新工科背景下的建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)＊

易 菁，婁永忠，董 璞

（惠州學(xué)院建筑與土木工程系，廣東 惠州516007）

1 引言

隨著中國新一輪的科技革命與產(chǎn)業(yè)改革，新興產(chǎn)業(yè)得到了蓬勃發(fā)展。為順應(yīng)這一趨勢并提供有力支撐，高等教育也面臨著新的需求及建立新的發(fā)展目標(biāo)。習(xí)近平總書記指出“我們對高等教育的需要比以往任何時(shí)候都更加迫切，對科學(xué)知識和卓越人才的渴求比以往任何時(shí)候都更加強(qiáng)烈”[1]。在此背景下，2017-02-18，教育部在復(fù)旦大學(xué)召開了高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會，探討了新工科的內(nèi)涵特征、新工科建設(shè)與發(fā)展的路徑選擇，并達(dá)成共識。其中，談到新工科建設(shè)需要加強(qiáng)研究和實(shí)踐[2]，這對于工科類學(xué)院在日常教育教學(xué)中的手段和方法提出了更高的要求。

2 教學(xué)實(shí)踐中的實(shí)驗(yàn)室模式

作為省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，惠州學(xué)院建筑工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心結(jié)合學(xué)校建設(shè)高水平新工科專業(yè)群的發(fā)展規(guī)劃，不斷完善專業(yè)實(shí)踐教學(xué)平臺建設(shè)，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)。至2018 年底，中心已建立有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）實(shí)驗(yàn)室、建筑信息模型（BIM）實(shí)驗(yàn)室以滿足建筑學(xué)、土木工程、工程管理等專業(yè)開展基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和創(chuàng)新性實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目。于此同時(shí)，隨著虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展和不斷普及，其在建筑與土木工程領(lǐng)域發(fā)揮的作用也越發(fā)重要。可以看到，無論是建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是裝飾裝修等行業(yè)，VR 技術(shù)都得到了充分的運(yùn)用，體驗(yàn)感和參與感大大提升。本著“虛實(shí)結(jié)合，相互補(bǔ)充”的思路，以推進(jìn)虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心將建立建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室作為年度重要工作目標(biāo)。該實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建目的，是能結(jié)合BIM 技術(shù)，通過虛擬仿真模擬實(shí)際場景，讓學(xué)生在動態(tài)情境下進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)踐。利用網(wǎng)絡(luò)平臺的軟件進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計(jì)，既節(jié)約了財(cái)力物力，又可以打破時(shí)間區(qū)域的限制，完成各種各樣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[3]。

對于該實(shí)驗(yàn)室的建立，具體構(gòu)建其主要可承擔(dān)的作用為可以承擔(dān)建筑學(xué)、土木工程、工程管理等專業(yè)的建筑設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算輔助建筑表現(xiàn)、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等試驗(yàn)教學(xué)工作，并可以開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，比如建筑數(shù)字化建造模擬、計(jì)算機(jī)輔助建筑表現(xiàn)、計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)中心的布局及其作用如圖1 所示。

3 建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

在以上模型的構(gòu)建下，學(xué)院歷經(jīng)半年時(shí)間建設(shè)完成基于VR 的BIMVR 虛擬實(shí)訓(xùn)室，將BIM+VR 的組合引入高校教學(xué)課堂，最終形成一個(gè)虛擬仿真體驗(yàn)+師生智能交互的實(shí)驗(yàn)室模式，實(shí)驗(yàn)室模型如圖2 所示。

3.1 搭建虛擬仿真終端平臺

硬件設(shè)備方面，虛擬仿真顯示終端采用小間距LED 三維成像立體屏，屏幕面積達(dá)到11.52 m2。顯示效果滿足畫質(zhì)高清、高分辨率、低亮高灰、響應(yīng)速度等方面的要求，支持無限拼接以及零拼縫可以使大屏效果達(dá)到最佳。體驗(yàn)設(shè)備則使用VR3K 頭顯設(shè)備和3D 眼鏡。VR 頭顯示終端設(shè)備可以進(jìn)行沉浸式直觀體驗(yàn)，能方便地應(yīng)用于各種虛擬場景展示，除了全景視頻，甚至還可以進(jìn)行一些簡單的交互操作，能很大程度提升學(xué)習(xí)的實(shí)踐效果。在軟件配置方面，搭建虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)平臺軟件，該平臺能讓BIM 團(tuán)隊(duì)在短時(shí)間制作并管理項(xiàng)目工程，并直接發(fā)布及應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），可一鍵導(dǎo)入國產(chǎn)BIM 軟件工程文件，快速生成VR，支持標(biāo)準(zhǔn)建模軟件的模型導(dǎo)入，滿足多樣化的教學(xué)實(shí)踐需求。再結(jié)合BIMVR 軟件，使老師、學(xué)生能進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)方案沉浸式體驗(yàn)。通過VR 沉浸式的體驗(yàn)進(jìn)行方案的優(yōu)選、講解和教學(xué)內(nèi)容，使老師和學(xué)生身臨其境理解專業(yè)課程中配色、布局、設(shè)計(jì)等不同的專業(yè)內(nèi)容給人的整體感觀效果，更加直觀地掌握課程教學(xué)內(nèi)容。

3.2 創(chuàng)建智能交互教學(xué)模式

考慮到設(shè)備體驗(yàn)的最佳狀況，在該實(shí)驗(yàn)室開展小班教學(xué)。將學(xué)生分為4 個(gè)學(xué)習(xí)小組，每組控制在5 人左右。通過小組的方式，讓學(xué)生開展學(xué)習(xí)交流和完成課題等操作，這樣更能做到專而精。為了便于教師評圖，引進(jìn)了雙屏教學(xué)智能一體機(jī)，支持觸屏模式，使教學(xué)開展更流暢。在師生機(jī)上，還配置了智慧教學(xué)軟件，來開展課程管理。其功能支持屏幕轉(zhuǎn)播與反控，可將任意一小組的屏幕內(nèi)容轉(zhuǎn)播到其他小組屏幕。

在轉(zhuǎn)播狀態(tài)下，老師可授權(quán)某接受轉(zhuǎn)播的小組遙控處于轉(zhuǎn)播狀態(tài)下的電腦。

圖1 建筑工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心布局

圖2 建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室模型

教學(xué)服務(wù)端和小組端的軟件都支持無線投屏，每個(gè)投屏內(nèi)容都以非獨(dú)占的方式顯示。通過該軟件提供社交化的溝通環(huán)境，支持APP 端教學(xué)，可實(shí)現(xiàn)線上線下管理，滿足各種靈活的課堂教學(xué)活動需求。最終建立完成的實(shí)驗(yàn)室實(shí)景如圖3 所示。

圖3 建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室實(shí)景

3.3 實(shí)驗(yàn)室智能化管理

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理模式中，實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行在時(shí)間和空間上都存在局限性。為了貼近日益靈活的實(shí)踐教學(xué)需求，在建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室采用智能化管理。一方面，啟用新的智能門禁系統(tǒng)，可通過外網(wǎng)PC 或手機(jī)端對門禁進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)，讓實(shí)驗(yàn)室的使用時(shí)間變得更加靈活方便；另一方面，采用遠(yuǎn)程連接控制軟件，使實(shí)驗(yàn)室電腦突破地域控制，師生在宿舍或校外能通過遠(yuǎn)程連接輕松實(shí)現(xiàn)對文件、網(wǎng)絡(luò)及程序的實(shí)時(shí)支持或訪問。智能化的管理方式提高了實(shí)驗(yàn)室的利用率和資源共享程度，讓實(shí)驗(yàn)室平臺在教學(xué)活動中產(chǎn)生的作用得到更大提升。

3.4 實(shí)驗(yàn)室教學(xué)成果

建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是基礎(chǔ)教育、工程教育和實(shí)踐教學(xué)主動適應(yīng)建筑土木領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展和學(xué)校培養(yǎng)特殊人才需求的重要舉措[4]，該實(shí)驗(yàn)室自開放以來，得到師生各界的肯定和積極參與使用，至今已開課5 次，累計(jì)300 余名學(xué)生開展了VR 技術(shù)實(shí)踐，并完成相關(guān)課程設(shè)計(jì)，如圖4 所示。課程的部分成果由學(xué)院整合后獲2019 年廣東省教育教學(xué)成果二等獎。

圖4 實(shí)驗(yàn)室課程實(shí)踐活動

在學(xué)科競賽和創(chuàng)新項(xiàng)目方面，面向建筑學(xué)、土木工程、工程管理、風(fēng)景園林4 個(gè)專業(yè)的學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)室建成至今，已有20 批次以上的競賽活動實(shí)訓(xùn)在此開展，超150 名以上學(xué)生參與，并最終斬獲國家級和省級的各類獎項(xiàng)，部分項(xiàng)目成果如表1 所示。

4 總結(jié)

在新工科背景下，結(jié)合實(shí)際提升教學(xué)研究和實(shí)踐水平，是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)發(fā)展的重要目標(biāo)。以建筑工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心等科研教學(xué)平臺為依托，結(jié)合多方面需求及論證，完善專業(yè)實(shí)踐教學(xué)平臺建設(shè)。后續(xù)還將繼續(xù)根據(jù)教學(xué)活動的開展，不斷改進(jìn)和完善實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，以新工科思路引領(lǐng)下的惠州學(xué)院轉(zhuǎn)型發(fā)展和大力發(fā)展理工科專業(yè)為契機(jī)，努力培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和較強(qiáng)應(yīng)用能力的高素質(zhì)應(yīng)用型技術(shù)人才。