基于Android系統(tǒng)的BIM教學(xué)仿真平臺研究

王其宇，楊太華，李升瀾，王藝璇

(上海電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200135)

1 引言

BIM技術(shù)是一種集工程設(shè)計(jì)、建造和管理為一體的數(shù)據(jù)化工具，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目全周期數(shù)據(jù)資源共享與傳遞的平臺，是建筑行業(yè)在科技高速發(fā)展的今天緊跟時(shí)代發(fā)展步伐的有效助力。作為新時(shí)代下的工程專業(yè)學(xué)生，對BIM技術(shù)的掌握與運(yùn)用愈發(fā)重要[1]。

目前市場上的BIM教學(xué)端都采用網(wǎng)絡(luò)視頻資源進(jìn)行教學(xué)，沒有很好地解決教學(xué)的及時(shí)性和教師參與性，同時(shí)也面臨學(xué)生實(shí)操性不足的問題，教學(xué)軟件常常淪為“作業(yè)、考試、上網(wǎng)課”的工具，學(xué)生上課只能學(xué)到理論，并不了解實(shí)際工程施工流程和應(yīng)用場景，課堂學(xué)習(xí)的理論知識很難將其運(yùn)用到實(shí)際中。楊太華等[2]在2016年提出了實(shí)驗(yàn)?zāi)M教學(xué)平臺的想法，黃華等[3]在2017年對電腦端BIM教學(xué)平臺資源的配置和開發(fā)方案進(jìn)行了探討。現(xiàn)在已有的網(wǎng)絡(luò)端仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也有一定的局限性，在使用過程中，網(wǎng)絡(luò)端仿真實(shí)驗(yàn)平臺要求較高，在日常學(xué)習(xí)中使用不太方便。在這種形勢下，如何基于移動終端的各類移動業(yè)務(wù)和信息服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用的開發(fā)，已經(jīng)成了重要的選題。

根據(jù)中國信息通訊研究院2020年第四期關(guān)于國內(nèi)手機(jī)產(chǎn)品的檢測報(bào)告顯示，2020年第四季度新進(jìn)網(wǎng)的4G、5G智能手機(jī)中，Android操作系統(tǒng)的份額仍高居首位[4]，高達(dá)97.7%。因此，開發(fā)安卓系統(tǒng)BIM仿真教學(xué)平臺手機(jī)客戶端擁有更好的適用性。通過安卓系統(tǒng)移動端BIM仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，與BIM傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺具有良好的互補(bǔ)性。

本文對現(xiàn)有BIM教學(xué)平臺的功能進(jìn)行對比和分析，同時(shí)參考網(wǎng)頁端BIM技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺方案和其他專業(yè)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)成果[5]，提出了基于Android操作系統(tǒng)的移動端BIM仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)思路，并對如何實(shí)現(xiàn)移動端的BIM虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了研究。

2 交互式BIM仿真實(shí)驗(yàn)平臺移動終端的優(yōu)勢

2.1 教學(xué)模式實(shí)踐性強(qiáng)

雖然市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些教學(xué)軟件的雛形，但經(jīng)過學(xué)生體驗(yàn)和反饋，這些平臺只是單純地介紹BIM系統(tǒng)使用方法，缺少與項(xiàng)目實(shí)踐的結(jié)合。本文設(shè)計(jì)的平臺是從項(xiàng)目入手，通過項(xiàng)目仿真模擬讓學(xué)生真正體驗(yàn)到BIM在工程中的應(yīng)用。模擬實(shí)驗(yàn)室移動端的實(shí)現(xiàn)，能夠讓學(xué)生更加透徹地理解所學(xué)的BIM理論知識，訓(xùn)練了學(xué)生的動手能力，鍛煉了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力，并且學(xué)生可以在任何地方自行進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，大大減輕了教師的工作量。

2.2 移動終端可操作性強(qiáng)

當(dāng)前的BIM教學(xué)資源集中在WEB網(wǎng)絡(luò)上，以新型的移動媒體平臺建設(shè)BIM教學(xué)系統(tǒng)，具有更好的可操作性和便攜性，有利于在多種場合對多種知識進(jìn)行講解和教學(xué)。模擬實(shí)驗(yàn)室主要運(yùn)用的是三維技術(shù)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)課堂可視化、可操作化，便于教師講解和演示，上課更生動形象，學(xué)生也更容易理解，有利于BIM技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2.3 良好的集成性和環(huán)境適應(yīng)性

傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)是獨(dú)立進(jìn)行的，難以整合工程管理類多門課程的實(shí)踐教學(xué)，不能體現(xiàn)多學(xué)科知識的綜合。建立這樣一個(gè)移動端仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺就能夠集實(shí)用性、便捷性、高效性、可靠性和良好的環(huán)境適應(yīng)性為一體。移動端平臺部署簡易方便，易于使用，能大幅削減總體教學(xué)成本，同時(shí)，工程管理教師可以快速對學(xué)生使用中遇到的問題進(jìn)行反饋解決。

2.4 教師-學(xué)生互動性好

根據(jù)BIM技術(shù)不同工程階段實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際需要和學(xué)生對技術(shù)的不同掌握水平，平臺可以為學(xué)生提供個(gè)性化服務(wù)，有利于“因材施教”。教師可以在平臺直觀地看到學(xué)生的操作以及進(jìn)展，及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，學(xué)生也可以在不同的任務(wù)節(jié)點(diǎn)通過移動設(shè)備向老師尋求幫助，發(fā)揮移動端平臺的便攜性和教學(xué)系統(tǒng)的交互性，實(shí)現(xiàn)老師與學(xué)生溝通信息的雙向流通[6～9]。

3 系統(tǒng)平臺實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)思路

在BIM仿真教學(xué)平臺中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊要針對某一實(shí)際施工項(xiàng)目管理崗位職能和具體業(yè)務(wù)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且能夠整合工程管理類多門課程的實(shí)踐教學(xué)，同時(shí)與該模塊所需的理論知識相聯(lián)系(圖1)。

圖1 系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)思路

該平臺將具有教學(xué)代表性的實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行整合，建立教學(xué)案例庫，將每個(gè)項(xiàng)目的真實(shí)業(yè)務(wù)處理流程進(jìn)行分解，將其工作內(nèi)容、流程與專業(yè)知識的教學(xué)相結(jié)合，便于學(xué)生理解。BIM模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺可以動態(tài)、直觀地展示平臺上各個(gè)項(xiàng)目的信息流、資金流、物資流，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理的全過程模擬，使學(xué)生對實(shí)際項(xiàng)目工作有全面、系統(tǒng)的了解，培養(yǎng)學(xué)生對建設(shè)項(xiàng)目管理的整體觀和系統(tǒng)理解。

3.2 Android系統(tǒng)平臺開發(fā)

3.2.1 Android 系統(tǒng)架構(gòu)

Android 是Google開發(fā)的基于Linux平臺的開源手機(jī)操作系統(tǒng)。它包括操作系統(tǒng)、用戶界面和應(yīng)用程序—移動電話工作所需的全部軟件，而且不存在任何以往阻礙移動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的專有權(quán)障礙。Android會同一系列核心應(yīng)用程序包一起發(fā)布，該應(yīng)用程序包由email客戶端、SMS短消息程序、日歷、地圖、瀏覽器、聯(lián)系人管理程序等。所有的應(yīng)用程序都是使用JAVA語言編寫的[10～12]。

Linux 內(nèi)核：Android操作系統(tǒng)的底層是基于LinuxKernel的，這一層主要完成的是操作系統(tǒng)所具有的功能，比如這一層有許多的驅(qū)動程序，正是通過這些驅(qū)動程序來驅(qū)動設(shè)備上的硬件設(shè)備的。

Android Runtime：Android的運(yùn)行環(huán)境，AndroidRuntime里的CoreLibraries就相當(dāng)于java的JDK，是運(yùn)行android應(yīng)用程序所需要的核心庫，DalvikVirtual Machine就相當(dāng)于JVM，這是Google專為Android開發(fā)的運(yùn)行android應(yīng)用程序所需的虛擬機(jī)。

本地庫：里面都是Android的庫文件，例如訪問SQLite數(shù)據(jù)庫的庫文件等等。

應(yīng)用程序框架：應(yīng)用程序的框架，通過這些不同的框架來實(shí)現(xiàn)各種Application。

3.2.2 BIM仿真教學(xué)平臺系統(tǒng)總體架構(gòu)

學(xué)生通過安卓手機(jī)、平板電腦等打開教學(xué)平臺，系統(tǒng)檢測網(wǎng)絡(luò)是否連接，通過移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)基站，基站收到用戶發(fā)出的請求后，將對應(yīng)的指令經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、應(yīng)用服務(wù)器傳到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。通過SQL指令在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行查找，然后通過網(wǎng)絡(luò)將從服務(wù)器端檢索到的信息返回給用戶。主要通信交互流程如圖2所示，數(shù)據(jù)庫查找過程如圖3所示[13]。

圖2 移動智能終端系統(tǒng)軟件通信結(jié)構(gòu)

圖3 數(shù)據(jù)庫查找過程

3.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.3.1 學(xué)生使用流程

點(diǎn)開軟件，進(jìn)入登錄界面，在登錄界面輸入學(xué)生的用戶名和密碼，經(jīng)服務(wù)器端驗(yàn)證后獲取最新學(xué)習(xí)任務(wù)列表，根據(jù)學(xué)習(xí)模塊不同選擇任務(wù)科目或任務(wù)實(shí)驗(yàn)。如學(xué)習(xí)時(shí)遇到疑問可向教師發(fā)送提問信號，以便老師掌握學(xué)生們的學(xué)習(xí)進(jìn)度和動態(tài)，完成任務(wù)后結(jié)束。學(xué)生登錄學(xué)習(xí)流程如圖4所示。

圖4 學(xué)生登錄學(xué)習(xí)流程

3.3.2 教師使用流程

在教師端登錄教師賬號和密碼，可以獲取課堂學(xué)習(xí)列表，同時(shí)可以進(jìn)行新任務(wù)的建立、查看任務(wù)安排與學(xué)生端進(jìn)展反饋，進(jìn)行上一任務(wù)的調(diào)整和分配后，教師還可以查看求助學(xué)生發(fā)出的信息，根據(jù)后臺顯示的任務(wù)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)對其進(jìn)行指導(dǎo)，最后檢查學(xué)生是否已經(jīng)完成任務(wù)后，結(jié)束(圖5)[14]。

圖5 教師教學(xué)使用流程

4 結(jié)論與建議

本文以《工程項(xiàng)目管理課程》為實(shí)例，分析了各學(xué)科知識點(diǎn)間的關(guān)系，以及交互式BIM仿真實(shí)驗(yàn)平臺移動終端的優(yōu)勢，基于Android系統(tǒng)的設(shè)計(jì)了BIM教學(xué)仿真平臺，并介紹了系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)教師和學(xué)生的操作使用路徑。該平臺可以與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行良好的互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)線上教學(xué)與線下教學(xué)的結(jié)合。綜合傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺仿真實(shí)踐中存在的問題，提出以

下兩點(diǎn)建議：第一，在深化軟件設(shè)計(jì)過程中，多注重教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的互動，從而達(dá)到更好的教學(xué)效果。第二，建議平臺與教學(xué)資源綁定，這樣學(xué)生在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)前可以自行學(xué)習(xí)，對理論的知識進(jìn)行更深一步的了解，也可為實(shí)驗(yàn)奠定良好的理論基礎(chǔ)。