基于VR 虛擬現實的建筑工程教學資源庫建設研究*

弓超凡 薛興偉 張可心

沈陽建筑大學交通與測繪工程學院 沈陽 110168

0 引言

隨著我國科學技術的迅猛發展，計算機技術及硬件性能得到了飛速提升，VR 虛擬現實技術[1]應運而生。虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）是由傳感技術、三維立體成像技術以及交互技術融合發展起來的新型技術。VR 虛擬現實可以通過計算機模擬現實環境，使用戶在交互中獲得沉浸式的主觀體驗。

我國建筑業各大高校的傳統教學模式在信息時代的快節奏發展中顯露出了一系列問題，教學理論同實際建筑工程結合效果差。為使信息技術與建筑工程教學得到深度結合，學生對知識的獲取方式需要進行變革。為此，將虛擬現實技術作為輔助手段同建筑類院校的教學模式相結合，充分發揮VR 虛擬現實技術的優點，提供了解決建筑工程專業理論及實踐教學的新模式。本文以建筑類院校為例，研究如何推進虛擬現實技術在建筑工程專業方面的教育，提高人才培養質量，來彌補建筑工程專業在信息化教學方面較為欠缺的現狀。

1 虛擬現實在教學領域的應用現狀

近年來VR 虛擬現實技術在各領域的教育工作得到廣泛應用，但是在建筑工程領域中的理論教學和試驗模擬方面應用較少，教學模式尚未成熟。隨著我國創新驅動發展戰略和知識強國戰略的不斷開展，建筑類高校肩負著進行教學改革、培養創新型人才的重擔。因此，對建筑類高校開展新型教學模式探索的研究以及如何給傳統的教學方法注入新的活力就成為了目前國內高校關注的重要課題。

李端[2]分析了未來教育改革的整體趨勢，研究了VR 虛擬現實技術同未來教育改革的契合度。岳建偉等學者[3]運用虛擬技術使土木工程專業的學生學習真實三維的實際工程，提高建筑施工的理論教學效果，對教學發展方向進行了探索。孟彬等學者[4]在智能建筑專業課程的教學中引入虛擬現實技術，對新的教學理念及教學方式進行了探索。張銳[5]對土木工程專業傳統教學中存在的問題給出了解決方案，研究了基于虛擬現實技術的土木工程實驗教學改革，提出了一套土木工程虛擬實驗系統。

2 建筑工程教學存在的問題

建筑工程專業教學方案主要包括土木工程大類下的建筑工程方向的教學、設計、施工與管理，主要要求學生掌握工程力學、土力學、工程測量、結構工程等學科基礎理論。傳統的建筑工程往往采用理論結合實踐的教學模式，通過學生對基礎理論課的學習，結合多種實習使學生掌握專業知識和專業技能，但是在教學工作中存在以下問題。

1）不能將建筑工程中的相關理論很好地進行實踐學習，所學專業知識往往局限于教材中，很大程度上削減了學生的學習興趣；建筑工程理論性較強，概念多、公式多、計算多、內容多，學生接受困難；教材的發展相對落后于規范。

2）建筑工程涉及結構類型較多，這些結構形式復雜、施工工序復雜，加之結構中眾多的附屬結構、鋼筋，如按照常規方式講授，學生難以理解與接受，教學達不到預期效果。

3）傳統教學模式中往往學生是一種被動的學習狀態，這就使得學生在整個學習過程中缺乏自主性、創新性，難以培養學生的創新意識。

3 建筑工程虛擬現實教學資源庫應用策略

本文基于建筑工程課程應用性強、結合項目緊密的特點，參考建筑工程專業的培養方案要求，將VR 虛擬現實技術同理論教學及實踐教學相結合，探索高素質復合型人才培養新模式，構建一套完整的建筑工程教學資源庫，此虛擬仿真建筑工程教學資源庫全局架構如圖1 所示。

圖1 基于VR 虛擬現實技術建筑工程教學資源庫

3.1 虛擬現實技術建筑工程教學資源庫

VR 虛擬現實以房屋結構、基礎工程、道路、橋梁圖紙為案例在學生識圖環節解決了教師教學時的二維圖紙抽象、難講解等問題。動態拆分鋼筋及其他建筑結構功能，使學生更清晰了解道橋結構中細節及隱藏部位的構件布置形態，結合圖紙增強學生思維轉換能力。以道路橋梁結構教學資源庫為例，通過運用VR 虛擬現實技術將三維基礎場景導入unity 或者ue4，進行效果和特效的添加渲染，通過高度仿真的交互處理，通過VR 設備進行展示，可以提高學生對專業基礎知識的掌握程度以及復雜結構識讀、繪制能力。

基于VR 虛擬現實開發得到的建筑工程教學資源庫主要包括：1）房屋建筑教學資源庫，主要包含房屋的梁、柱、墻等主要承重構件等構件的VR模型；2）基礎工程教學資源庫：樁基礎的主要結構，包括鉆孔灌注樁、鋼筋混凝土預制樁、鋼管樁及H型鋼樁等的VR 模型。3）道路橋梁結構教學資源庫：橋梁的主要結構，包括上部結構中的支架搭設、T梁架設及轉換體系、濕接縫施工、頂推施工、掛籃施工等教學內容，下部結構中的墩柱、蓋梁、橋臺、橋頭搭板、橋臺側墻等教學內容，支座及附屬結構中的邊坡防護、地表排水、擋土墻、護欄、防撞墻、人行道、錐形護坡等的VR 模型；道路結構的路面、路基、基層等的VR 模型。

相較于傳統實驗模式，虛擬仿真建筑工程教學資源庫具有學習成本低、資料利用率高、重復率高的特點，尤其是在侯疫情形勢的大環境下，不同于傳統實驗受限于客觀條件，具有更高的靈活性和便捷性，基本可以取代傳統實驗內容。虛擬仿真建筑工程教學資源庫還可開發大型項目實驗以及新興前沿技術實驗，從而進一步拓寬學生的學術視野，培養學生的科研學術興趣，鍛煉學生的學術能力。

3.2 基于VR 虛擬現實的建筑工程理論教學

針對建筑工程理論教學所存在的問題，以建筑工程專業培養方案為基礎，將基于VR 虛擬現實技術建立的建筑工程教學資源庫，有效融入建筑工程課堂實際教學。在學生對基礎知識的理解上，通過多維可視化實現整體與局部模型的結合，提高建筑工程空間思維能力，達到課堂提高講授的效果。基于建筑工程教學資源庫的理論教學思路主要是通過在實際教學及教師、學生反饋中，建立一套融入VR 虛擬技術的建筑工程教案，使學生可以更加主動學習專業知識，達到提高教學質量的目標。

以混凝土結構設計原理為例，相應的建筑工程教案按照結構實際情況進行建立，如不同截面的鋼筋混凝土受彎構件的受力過程和破壞形態，其中對結構配筋、承載力方面的計算原理和方法進行可視化教學。對于結構部分，通過VR 虛擬現實技術實現對構件內部構造的清楚表達，且可以通過全方位視角及視角縮放進行細節展示，使學生在理論學習的過程中提高個體自主權。在這種基礎上，學生在良好掌握本課程專業知識的基礎上，實現知識的逐層遞進，還能實現對建筑結構抗震設計、房屋建筑學等課程所學內容的融會貫通，使學生對建筑工程行業的專業知識有一個整體的把握。

3.3 高素質復合型人才培養新模式

在建筑工程的理論教學和實踐教學中，深度應用VR 虛擬現實技術，利用前沿科技開發的優異成果，真正將理論學習和實踐相結合，高交互性、沉浸式的虛擬仿真建筑工程教學資源庫激發學生對建筑工程專業知識理論的學習興趣，顯著提高了教學效率，在虛擬仿真建筑工程教學資源庫的建設探索中，逐步形成了一種高素質復合型人才培養新模式。

在這種新模式中，教師的作用更傾向于引導學生，使學生在沉浸式課堂中充分發揮個人的能動性，結合自身對專業知識的理解，進行高交互性的學習體驗。學生可以按照教師給出的要求，結合課題特點確定設計任務，通過方案設計和預概算，使用VR 虛擬現實技術生成實景圖，對自己的方案進行優化。教師參與學生方案的點評工作，最終確定最佳方案。分析結果可以作為學生綜合素質評價以及平時成績的依據，學生也可以通過測評結果，對自身的專業知識掌握情況有更深的體會，進而對自己的學習方式進行優化。

虛擬仿真建筑工程教學資源庫的建設需要伴隨著教學制度的同頻革新，將豐富的教學手段、教學方式進行實踐融合，在不同方案的開發過程中提高學生素質，加快建筑工程專業信息化教學進程，對復合型人才培養的新模式進行探索和研究。

4 結束語

目前，我國各大建筑類高校對于建筑工程的教學改革已經在逐步進行，將VR 虛擬現實技術應用到建筑工程的理論教學和實踐教學中，構建一套建筑工程教學資源庫，符合國家對高素質復合型人才培養的要求。應用建筑工程虛擬仿真教學資源庫可以打破客觀條件制約，降低建筑工程教學成本，很大程度上滿足了橋梁工程課程的教學需求。同時改變建筑工程課程教學模式，提高學生的學習效果。

通過深度融合虛擬現實技術進行教學實踐改革，實現開放性的教學模式，促進學生的理論知識同實踐教學相互促進，進一步提高學生的綜合素質，逐步形成高素質復合型人才培養新模式。