基于BIM+VR的師范生沉浸式仿真課堂構建

張慧鑫 何汪洋

*項目來源：成都師范學院校級科研項目（CS22XMPY0107）；四川省大學生創新創業訓練計劃（S202214389167）。

作者簡介：張慧鑫，講師；何汪洋，成都師范學院物理與工程技術學院本科生。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.10.026

摘? 要? 隨著信息技術的不斷發展，虛擬現實（VR）和建筑信息模型（BIM）技術逐漸應用于教育領域?；贐IM+VR技術的師范生沉浸式仿真課堂是一種新型教學模式，可以提高學生的學習興趣和參與度，進而增強教學效果。通過調研成都師范學院師范生在教資免試背景下的課堂現狀，發現存在教學方法陳舊、教學資源有限、缺少仿真課堂或現有仿真課堂交互性差等問題。以Revit和Unity為載體，創建具有高交互性的教學虛擬環境，為師范生構建沉浸式交互性虛擬仿真課堂，有效提高學生的學習興趣，提升了教學效率，教學效果反饋良好。

關鍵詞? BIM；VR；沉浸式仿真課堂；師范生

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）10-0026-05

0? 引言

2010—2022年國家出臺近20項虛擬教學相關政策，支持和規范虛擬教學在教育中的應用，推動我國虛擬教學產業發展。隨著信息技術的不斷發展，虛擬現實（VR）和建筑信息模型（BIM）技術逐漸應用于教育領域。VR技術作為新型的交互式技術，日益受到教育界的關注。沉浸式VR技術能夠提供真實場景下的模擬體驗，可以直觀地傳遞教育內容和知識，取得良好的教學效果。例如，高校借助VR技術打造新型微格實驗室，學生能夠身臨其境地參與高仿真教學活動，從而提高訓練效果[1]。然而大多數的虛擬體驗存在交互性差的缺點，學生無法與場景中的物體進行互動，從而使虛擬場景與課堂教學間有割裂感。

本文提出一種基于BIM+VR技術構建的師范生沉浸式仿真課堂，采用真實精細化BIM模型和沉浸式的VR技術，只需要建筑圖紙和手機拍攝的環境照片便可將真實環境構建成虛擬場景，在VR設備的輔助下，場景交互性更強，使之可以與課堂內容相結合。這種課堂教學能夠讓師范生獲得更加豐富的實踐操作經驗和數據分析能力，更好地滿足未來高校教育的發展需求。

1? 教資免試背景下師范生課堂現狀

2022年，教育部發布《關于推進師范生免試認定中小學教師資格改革的通知》，免試認定對于地方應用型本科高校的師范生而言是機遇，也是挑戰。在教資免試政策背景下，師范生的教育水平和教育實踐能力面臨著巨大的挑戰。師范專業能夠完成整個認定工作，并且能夠接受教育部專家的檢查評估，是一項長期的工程，需要不斷地推進師范專業的教育教學質量，不斷地提升師范生人才培養水平[2]。在這個要求下，師范生要具備的教師素質一般包括語言技術、板書技術、教學內容處理、教學方法綜合應用及課堂管理組織等方面[3]。

對學校13個學院2020—2023級師范專業隨機選擇300名學生做了針對目前師范生課堂存在的問題的調查問卷，回收問卷267份，有效問卷253份。通過問卷了解到師范生課堂的一些現狀：一是傳統的教學方法陳舊，無法激發學生興趣；二是受實驗教學資源限制，操作性學習不足；三是課本資源單一，不能滿足學生課堂需要；四是應試化教學，沒有足夠能力應對真實課堂需要。

教學方法陳舊是師范生課堂中的重要問題。傳統的教學方法已經難以滿足學生的需求，需要教師不斷探索和創新教學方法。然而，在師范生的課堂中，教師可能沒有足夠的教學資源和支持，難以進行教學方法的創新和實踐，這就需要更新和改進教學內容，優化和整合教學資源，提高教學效果，適應教育領域的不斷發展和變化。

2? BIM+VR技術在師范生教育中的應用

BIM技術是一種基于數字化建模的技術，可以對建筑物的結構、機電設備、管道系統等進行模擬。BIM技術在建筑設計、施工和維護等方面已經得到廣泛應用。在教育領域，付靜[4]建立了蘊含BIM技術的特色課程體系，幫助學生更好地理解建筑物的結構和功能，提高學習效率；謝婷玲[5]將VR技術用于模擬訓練、教學演示和虛擬實驗室等方面。本設計利用BIM技術對教學場所的環境進行模擬，包括教室結構、設備布置、學生分布等。

VR技術是一種通過虛擬現實設備模擬真實場景的技術，可以讓學生身臨其境地體驗不同的場景，提高學生的學習興趣和參與度。基于VR技術的沉浸式仿真課堂已經在一些高校得到應用。例如：某高校探索基于VR技術的情境創設，提高師范生情境創設能力，開展“VR+學科”教學融合，促進師范生多感官參與，開展“VR+”實驗教學，增強師范

生實驗操作能力[6]。

目前，將BIM與VR技術相結合的案例在教育領域還比較少，兩者相結合將為發展帶來更多新的體驗，基于BIM+VR技術的師范生沉浸式仿真課堂可以模擬真實的教學環境，讓學生借助VR設備就如同在真實環境中進行教學實踐。

在師范生教育中，基于BIM+VR技術的沉浸式仿真課堂可以用于教學實踐、教學演示和教學評估等方面。在教學實踐方面，學生可以在虛擬環境中進行教學實踐，模擬真實的教學情境，提高教學能力。在教學演示方面，教師可以通過BIM技術進行教學場所的模擬，通過VR技術進行教學演示，增強教學效果。在教學評估方面，教師可以通過BIM+VR技術對學生的教學實踐進行評估，提高教學評估的準確性和客觀性。

3? 師范生沉浸式仿真課堂設計

3.1? 軟硬件設施

常見的BIM建模軟件有SketchUp、Rhino、Revit等。Revit建模軟件簡單易用、功能強大，可以滿足用戶在建筑全生命周期創建模型的不同需求，最大的特點是參數化設計能力較強。本設計使用Revit建模軟件創建精細化建筑三維模型。主流的VR設計軟件有Unreal和Unity，二者都允許用戶輕松創建交互式內容，如游戲、3D動畫、技術可視化和其他綜合開發工具，提供一個強大的可視化編輯器和一個豐富的操作界面。本設計采用的是Unity對教室場景進行布置與交互設計。

VR設備可以分為主機式、移動式、一體式：主機式VR設備處理器性能高、交互體驗感強[7]；作為移動端設備手機VR眼鏡是體驗VR入門級的產品，具有價格便宜、便攜程度高的特點；一體式VR設備結合了主機式VR設備與移動端VR設備的優點，具有便攜、高性能、高交互、低成本等特點，比較有代表性的有大朋M2VR一體機、博思尼的X1。設計中采用一體式VR設備帶給使用者高交互性的體驗。表1為不同VR設備對比，圖1為一體式VR設備。

3.2? 課堂構建

要實現整個仿真課堂的構建，首先需要采集教室模型信息。通過已有某教學樓的施工圖紙，使用Revit軟件建立教室BIM。對建筑物的外形輪廓、部分細節進行拍照，收集不同角度的清晰照片，后期對照片進行剪裁、校正等數據處理，形成貼圖

庫[8]，對BIM進行紋理映射處理，完成真實場景的精細化建模。在交互設計上通過Unity實現師范生在教室中會涉及的交互效果，如講課、實驗教學等。最后在VR平臺上實現師范生沉浸式課堂體驗。具體構建流程如圖2所示。

3.3? 課堂設計

當沉浸式仿真課堂構建完成后，師范生選擇需要呈現的虛擬課堂場景，包括理論課堂、實踐課堂、應急課堂等，針對理論與實踐相結合的課堂也可以進行選擇。沉浸式仿真課堂解決了傳統教學方法陳舊的問題，實踐課堂緩解了師范生受實驗教學資源限制、操作性學習不足的問題，應急課堂提高了師范生對環境的認知和應對能力。當仿真模擬課堂教學完成后，師范生還可以回顧自己的教學過程進行教學反思，并且修改自己的教學方案再次進行模擬教學，直至達到自己滿意的效果。師范生沉浸式仿真課堂教學流程如圖3所示。

4? 基于BIM+VR技術的師范生沉浸式仿真課堂

實踐

BIM與VR技術的結合突破了空間上的限制，實現了師范生沉浸式理論課堂、實踐教學課堂、課堂應急場景的仿真課堂模擬，還可以實現師范生測評試講課、模擬會議、面試等沉浸式模擬。將真實場景帶入虛擬現實，有更多的實用價值有待去發掘。

4.1? 理論課堂交互設計

學生可以在虛擬環境中進行教學實踐，模擬真實的教學情境教室讓他們沉浸式體驗VR課堂，感受虛擬教學中教師和學生的狀態，提高教學能力。對比真實的教室課堂場景，BIM+VR技術所模擬的仿真課堂可以實現自定義課堂內容教學、教學內容立體化、教學能力評估等豐富內容，在理論課堂設計中實現許多基礎性的交互，通過許多基礎性的交互結合，最終呈現給使用者的是一套完整的課堂體驗。表2為一些交互的展示。

4.2? 實踐教學交互實現

以物理課堂實驗為例，本設計通過Revit和Unity軟件完成牛頓第一定律實驗。在傳統課堂上，實驗教學時是沒有表面絕對光滑的表面的，因此，無法探究小球在沒有摩擦力時的運動狀態，只能通過逐步減小水平面的粗糙程度進一步推理得到小車不受摩擦力時會怎樣運動。師范生在虛擬實踐教學課堂中不僅可以逐步減小表面粗糙程度，改變小球受到的阻力，逐步推導沒有水平摩擦力時小球的運動狀態，也可以直接將水平摩擦力修改為0，直觀地看出小球在沒有受到水平摩擦力時的運動狀態。完成實驗后窗口彈出提示內容，顯示實驗所應用的原理：一切物體在沒有受到力的作用時，總保持靜止狀態或勻速直線運動狀態。實現理論與實踐的相互結合。圖4為實驗操作，圖5為理論知識彈窗。

4.3? 課堂應急場景

BIM+VR技術為安全教育帶來新的模式，可以在事故還原、災難體驗等安全教育場景中提供真實的體驗，一些在現實生活中因為設備、場地等因素無法進行的教育培訓場景也能輕松進行，如火災逃生演練。該設計通過粒子源系統完成自動滅火噴淋系統的設計，運用Pathfinder軟件模擬緊急情況逃生設計，結合BIM技術和VR技術可以實現教學樓火災模擬、制定逃生路徑以及實況化逃生成果。師范生可以了解火災發生的原因、種類和如何預防火災等基本知識，學會正確使用滅火器材和疏散逃生等技能，保護自己和學生的安全；還可以提高對危險環境的認知和應對能力，增強溝通、協調、領導和組織能力，為今后成為優秀教師打下堅實的基礎。對比傳統的火災演練，BIM+VR技術所模擬的火災逃生場景可以自定義火源點、火災類型、火焰擴散方式和方向，大大減少火災模擬的成本。表3為火災逃生模擬實現過程。

5? 結論

本文提出運用BIM+VR技術實現具有高交互性的空間模擬，打破虛擬與現實之間的限制，結合BIM技術的三維建模能力，能夠準確地模擬建筑物的結構和功能，方便用戶進行沉浸式體驗。

此外，BIM+VR技術的集成避免了實物模型帶來的成本和時間延誤，從而幫助設計者實現高效的建模和構造，減少工作量。基于BIM+VR技術的師范生沉浸式仿真課堂是一種新型的教學模式，本文將這兩種技術結合實現部分教學交互，BIM和VR技術的集成給用戶帶來身臨其境的體驗，這種體驗無法僅依靠單一技術實現，需要這兩種技術相互融合和相互補充，以突破各自的局限性并彌補彼此的不足。未來，隨著教育技術的不斷發展，BIM+VR技術將會在教育領域得到更廣泛的應用，提高學生學習興趣，提升教學效率，增強教學效果，為教育事業的發展注入新的活力。

6? 參考文獻

[1] 黃凡，張郁靖，陳利敏.基于VR技術的微格實驗室建設[J].科教文匯，2021（23）：5-9.

[2] 陳甘霖，吳旭平.免試認定背景下應用型高校小學教育人才培養探析[J].三明學院學報，2022，39（4）：117-124.

[3] 張艷瓊.師范生模擬課堂現狀分析研究[J].教育教學論壇，2013（50）：105-106.

[4] 付靜.BIM技術人才培養模式研究[J].中國建設信息化，2021，150（23）：76-78.

[5] 謝婷玲.虛擬現實VR技術在教學資源可視化中的應用[J].電子技術，2022，51（7）：310-312.

[6] 王志臨.基于虛擬現實技術的師范生信息化教學能力

提升策略研究[J].湖北開放職業學院學報，2023，36（6）：

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[7] 鄭長山，周杰.基于“云工廠+VR”平臺的裝備制造類專

業線上線下融合教學模式探索與實踐[J].產業與科技論壇，2023，22（1）：153-155.

[8] 宗秀文，黃昭軍.3ds Max在校園建模中的應用[J].測繪與空間地理信息，2023，46（5）：206-208，212.