基于模塊化的虛擬仿真實驗室建設

殷復鵬，鄧曉紅，張 雷

（山東建筑大學 管理工程學院，山東 濟南 250101）

近年來，伴隨著虛擬仿真技術的進步，虛擬仿真實驗教學發展迅速，已成為課堂教學和傳統實驗教學改革的重要手段之一[1]。這種教學方式在環境復雜、操作不可逆、危險性高、成本消耗大的大型或綜合實驗教學中具有明顯的優勢。許多院校都在規劃或建設具有學科特色的虛擬仿真實驗室，以實現傳統實驗室不具備的教學和實驗功能，培養學生實際操作能力和創新發展意識。一些學者針對不同領域或專業的虛擬仿真實驗教學問題進行了研究，如吳涓等針對機電類專業特點，構建了多層次、模塊化的虛擬仿真課程體系[2]；馬文頂等對采礦工程虛擬仿真實驗教學平臺進行了研究[3]；朱勝雪等針對交通運輸虛擬仿真實驗教學平臺相關建設經驗進行了探討[4]；王勇等針對經管類專業，提出了專業集群虛擬仿真實驗教學平臺架構[5]。這些研究為虛擬仿真實驗教學體系的構建及實驗室的建設積累了大量的經驗，然而由于虛擬仿真實驗教學理念發生的重大轉變，實驗模式、實驗手段都發生了深刻的變革，虛擬仿真實驗室建設過程中，往往存在諸如實驗平臺單一、資源共享率低、可擴展性差等問題[6-10]，大部分院校存在重投資、輕維持的情況，缺少頂層規劃，靈活性差[11]。

工程管理是一個綜合性強、實踐性強的學科，實踐教學是其重要的教學環節，對建設工程項目全過程進行模擬與仿真是工程管理專業實驗的重要特點[12-13]，基于建筑信息模型（building information modeling，簡稱BIM）和虛擬仿真技術，建立工程管理實驗教學或仿真實訓平臺，已成為工程管理專業實驗室建設的主要方向之一[14-16]。當前工程管理專業虛擬仿真實驗室在建設過程中也存在規劃不足，平臺不完善等問題[17]。

虛擬仿真實驗室不僅是進行實驗教學的重要場所，也是培養學生創新思維和操作能力的重要場所。對實驗室進行合理的規劃，發揮實驗室在實驗教學和科研等方面的優勢，提高實驗教學仿真資源的共享和使用效率，是實現虛擬仿真實驗室可持續發展的重要舉措。本文以山東建筑大學國家級建筑工程管理虛擬仿真實驗教學中心建設為基礎，結合建筑工程管理類專業建設以及實驗教學改革的需要，研究基于模塊化理念的虛擬仿真實驗室建設問題。

1 虛擬仿真實驗室建設總體規劃

1.1 建設目標

山東建筑大學建筑工程管理虛擬仿真實驗室，于2014 年獲批國家級虛擬仿真實驗教學中心。多年來，實驗室在建設過程中，形成了具有專業特色的建設目標，即建設“面向建設工程領域，突出數字化、網絡化特色，服務于教學、科研和社會的開放、共享、可持續的綜合實踐平臺”。虛擬仿真實驗教學中心建設內容包括方法、資源和應用三個方面（見圖1）。虛擬仿真實驗中心的建設依托專業教學團隊、科研院所和合作企業，基于教學需求構建實驗體系，從工程項目實踐中獲取實驗案例，以建設項目全生命周期為主線，應用于校內外工程管理相關專業實踐教學和企業培訓等方面，實現多專業、跨地區、多層次的資源共享。

圖1 虛擬仿真實驗教學中心建設內容

1.2 建設思路

虛擬仿真實驗教學中心的建設堅持“總體規劃，分步實施，資源共享，持續發展”的指導思想，遵循適應性、可擴展性、共享性、可持續性和共建共享的基本原則，秉承“立足創新人才培養、面向建筑產業現代化、依托產學研深度融合、覆蓋建設項目全壽命、實現資源高度共享”的建設思路。既要適應當前虛擬仿真實驗室建設要求，又要考慮長遠發展，便于實驗模塊、實驗手段、實驗方法等方面的擴展和軟硬件的后續開發；既要構建統一的虛擬仿真平臺，又要區分不同專業特色，能夠基于平臺構建多種專業實驗室和科研實驗室；既要堅持根據學科特點建設，又要構建校企、校校合作接口，促使企業、其他高校參與建設，實現共建共享。

2 基于模塊化的虛擬仿真實驗室建設

2.1 基本架構

虛擬仿真實驗教學中心從教學資源、共享平臺、人員構成、管理體系等4 個方面著手建設，4 個方面缺一不可，基于模塊化的虛擬仿真實驗室基本架構如圖2 所示。該實驗室架構由綜合管理平臺、實驗室運行管理體系、人才隊伍及實驗室資源等部分構成。其中基于互聯網的綜合管理平臺支持實驗設計和管理、在線自主學習和實驗、教學資源上傳下載及手機電腦等多種終端，是虛擬仿真實驗教學中心門戶網站和共享平臺。實驗室人才隊伍由多學科、多專業教師組成，并引入建筑企業、軟件公司等科研人員參與。實驗室運行管理體系是虛擬仿真實驗合理組織的制度保障和管理規范。虛擬仿真實驗室建設的最終目的是實現為教學、科研和社會服務提供良好的支撐。

2.2 資源模塊構成

建筑工程管理虛擬仿真實驗室資源由仿真平臺、仿真實驗室、實驗課程構建平臺三個維度構成，每一個維度都是按照模塊化設計的思路，由相應的模塊構成。

2.2.1 仿真平臺

仿真平臺是支撐實驗教學、科研、社會服務的綜合平臺，按照功能模塊可以劃分為建筑工程BIM 平臺、建筑工程智慧建造平臺、建筑工程虛擬仿真平臺、虛擬仿真資源開發平臺等。建筑工程BIM 平臺是進行BIM 相關理論教學、軟件操作的基礎，該平臺以多專業、多角色、多單位協同運用為特色，實現建筑工程管理全壽命的仿真模擬。建筑工程智慧建造平臺基于物聯網技術，采用虛實結合的方式實現建筑工程全過程的動態展示，能夠實現實體模型與虛擬仿真模型的聯動，有利于教師對專業知識的講解和學生對知識的理解。虛擬仿真平臺采用VR/AR、增強現實等技術，使參與者沉浸到三維動態視景環境中，創建和體驗建筑施工全過程，并能夠通過眼睛、手勢或其他人體行為動作，實現人機交互操作，展示施工過程中的質量、進度、成本等相關信息，讓學生通過虛擬環境體驗現實施工現場，增強對現場的認識。資源開發平臺從教學、科研與社會服務等多方面需要出發，幫助師生構建建筑BIM 模型，將其作為畢業設計、課程設計的資源，并從成本管理、進度管理、安全管理、工程現場布置等方面，將BIM 模型轉換為能夠在虛擬環境中模擬的虛擬仿真資源，用于教學和科研。

圖2 基于模塊化的虛擬仿真實驗室基本架構

仿真平臺是構建專業實驗室的基礎，基于此可以構建不同專業不同需求的實驗室，并根據專業教學內容，設計實驗項目或實驗課程。根據虛擬仿真技術的發展，以及教學、科研、企業等對虛擬仿真的需求，采用模塊化的思想，可構建其他類型的仿真平臺。

2.2.2 仿真實驗室

仿真實驗室是根據專業特色，在仿真平臺基礎之上，通過配置相應的其他軟硬件資源構成的用于教學和科研的實驗室。根據其主要用途分為教學型仿真實驗室和科研型仿真實驗室。教學型仿真實驗室主要用于學生教學，根據功能不同可分為BIM 綜合實訓室、沙盤模擬實訓室、案例研討室、工作算量坊等。科研型仿真實驗室主要為廣大師生科研服務，如BIM 建模研究實驗室、智慧建造實驗室、智慧國土模擬仿真實驗室、建筑工業化實驗室等。仿真實驗室根據學科發展要求或科研方向的動態變化而動態增減。仿真實驗室為BIM 和虛擬仿真相關理論教學、BIM 和虛擬仿真系統實際操作、技術培訓、各種大賽、各類考試、學生創新開放實驗等教學和服務提供了重要場所，是教學改革的示范窗口。

2.2.3 實驗課程構建平臺

實驗課程構建平臺是根據教學內容及教學方式的改革需要，在當前仿真平臺和仿真實驗室的基礎上，為專業教師提供實驗課程設計支持的平臺。專業教師可以根據教學內容及課程特點，構建不同的實驗項目群，用于本科教學和研究生教學。如建筑工程造價實驗課程、建筑工程管理實驗課程、建筑工業化管理實驗課程、建筑工程數據挖掘實驗課程等，緊扣教學大綱的要求和當前建筑工程領域的迫切需求，以建設項目全生命周期為主線，形成完善的實驗教學體系，同時面向建設行業發展新趨勢，實現了“教—學—練—考—用”的實驗目的。

3 實驗室運行與管理支撐平臺

虛擬仿真實驗教學中心的運行效果由其支撐平臺決定，支撐實驗室運行與管理的平臺主要由虛擬仿真共享平臺、管理體系、人才團隊等構成。

共享平臺包括虛擬仿真中心門戶網站和實驗教學管理平臺。其中虛擬仿真實驗教學中心門戶網站主要包括新聞發布、站內信息檢索、中心建設概況、管理體系、建設理念、中心團隊、中心資源、校企合作、成果展示、實驗項目簡介等模塊，具有良好的可擴展性和兼容性。該門戶網站主要用于發布虛擬仿真實驗教學中心的相關信息和新聞通告，便于教師和學生更為全面地了解建筑工程管理虛擬仿真實驗教學中心的建設和應用情況。實驗教學管理系統主要用于輔助學生開展網絡自主學習和學習效果的考核。該系統實現了對用戶的分級管理，可以設置不同的系統角色，主要包括系統管理員、教師和學生，不同級別用戶享有不同的使用權限，提高網絡的安全性。學生既可以在平臺中申請課程實驗項目，也可以通過平臺申請開放實驗。

虛擬仿真實驗教學中心的管理體系需要從組織保障、制度保障、管理規范、運行機制等方面著手建設。實驗室人才隊伍應該由多學科、多專業教師以及建筑企業、軟件公司等科研人員組成，形成不同的教學、科研和社會服務團隊，從而促進實驗室的可持續發展。

4 結語

本文在總結了大量虛擬仿真實驗室建設的經驗基礎上，采用模塊化的思想，提出了基于模塊化的虛擬仿真實驗室建設思路，并將其應用于我校建筑工程管理虛擬仿真實驗室建設中。虛擬仿真實驗室的建設應依托學科優勢，遵循適應性、可擴展性、共享性、可持續性和共建共享的基本原則，所構建的實驗室及實驗教學體系應能夠實現仿真平臺、仿真實驗室、實驗課程等不同維度上模塊的擴展。仿真實驗室服務于我校工程管理、工程造價、信息管理與信息系統、房地產經營與管理、土地資源管理和工業工程等多個本科專業和研究生的教學，并為教師的科研和校企合作提供了平臺。