土建類專業“虛實結合”實踐教學體系及平臺建設探討

王莉 王文順 倪國棟

摘要：本文結合學校專業設置和實驗資源配備情況，對土建類專業“虛實結合”實踐教學體系總體架構，以及實踐教學平臺建設的內容和特點進行探討，充分利用先進的BIM和VR等技術和工具，為我校土木建筑工程虛擬仿真實驗平臺的完善提供指導依據。

關鍵詞：虛實結合；實踐教學；BIM；VR

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）08-0074-02

一、虛擬仿真實驗教學平臺建設情況

工程實踐教學是高等教育的重要組成部分，對于土建類相關專業來說，實踐教學在培養學生工程實踐能力、創新能力、提高綜合素質等方面更是必不可少的環節，對于激發學生的創新意識，拓展學生的創新思維，增長學生的創新技能等方面的作用，是其他任何教學形式所不能替代的。在不斷深化教育教學改革，全面提高高等教育質量的背景下，教育信息化在培養學生創新精神和實踐能力方面的作用不斷凸顯，尤其是虛擬現實等技術在實踐教學中的應用。虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術，是20世紀80年代新崛起的一種綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等。它由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構成的三維信息的人工環境——虛擬環境，可以逼真地模擬現實世界的事物和環境，人投入到這種環境中，立即有“親臨其境”的感覺，并可親自操作，自然地與虛擬環境進行交互。虛擬現實應用于教育是教育技術發展的一個飛躍。虛擬仿真實驗教學能實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能，在涉及高危或極端的環境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況，能夠提供可靠、安全、經濟的實驗項目。

二、實物模型教學資源建設情況

對于復雜經典的建筑結構及施工工藝，還可以借助實物模型教學法。通過等比例或微縮模型，能夠更加直觀地感受立體建筑的形態，有助于學生建立空間思維能力、培養工程識圖能力、提高結構認知能力，強化理論知識和實踐認知。實物模型教學法尤其適合建筑施工類課程，具有涉及面廣、實踐性強、發展迅速等特點，內容涉及三大力學、工程測量、土木工程材料、房屋建筑學、混凝土結構、砌體工程、地基基礎和管理學等基礎課程的知識，跨越了技術和管理兩大學科，需要掌握的知識點較多，并具有很強的綜合性；課程內容本身來自于工程實踐，又用之于工程實踐，主要內容針對各工序的施工工藝、施工方法和實際操作過程，具有很強的實踐性。

三、虛實結合的實驗教學平臺建設

基于虛擬仿真和實物模型的教學方式各有其優缺點和適用范圍。在現有實驗資源和軟硬件條件的基礎上，有必要對虛擬仿真、實物模型及其有機結合的建設方案行研究與探索，以充分發揮虛擬仿真實驗、實務模型在教學過程中的作用，實現虛實結合、優勢互補、相互促進，最終構建適合于土木工程、工程管理、建筑環境與能源工程、工程力學及其他相關專業，貫穿工程規劃設計、實施建造、運營維護等全過程“虛實結合”綜合實踐教學體系和共享平臺，以改善對學生的實踐教學和工程訓練投入不足的窘況，有效提升土木工程專業工程人才培養質量。

1.土建類專業“虛實結合”實踐教學體系總體架構。結合我校土木工程相關專業設置情況，基于虛擬仿真實驗教學平臺，構建了土建類專業“虛實結合”實踐教學體系，總體架構如圖1所示。

2.虛擬仿真實驗平臺建設內容：（1）以BIM技術作為工程數據平臺、設計平臺、技術方案制作平臺和專業協作平臺。BIM作為建筑行業信息化必不可少的工具，能夠有效管理工程建設全過程中涉及的建筑實體信息、施工信息及工程管理等相關信息，為工程設計、施工、運維及管理提供必要的數據支撐，也為各參與方之間的溝通交流提供協作平臺，如魯班軟件開發的BIM系列軟件。（2）以施工工藝模擬仿真和管理類軟件作為工程技術和工程管理實訓平臺。在項目實施全過程中需要技術類和管理類相關知識和技能。施工工藝模擬仿真實驗主要針對技術類知識進行直觀模擬和強化訓練，如維啟科技開發的各類施工工藝仿真教學軟件等；而工程管理實訓平臺則提供了工程進度、資源、成本等實驗教學平臺，如廣聯達科技股份有限公司開發的各類工程管理類實訓平臺等。（3）以虛擬現實系統作為提供結果的真實沉浸體驗平臺。現有的建筑工程模型和施工場景，可以借助于虛擬現實顯示系統為用戶提供沉浸式真實體驗。真實沉浸體驗平臺是以VR技術為核心，借助于虛擬現實頭盔、眼鏡、數據手套、以及光學位置追蹤系統等設備捕捉用戶的位置和動作信息，經過虛擬現實處理系統，最后通過3D立體顯示系統將結果反饋給用戶，同時還可以多人協同交互，能夠為用戶提供逼真的體驗。如曼恒數字研發的虛擬現實交互系統，可以實現模型的分解、拆裝、漫游等。（4）虛擬現實的真實再現系統，包括典型復雜的實物模型、3D打印、3D掃描等。

上述部分主要借助于計算機等軟硬件系統呈現建筑工程的實體模型和施工管理過程。而典型復雜的建筑及其結構可以借助于實物模型展現出來，可以通過分解和組裝直觀了解內部結構；3D打印可以將電子的建筑模型和構件打印輸出實物；3D掃描可以將現有的建筑和施工場景掃描后快速形成虛擬模型。

3.虛擬仿真實驗平臺特點：（1）提供交互式實驗環境。從BIM模型的創建到施工過程的模擬、施工工藝仿真、交互式虛擬現實模擬等，都需要學生主動參與，通過提供數據與實驗平臺進行交互，有效提高學生參與的積極性和主動性。（2）支持全過程實施過程模擬。虛擬仿真實驗平臺涉及前期策劃、設計、施工和運營等全過程的實施模擬，可以滿足不同專業、不同課程、不同階段的實踐要求。（3）采用虛實結合模式。綜合利用虛擬仿真和實物模型等多種教學方法和手段，通過虛實結合，合理組織實踐教學工作，充分發揮兩種教學平臺的功能，優勢互補。（4）充分利用BIM和VR等先進技術和工具。在實驗平臺建設過程中充分引入BIM和VR等相關技術和工具，將其合理整合的實踐環節中，可以充分利用平臺優勢，實現對學生多方面的知識和技能的訓練。

四、總結

無論是虛擬仿真還是實物模型，均來自工程實踐，借助于BIM和VR等相關技術構建的虛擬仿真實驗平臺，能夠為土建類相關專業的實踐教學提供直觀可視化的基礎條件。基于虛擬仿真的實驗平臺建設已經取得了一定的成果，結合3D打印、3D掃描及實物模型制作等方式可以實現虛擬模型的真實再現和虛實轉換。采用虛實結合的教學模式，能夠促進學生參與學習的積極性和主動性，從而有效提升各類專業創新實踐環節的教學效果。上述成果為我校土木建筑工程虛擬仿真實驗平臺的完善提供指導依據。

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