VR技術應用于高職院校建筑工程類課程教學研究

張 宓，楊 旸

(云南林業職業技術學院，昆明 650224)

VR技術是虛擬現實技術Virtual Reality技術的縮寫，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統[1]，是一種具有沉浸感、構想性、交互性的新型技術，被廣泛運用于醫療、影視、娛樂等領域。

1 VR技術特點及優勢

VR技術作為一項新興技術在物理理論、信息技術等相關領域都有較好的基礎，運用也較為廣泛，主要基于以下幾個特點[2]：

交互沉浸性。VR技術有著較強的沉浸感和交互感，讓體驗者在虛擬場景中感知到真實的感受，同時提供人的感知能力及主觀行為、空間場景等方面的模擬，以接近真實程度。

經濟性。在一些項目領域，現實的實驗設備或項目系統等都十分昂貴，而VR技術可以通過技術能力實現與現實項目設備達到一樣的效果并只需要花費相對于現實項目設備更少的錢，且可以重復使用，大大節省了實驗費用。

空間性。一些實驗設備或項目占地面積大，工藝復雜，對于所需空間要求較高，而VR技術則只需要很小的面積和設備可模擬出各類場景，提高了實驗效率并節約了使用空間。

安全性。在現實中一些實驗項目和設備的使用都面臨一些安全風險，VR技術可以通過模擬演練等方式規避此類風險，或者通過模擬演示形式，在保證人員安全的前提下，模擬風險發生時所產生的傷害。可通過技術手段避免出現誤操作而對實驗設備造成損傷。

可模擬性。在一些實驗過程中需要模擬一些外部影響因素或不同環境的影響，VR技術可以通過模擬外部環境等形式模擬出實驗所需要的條件，以此滿足實驗要求，同時排除一些外部干擾因素，使實驗結果更為準確。

可預測性。一些實驗過程周期相對較長，得到結果的時間也較長，VR技術則可以通過設置的條件，提前模擬出實驗結果，大大節省了實驗時間，提高了實驗效率。

2 VR技術教學應用現狀

我國由于相關技術起步較晚，在VR技術的應用方面相對較少。近年來，國家對VR技術的支持力度加大，市場反響較為熱烈，發展較為迅速。許多院校建立了相關實驗室，開始展開對VR技術在應用方面的研究。比如北京航空航天大學建立了虛擬現實技術國家教育部重點實驗室，浙江大學建立了計算機輔助設計與圖形國家重點實驗室[3]，哈爾濱工業大學、上海交通大學、西安交通大學等高校都對VR技術進行了相關的科學技術研究。從目前情況來看，國內高校對于VR技術的研究與應用主要體現在以下幾個方面：

2.1 建立虛擬仿真校園

為了方便學生在校學習生活，突出校園環境和學習氛圍對學校教學活動可能產生的影響，運用VR技術可以仿真出一個校園，比如浙江大學、天津大學就運用該技術設計出了一個虛擬校園。隨著網絡技術的發展以及人們對于新型實用功能的需求，虛擬校園除了瀏覽以外，還需要提供教學、生活便利等更多功能，以促進現有平臺的使用更加多元化。

2.2 虛擬教學

基于VR技術沉浸感、構想性、交互性的特點，該項技術在教學領域，特別是在一些理工科的教學中具有較為廣泛的運用。例如，同濟大學建筑學院就擁有一個虛擬現實實驗室，學生可以通過實驗室里的相關設備，了解觀察建筑物相關的建筑構配件，同時可以對建筑設計和建筑景觀等方面進行仿真，以達到較為直觀的教學效果。西安交通大學在城市規劃、駕駛員培訓等方面也增加了虛擬仿真技術的運用。中國科技大學在物理實驗方面也廣泛運用了虛擬現實技術，并形成了諸如大學物理仿真實驗軟件、幾何光學設計實驗平臺、大學物理虛擬實驗遠程教學系統等產品[4]。

目前，我國在教育方面的虛擬仿真技術應用還停留在初級階段，并且主要以PC平臺為主，真正的浸入式的VR技術系統非常少。在我國教育領域中特別是建筑類專業中，VR技術的發展應用還有很大的提升空間，前景廣闊，這將促使更多機構研發和運用VR技術，為VR技術在教學領域中的應用提供更多理論和技術支持。

3 VR技術運用于建筑工程類課程教學的意義

利用VR技術進行教學，可以將一些建筑結構和相關配套設施以及實踐課程，通過虛擬的環境讓學生比較直觀地觀察、感受和操作建筑類工程，提高學生對于知識點的認知和掌握，進而加速和鞏固學生學習知識的過程。

3.1 有利于情景教學的開展

從高職院校建筑工程類教學現狀來看，大部分高職院校以理論結合實踐的教學方式進行。其中，理論類教學往往由授課教師針對書本內容進行較為直觀的講授，不利于激發學生的空間想象能力，對建筑構配件和結構的理解也不夠生動和具體，造成理論知識掌握不夠深、不夠透，降低了教學效果。VR技術可以營造出虛擬的環境，并且通過計算機仿真建模，模擬出建筑物構配件的形狀和功能，學生能親身經歷和感知，相比空洞抽象的說教更具有說服力，能讓學生更加主動地接受學習理論知識點。

3.2 節約實踐教學成本

在實踐教學方面，由于建筑工程類課程是以實踐為主的課程，課程中大量的實踐內容對于鞏固和增強學生專業知識具有重要作用。但是，部分高職院校受到經費、場地等方面的因素影響，導致若要開展相關實踐教學，就要投入大量經費，且場地和經費的使用局限性相對較高，無法正常開展教學實踐[5]。同時，實驗或教學過程中會運用大量的建筑材料，一些建筑材料在使用過后的保存和處理也較為困難。VR技術可以建立虛擬實踐平臺，利用虛擬仿真技術對相關實踐內容進行虛擬操作，提供與真實操作一致的實踐體驗，同時一個平臺還可以滿足多種實踐操作的仿真任務，節約了經費和場地，減少了建筑廢料的產生，讓學生反復操作以達到鞏固知識點的目的。

3.3 規避實踐教學風險

建筑施工技術、工程測量等課程的實踐教學，本身在實際操作過程中就存在一定的危險性，學生若經驗不足或知識掌握不夠扎實，容易因操作失誤而造成安全事故，產生不可挽回的損失。VR技術能夠通過虛擬仿真的操作，使學生和教師在虛擬的實踐環境中進行一些風險操作，既鍛煉了操作技能，又規避了風險，還解決了耗材高的問題。

3.4 打破空間、時間限制

一項建筑工程項目從設計初期到工程竣工驗收，會經歷一個相對較長的過程，高職學生在有限的學習時間里很難全程參與和了解。同時，一些空間想象能力較弱的學生也很難將平面的二維圖紙，想象成立體的三維圖形。VR技術不僅可以生成虛擬的建筑物，讓學生步入虛擬的建筑內部了解建筑工程的具體情況，體驗沉浸式教學，還可以將時間較長的建筑物建造過程，通過較短的時間呈現給學生，讓其在有限的時間全程參與建筑物的建造過程并掌握每個過程的具體內容。

4 VR技術在建筑工程類課程教學中的應用

4.1 利用VR技術構建建筑模型

當課程教學中涉及梁、板、柱、墻等建筑物構配件時，可以將此類建筑構配件制作成建筑信息模型[6]，這樣可以較為直觀地展示出該類構配件的三維模型，如某個構件的使用材料、某個梁內部的配筋情況、某個地坪的施工做法順序等，并可通過虛擬建筑信息構配件的相互組合搭建成為完整的建筑物模型。例如，在一些建筑結構相對復雜或特殊的建筑物中，可通過VR技術將這類建筑物所有結構制作成虛擬建筑模型，利用對建筑信息模型單個拆解或多個組合等方式，直觀地展示給學生，讓學生充分掌握復雜和特殊的建筑形式，提升教學效果。

4.2 利用VR技術進行物理環境模擬

當今建筑工程類課程教學越來越注重可持續發展的內容，建筑物所處的外部環境對建筑物的影響體現得尤為明顯，在注重綠色、生態、環保的可持續設計理念下，可以通過VR技術在建筑設計階段，對建筑物的聲環境、光環境、熱環境等物理環境，進行模擬設定與分析[7]。例如，在建筑的設計中，可以模擬該建筑所在地區的熱環境，讓學生在建筑物外立面構造設計或材料設計方面選擇較為經濟節能的構件形式，從而降低建筑成本或建筑能耗，或者可以通過VR技術模擬該建筑全年的光照情況，進而對該建筑物內部各房建的采光進行優化設計。又如，在音樂廳的設計中，可以通過模擬的聲環境反映該設計方案中音樂廳內觀眾的實際收聽效果，從而再對設計方案進行修改，以達到最完美的收聽效果。

4.3 利用VR技術開展仿真實踐

仿真實踐是VR技術運用到建筑類課程教學的主要內容，可通過虛擬仿真技術搭建實驗實踐平臺，建筑類不同專業學生可通過平臺模擬完成自己所學專業涉及的實驗實踐。建筑施工類專業學生可以通過平臺生成所有建筑施工技術所需掌握的實踐課程，學生根據操作要求，在虛擬平臺上動手完成如綁扎鋼筋、澆筑混凝土、磚墻砌筑等一系列建筑施工技術操作。工程測量類專業學生可以通過虛擬平臺生成一塊測量場地，通過對虛擬設備進行操作，熟悉設備操作流程，完成該場地的測量工作。建筑設計類專業學生可通過平臺完成自己的建筑設計，并通過虛擬建筑信息模型，生成自己的設計內容，直觀展示自己的設計成果。工程造價類專業學生可以通過平臺模擬某建筑物的施工圖和配套的文件規范，可較為直觀簡單地掌握識圖技能，提升工程算量效率。同時，VR技術還能完成一些專業群平臺課的模擬實驗。例如，電工應用技術課程中，可以通過模擬實驗平臺，完成電工類實驗操作；建筑材料課程中，可以通過模擬混凝土凝結過程，直觀講解水灰比對于混凝土的影響。

4.4 利用VR技術開展沉浸式教學

通過VR仿真技術開展沉浸式教學，可以模擬出古建筑或知名建筑物等真實的建筑場景，學生可以通過虛擬技術在這類建筑的虛擬場景中漫游，進而對建筑史有更全面的了解。也可以模擬出一些虛構或尚未建成的建筑物，以此模擬一些概念性或具有未來發展趨勢的建筑物，培養學生在新興建筑設計、綠色建筑設計等方面的興趣點。通過將VR技術應用于教學過程中，能夠幫助學生理解傳統模式下較難掌握的知識點。例如，學生可以通過VR技術生成某個建筑物，再通過虛擬設備進入到建筑的虛擬環境中，這種教學模型不僅可以完成該建筑內部結構的展示，當涉及房地產營銷、室內設計等相關課程時，還可以將其作為戶型結構、改造方案、軟裝設計的介紹。在工程管理方面，可以通過VR技術進行容錯方面的實驗，如可以設定不同的建筑施工或管理方案，對整個方案進行建模，模擬不同方案的應用過程及結果，并動態化地反映出該方案可能存在的問題，以便于學生及時對方案進行調整，并選擇最優方案。

5 結語

隨著信息技術的快速發展，VR技術在教學方面的應用也將帶來更多優勢和便捷。對于高職院校建筑類課程的應用，由于VR技術的沉浸性、交互性等多種特點，其運用范圍也將越來越廣，有效解決了授課效率低、實踐操作困難、教學成本高、資源浪費大等問題，增加了課程的多樣性和實用性，提高了教學質量。