基于虛擬技術的孿生校園設計及其研究
——以揚州大學建筑教學空間為例

姚楠 嚴永婷 陳其富

揚州大學建筑科學與工程學院 江蘇 揚州 225000

1 研究背景和目的

在新的時代里，各個行業都在進行著數字化轉型。隨著數字化、智能化技術的發展，數字孿生技術加快應用，國家在“522號文件”中也提出數字孿生創新計劃。《“十四五”和2035年遠景目標綱要》指出，在數字化、信息大爆炸時代基礎上，全面推進數字經濟、數字社會和數字政府的建設，全面推進數字經濟、數字生活、數字管理的現代化進程。

綜合利用感知、計算、建模等技術，把物理上的城市要素進行數字化，在數字空間構造一個與之完全對應的“副本”，建立與現實世界實時映射、虛實交互的數字孿生城市，成為推動城市科學規劃、高效治理，進而實現數字化轉型的重要路徑。在時代趨勢的影響下，數字孿生在建筑教學中也發揮著重要作用，預示著高校數字化教學模式建設新階段。

1.1 數字孿生技術發展概況

1.1.1 數字孿生技術的來源及定義。“數字孿生”概念最早可以追溯到二十世紀六七十年代的美國航天“阿波羅”項目，NASA制造完全相同的兩個空間飛行器，一個用于執行飛行任務，另一個留在地球上，被稱為“孿生體”，用于反映另一個飛行器的狀態[1]。數字孿生技術是指通過數字模型和實物模型之間的互聯，將實物世界與虛擬世界相結合的一種技術。數字孿生技術是近年來興起的一種新興技術，它可以模擬實物對象的外形、結構、材料、功能等特征，并通過實時數據傳輸及智能算法進行數據分析和決策支持。

1.1.2 數字孿生技術的應用。數字孿生市場需求逐漸增長，數字孿生技術已經從最早集中在制造業和航空航空業，到現在的多領域涵蓋應用，應用范圍包括但不限于商業房地產、零售、基礎設施、智慧城市、智慧校園、智慧園區、能源以及許多其他領域。

在建筑教學中，數字孿生技術可以為學生和教師提供全新的教學方式和學習環境，實現對建筑教學樓的建模、改進和創新，并優化教學資源，提升教學效果。

1.2 數字孿生技術的研究意義

1.2.1 更便捷，更適合創新。數字孿生技術通過程序的設定在一定程度上利用虛擬現實，物聯網，模擬仿真等科學技術，將物理屬性映射到虛擬空間，并可根據需求選擇進行復制，拆解，組裝，修改等操作，來完成對虛擬空間的改造更新[2]，幫助我們更好的理解和掌握實體世界中的物理對象，使得部分源于現實卻不便于實現的操作得以超脫諸多限制。

1.2.2 經驗的數字化。城市數字孿生系統，就是在數字空間里搭建一個與物理世界精準匹配的“孿生城市”。在這個虛擬世界里，為城市規劃、管理、建設提供可靠、客觀、可視化的數據支撐[3]。在工業設計、生產和服務等傳統行業中，由于經驗往往處于一種模糊不清的狀態，很難用它來做出準確的決策。

圖1 數字化時代背景

2 數字孿生技術在建筑教學中的應用

2.1 構建教學樓實體在數字世界中對應的實體模型

圖2 虛擬現實與現實空間的交互

數字孿生技術可以通過數字化建模和三維掃描技術，將教學樓的實體模型轉換為數字模型，并將其加載到虛擬現實（VR）或增強現實（AR）平臺中，提供更直觀、實時的教學體驗。學生可以通過VR或AR設備在虛擬環境中參觀和探索教學樓的各個角落，了解建筑設計和結構細節，增強對建筑知識的理解和記憶。數字世界中的實體模型是在現實世界中對實體的數字化表達，它可以方便地理解事物的表現及其本質，對風險信息進行預測，對交通流進行模擬，對實際實體進行優化和控制。

利用數字傳感技術，收集相關數據信息，對物理實體進行建模，對事物發展過程的屬性、方法、行為習性等特性導入模型之中。從工作強度上講，數字孿生工藝模型首先建立在基本元素模型的基礎上，然后再通過模型組合來建立復雜的目標模型。為確保模型運行的流暢性、準確性和有效性，以及對物理對象的描述與邏輯規范相一致，必須對模型的驗證結果進行持續的驗證，以更接近于現實對象運行處理模式，確保模型的準確性。另外，為了方便模型的不斷改進，用戶的使用操作等，模型管理也是十分必要的。

2.2 教學樓設計和教學服務的改進和創新

數字孿生技術可以模擬不同設計方案的效果，幫助教師和學生評估和比較不同設計方案的利弊，并進行優化。通過數字孿生技術，教師可以設計虛擬教室，優化座位排布和課程設置，提升學生的學習效果和舒適度。此外，利用數字孿生技術，可以實現對教育資源的有效融合，針對學生個人，為其創建自適應學習環境，提供個性化學習方案，從而幫助學生成為一名專業型技術人才。從目前的數字孿生智慧教學模式來看，其主要構成要素由學習者、教師、數字孿生內容和孿生體四部分組成，應用模式中主要是教與學的方式差異，是教育者基于不同的教學理論開展的數字孿生教學教學活動[4]。

表1 數字孿生技術教學應用模式分析

在學校建筑的設計中，既要滿足學校里的師生員工的日常生活需要，又要把學校建筑作為一個文化載體，讓它能夠反映出學校不同的文化氛圍，從而在校園中形成自己的獨特印記。在如今時代洪流面前，民族大融合形成了必然趨勢。因而，在此多元背景之下，學校建筑應該注重特殊個體，強調文化的包容特性，在中國傳統教學文化之中，形成獨屬于學校所在落地的獨特文化氛圍。

教學樓的設計改進，需要進行多方討論，形成一致意見，而一千個人中有一千個哈姆雷特，這時，數字孿生技術的實用性便體現出來了。首先對教學樓改進方案進行整合，利用數字建模技術對其進行模擬，測試其實用性，外觀適配性等多方面數據，再結合互聯網時代的大數據信息，進行綜合評價，選出最優方案。從方案設計到建筑落地，可全程搭配數字技術進行模擬監管，充分適配建筑學學科特點，降低了風險程度，提高了安全性能。

數字孿生破解了虛擬空間的大數據障礙，消除了現實環境的物聯網困境，實現了物理現實系統向賽博虛擬空間數字化模型的反饋，允許學習者穿越虛實界墻，在數字學習環境下自主地交互，為虛實融合、數據賦能的泛在智慧教育提供了新的愿景與方向[5]。虛擬現實可以幫助模擬互動教學系統，用計算機來模擬真實的社會現象，學生在其中扮演著某種角色進行技能訓練。虛擬現實教學系統在很大程度上彌補客觀條件不足帶來的缺陷，可以提供學生們一種近乎現實世界的教學環境，提高學生職業技能，幫助其更好地理解運用所學知識。同時我們可以通過修改數據，來創造特殊情境，加以改進教學過程中出現的問題。

虛擬現實也可以幫助學生們實現個性化需求，對學生們的操作進行實時評分，使得同學們可以及時了解到自己操作的可行性及合理性。傳統教學中，教師們因為時間，技術等條件不足，無法真正實現因材施教。虛擬現實的仿真空間則不同，學生們可以在其中進行各式各樣的個性化操作，并且可以通過仿真看到結果，極大程度地提高學生們主觀能動性，減輕教師的負擔。

總而言之，虛擬現實交互教學系統是一種極為新穎的教學手段，其實用性及前景空間，可以為教學和實驗提供專業平臺，延伸想象空間，提高創新能力，實現現實世界中所不能的操作。相信在未來數年內，我們將在智慧化教學上有重大突破，推動現代教育的發展。

2.3 模擬教學樓流動信息，優化教學資源

數字孿生技術可以模擬教學樓內部的人流量、空氣質量、設備運行等信息，并通過數據分析和智能算法進行優化。通過實時監測和分析，數字孿生技術可以提供精確的教室利用率數據，為教室安排和課程調度提供參考。同時，數字孿生技術還可以對教室環境進行優化，例如調整溫度、光線、空調等參數，提供更適宜的學習環境。

2.4 數字孿生技術在揚州大學建筑教學空間的應用

2.4.1 初步建模。本文以揚州大學揚子津西校區建筑學專業教學空間為研究對象，利用CAD、su等軟件進行場地、室內空間、室外空間的構建。建筑學專業教學空間歷經一次改造，其空間功能重新進行規劃劃分。構建過程中，需及時清理多余線條、亂線、雜線，避免最終運行結果出現錯亂現象。同時，利用su進行模型組裝之時，將其結構、平面適時進行構建成祖，方便整體模型的整合與分離。最終得出教學樓、建筑學圓廳及其周邊環境的大體細致模型，為下一步研究做好準備。

圖3 揚子津校區實景圖及建模圖

2.4.2 渲染動畫。小組團隊結合課堂所學和團隊的數字技術特長和興趣，在資料調研和現場測繪的基礎上，充分利用揚州大學國家級仿真實驗室平臺，整合BIM、CAD等相關軟件優勢，并借助校企合作軟件“光輝城市”的VR數字技術平臺進行數字孿生校園模擬、仿真和預測展示和研究。將建筑學教學空間和圓廳展覽空間渲染做成動畫，以人的視角在教學樓中行走，佩戴虛擬現實設備后，可以沉浸式體驗虛擬教室，與現實情況無異。同時還將建筑學獨特的展板空間利用軟件添加了學生作品，讓場景有了不一樣的靈動性和真實性。這樣既可以方便同學在線上瀏覽自己或他人的作品，也可以讓老師在線上批改學生的作業，還可以讓外校或者家長朋友很快地了解到揚州大學建筑學教學空間的基本情況，提供了一個輕松有趣且沉浸式的新型教學環境。

圖4 建筑學教學空間內部渲染圖

2.4.3 研究總結。本研究項目專注于教學樓的虛擬仿真，帶領大家了解校園建筑文化，進一步提高外界對揚州大學的認知，優化教學樓設計和教學服務。同時創建相關對象模型庫，便于研究人員調取特定人員群體，物體材料，設施設備，場地環境模型組件，進行相對應的模型關系，可以提供外界人員進行相應的模擬體驗，足不出戶即可體驗揚大風采。

圖5 校區環境渲染圖

在不久的將來，虛擬現實技術進一步發展，全校進行虛擬現實教學技術的普及，可以有效降低資源損耗，高效利用教學資源。同時可以幫助同學們更加深入了解個人專業擅長方向，培養專業型復合人才，面對特殊情況，可以有條不紊地正確處理相關事宜，有效解決畢業生就業之后，難以將所學知識在工作崗位上融會貫通，加以運用的難題。

3 結束語

數字孿生技術在建筑教學中的應用已經取得了一定的成果。隨著現代化科學技術的高速發展，虛擬現實的建模系統更加細致精準，越發貼近現實，乃至模擬其所不能，學生可以以更直觀、豐富的方式了解和學習建筑知識，提升學習效果。同時，數字孿生技術還可以幫助教師進行教學樓設計和教學服務的改進和創新，提供更優質的教育資源和學習環境。對于教育機構和學生，數字孿生技術的應用可以提高教學質量和學生滿意度，實現教育資源的優化配置。

然而，數字孿生技術在建筑教學中的應用也面臨一些挑戰和難題。首先是技術成本和設備支持的問題，虛擬現實和增強現實設備比較昂貴，并且需要配套的軟件和數據支持。其次是技術普及和推廣的問題，盡管數字孿生技術在建筑教學中具有巨大潛力，但普及和推廣仍然需要時間和資源。此外，數字孿生技術還需要與傳統教學模式和教學管理進行有機融合，形成有效的教學模式和管理機制。

總之，數字孿生技術在建筑教學中具有巨大的潛力和應用前景。通過構建教學樓實體模型、改進和創新教學設計和服務、優化教學資源等方式，數字孿生技術可以提升學生的學習效果和滿意度，實現建筑教育的優質發展。然而，在應用數字孿生技術的過程中，需要考慮技術成本、設備支持、普及推廣以及與傳統教學模式結合等問題，并積極探索解決方案，逐步實現數字孿生技術在建筑教育中的普及和應用。