操作，在虛擬環境中進行交互，模擬真實操作中與設備的真實互動。

（3）位置追蹤系統。頭盔式位置追蹤系統作為系統的輔助，為顯示系統和交互系統提供實時定位信息，使操作者的觀察位置和手部動作與畫面顯示內容完全同步。通常與操控手柄、數據手套、全身動作捕捉設備結合使用。

（4）軟件系統。軟件系統主要包括開放式虛擬仿真實訓教學管理平臺及虛擬仿真實訓課程資源，可根據教學需求靈活定制開發各種課程仿真資源，并很好融合現實到上述相關設備中。

（5）實訓工位。滿足一個班級多個學生同時進行虛擬仿真實訓教學實訓練習。包含高性能計算機、顯示器(立體非立體）、鍵盤鼠標(或其他交互設備)等。

完成整個虛擬仿真系統的建設，還要依照實際需求進行專業設計，通過靈活的軟件硬件搭配來滿足各個專業的不同需求。整套硬件系統在建設時要注意適用性，應支持目前各類主流虛擬現實開發平臺，滿足不同虛擬仿真技術開發的軟件顯示與操作交互，還要有一定的可拓展性，在現有硬件環境中添加各類虛擬現實交互設備，以支持未來一定時期內的升級。

4 結語

建筑類虛擬仿真實驗教學中心通過虛擬仿真教學資源的建設推廣，豐富了課堂教學內容，利用更形象、直觀的教學手段進一步激發了學生的學習熱情，引導學生主動參與到實驗教學環節，增強了教學效果；增加了實踐教學手段，通過三維虛擬現實的動畫演示、手工操作，增強了教學過程的真實性，引導學生能夠親自參與各種實踐環節；實現了高危險、高成本、高消耗實踐教學環節的現場化。

通過虛擬仿真實訓室的建設，實現了教學資源的大范圍共享，可供本校全校學生共享和部分校際共享。使學生有了更好的實踐體驗機會，增強了教學效果，提升了學生的操作能力，是培養學生從事建筑施工技術與施工活動管理等工作的高素質技術技能人才的體現。