淺談虛擬仿真技術(shù)在建筑工程技術(shù)專業(yè)中的應(yīng)用

蔡琦婧

我國正處于社會信息化深入發(fā)展階段，傳統(tǒng)建筑業(yè)也在進(jìn)行自我革新，朝著工業(yè)化、信息化以及智能化發(fā)展，衍生出工業(yè)裝配式技術(shù)、BIM 信息模型技術(shù)等。 高職教育也在不斷探索新技術(shù)新方法，2006 年，教育部《關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見》(教高[2006]16 號)中就實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)方面提出了要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實(shí)驗(yàn)。 2017 年，國務(wù)院印發(fā)《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出我國教育進(jìn)入高質(zhì)量新階段，綜合利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)探索未來教育教學(xué)新模式。 高職建筑工程技術(shù)專業(yè)需適應(yīng)時(shí)代的變遷與行業(yè)的發(fā)展。 對此，本文將結(jié)合南京城市職業(yè)學(xué)院建設(shè)中的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)體系探討這項(xiàng)技術(shù)在建筑工程專業(yè)中的應(yīng)用。

一、 虛擬仿真技術(shù)在建筑工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)體系中的應(yīng)用

(一)高職建筑工程技術(shù)專業(yè)實(shí)訓(xùn)的困境

簡單來說，建筑工程技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)的是基于施工員崗位的“懂建筑、精施工、會管理”的高素質(zhì)技術(shù)技能人才，實(shí)訓(xùn)體系在整個(gè)人才培養(yǎng)方案中具有非常重要的地位。 但由于建筑行業(yè)的特殊性，校內(nèi)外實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)都普遍存在困難。校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地受限于場地和經(jīng)費(fèi)，難以重現(xiàn)建筑過程中各項(xiàng)技術(shù)，即使一些條件較好、投入較多的學(xué)校，建設(shè)的一些實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目也是以展示觀摩為主，動手實(shí)踐部分較少；采購的設(shè)備數(shù)量有限，難以滿足全部學(xué)生的操作需求；一些操作難以反復(fù)，不利于學(xué)生探究性學(xué)習(xí)。 在校外實(shí)習(xí)基地方面，由于建筑項(xiàng)目周期長并且具有一次性特征，工程進(jìn)度難以和課程學(xué)習(xí)相匹配。 此外，考慮施工現(xiàn)場的安全隱患和企業(yè)自身的經(jīng)濟(jì)效益，企業(yè)難以多次接待學(xué)生短期的參觀學(xué)習(xí)。 基于以上困境，不少高職院校建筑工程專業(yè)更像是簡配版本科土木工程的“學(xué)科型”教學(xué)體系，工學(xué)結(jié)合不緊密，學(xué)生難以將學(xué)到的理論知識運(yùn)用到實(shí)際工作崗位中去。

(二)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分類

基于以上因素考慮，有必要將虛擬仿真技術(shù)融入專業(yè)的實(shí)訓(xùn)體系建設(shè)。 虛擬仿真技術(shù)主要有以下三種類型：

1. 桌面虛擬仿真系統(tǒng)

利用平面顯示器呈現(xiàn)立體的虛擬環(huán)境，通常將施工二維平面圖紙轉(zhuǎn)換為三維模型，學(xué)生可通過鼠標(biāo)等設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，可以在環(huán)境中進(jìn)行觀察，將抽象的平面概念具象化，也可模擬某項(xiàng)施工技術(shù)過程，將書本枯燥生澀的理論知識轉(zhuǎn)換為更容易接受的立體影像。 這項(xiàng)技術(shù)成本較低，目前也使用得較為廣泛。

2. 全沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

使用頭盔、機(jī)械手柄、身體動作追蹤等儀器設(shè)備將使用者完全沉浸在虛擬的三維環(huán)境中，使用者可以精確的與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，視覺、聽覺、觸覺與實(shí)際環(huán)境完全隔離，完全置身于虛擬環(huán)境中，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作、體驗(yàn)。 這項(xiàng)技術(shù)成本較高，很多高職院校雖有投資，但數(shù)量有限。

3. 分布式虛擬系統(tǒng)

通過互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建一個(gè)多用戶的虛擬環(huán)境平臺，采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫將不同時(shí)間空間的虛擬終端整合，多名用戶之間可以自由交互協(xié)同工作。 這項(xiàng)技術(shù)目前在國外使用較多。

(三)構(gòu)建三階段虛實(shí)結(jié)合的實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系

建筑工程技術(shù)專業(yè)學(xué)生應(yīng)具備識讀工程施工圖紙、查閱相關(guān)圖集、測量放線的基礎(chǔ)技能，參與工程施工、編制施工組織計(jì)劃及專項(xiàng)施工方案、工程預(yù)決算的核心能力以及BIM 技術(shù)相關(guān)的拓展能力。 南京城市職業(yè)學(xué)院建筑工程技術(shù)專業(yè)根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)，以施工員、資料員典型的工作任務(wù)、職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，構(gòu)建三階段虛實(shí)結(jié)合的實(shí)訓(xùn)體系。 校內(nèi)構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)訓(xùn)體系：實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目較為容易實(shí)現(xiàn)的，一般以實(shí)體操作為主，例如鋼筋加工、綁扎鋼筋、全站儀測量等；實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目周期長，不易反復(fù)操作的，以虛擬仿真技術(shù)為主，如建筑工程項(xiàng)目施工——專業(yè)崗位仿真訓(xùn)練平臺。 同時(shí)，還配有建筑工程項(xiàng)目管理、招投標(biāo)沙盤實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，大型施工現(xiàn)場布置實(shí)體模型。 虛擬仿真技術(shù)填補(bǔ)了核心課程實(shí)訓(xùn)的空白，完善了校內(nèi)實(shí)訓(xùn)體系。 (見表1)

表1 建筑工程技術(shù)專業(yè)實(shí)訓(xùn)體系

校外構(gòu)建三階段的實(shí)習(xí)體系。 第一階段認(rèn)崗。 該階段主要在基礎(chǔ)技能的第一學(xué)年，學(xué)生通過工程制圖，建筑結(jié)構(gòu)等課程的學(xué)習(xí)后，進(jìn)入一線施工現(xiàn)場，與已學(xué)知識進(jìn)行匹配，對專業(yè)和崗位進(jìn)行感性認(rèn)知活動。 第二階段跟崗。 學(xué)生在第二學(xué)年學(xué)習(xí)了核心課程后，在校外實(shí)習(xí)基地進(jìn)行為期兩周的跟崗實(shí)習(xí)，在工程施工現(xiàn)場對已學(xué)習(xí)的核心技能進(jìn)行驗(yàn)證和反思。 第三階段頂崗。 學(xué)生在完成學(xué)校的所有學(xué)習(xí)、獲得職業(yè)資格證書后，真正進(jìn)入一線，成為一名工作者，用專業(yè)技術(shù)解決實(shí)際問題，完成學(xué)生到專業(yè)從業(yè)人員的過渡。 三階段的實(shí)習(xí)可以將校內(nèi)不同階段虛實(shí)結(jié)合的專項(xiàng)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目整合起來，體會各工序之間的聯(lián)系，將不同課程融會貫通，提升學(xué)生對知識的掌握和技能的運(yùn)用。

二、 虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

(一)現(xiàn)有教學(xué)方法與學(xué)生不匹配

隨著高考招生制度的不斷改革，高職生源不斷多樣化，學(xué)生素質(zhì)參差不齊，理論基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)主動性不高。 傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，即便配合了多媒體資源、信息化教學(xué)平臺的使用，也很難集中學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力。 一方面，這樣的教學(xué)方法本質(zhì)上還是以教師的灌輸為主，學(xué)生是被動的接受知識，知識還是被填到大腦中去，一旦填鴨的過程中出現(xiàn)了不理解、聽不懂的環(huán)節(jié)，后面的學(xué)習(xí)全部崩塌。 另一方面，高職學(xué)生的學(xué)習(xí)生涯很少出現(xiàn)學(xué)習(xí)的高光時(shí)刻，學(xué)生對自己的學(xué)習(xí)能力持否定態(tài)度，從內(nèi)心排斥學(xué)習(xí)，畏難情緒嚴(yán)重，自信心不足。 因此，不少學(xué)生在社團(tuán)活動時(shí)候大放異彩，在上課學(xué)習(xí)時(shí)，大腦就停止思考。

(二)虛擬仿真技術(shù)下的情境化教學(xué)

根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，學(xué)生是學(xué)習(xí)的中心，是知識信息的加工主體。 由建構(gòu)理論衍生出的情境化教學(xué)、探究性學(xué)習(xí)、問題導(dǎo)向等教學(xué)方法能夠不斷挑戰(zhàn)學(xué)習(xí)者已有的知識架構(gòu)和經(jīng)驗(yàn)，從而在交互的過程中形成新的知識。 學(xué)生在活動中主動學(xué)習(xí)，而教師是建構(gòu)過程的引路人。

虛擬仿真技術(shù)下的三維立體虛擬環(huán)境，具有沉浸性和交互性特征，學(xué)生置身其中，有很強(qiáng)的臨場感，促使學(xué)生主動獲取知識信息。 同時(shí)，三維具象化的事物降低了學(xué)習(xí)的難度，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心。 以建筑施工組織中的施工現(xiàn)場布置為例，傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師會引用工程案例將場布中涉及的規(guī)范進(jìn)行羅列。 由于施工現(xiàn)場涉及多種對象，羅列的規(guī)范很多，注意事項(xiàng)瑣碎，學(xué)生的上課效果較差，難以完成課程目標(biāo)。 在引入了桌面虛擬仿真技術(shù)的三維場布軟件后，場布理論課程就轉(zhuǎn)變?yōu)閳霾紝?shí)訓(xùn)項(xiàng)目。 項(xiàng)目源自真實(shí)施工案例，在教師的指引下，學(xué)生依據(jù)施工工程所處城市位置、周圍道路環(huán)境，考慮風(fēng)向和天氣因素，借助軟件中已有的各種施工現(xiàn)場的模型(如在建建筑、圍擋、道路、臨時(shí)設(shè)施、工程車輛、大型機(jī)械等)，對施工現(xiàn)場進(jìn)行搭建和布置。 搭建施工現(xiàn)場的過程就是學(xué)習(xí)施工現(xiàn)場規(guī)范的過程，同時(shí)，在搭建的過程中，學(xué)生對規(guī)范的理解運(yùn)用各不相同。 虛擬環(huán)境允許學(xué)生按個(gè)人理解對學(xué)習(xí)對象進(jìn)行操作，觀察不同操作下不同的結(jié)果，來驗(yàn)證自己對知識信息的接收加工是否正確，這是一個(gè)主動學(xué)習(xí)和修正過程。 虛擬仿真技術(shù)下的情境教學(xué)，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度與主動性，提升了學(xué)習(xí)效果。

(三)虛擬仿真競賽

由于專業(yè)的特殊性，高職建筑專業(yè)競賽總體主要集中在建筑工程識圖、CAD 軟件類等，如省級和國家級的技能大賽就有此類賽項(xiàng)。 此外，還有一些工程測量和建筑模型類的比賽。 而針對專業(yè)核心技能的施工技術(shù)、施工組織設(shè)計(jì)以及工程項(xiàng)目管理類較為少見。 虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)，降低了這類競賽的舉辦難度，只需電腦和網(wǎng)絡(luò)便可開展。 如某BIM 施工項(xiàng)目管理應(yīng)用技能大賽，包含施工組織設(shè)計(jì)、三維建模及建筑工程項(xiàng)目策劃等。 以賽促教的同時(shí)也為專業(yè)營造出濃厚的學(xué)習(xí)競爭氛圍，走出去多比賽也拓寬了學(xué)生的眼界，增強(qiáng)了學(xué)生的自信心。

三、 虛擬仿真技術(shù)的困境和發(fā)展

(一)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室投入成本過高

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室雖然能夠支持建筑工程技術(shù)專業(yè)不少實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，但是建設(shè)成本很高。 以一款全景沉浸式虛擬仿真系統(tǒng)為例，雖然該設(shè)備可以模擬仿真全站儀測量各種不同地形，但建設(shè)投入達(dá)兩百萬。 同時(shí)，隨著建筑行業(yè)新技術(shù)、新工藝的不斷發(fā)展，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目也面臨軟硬件的升級改造，后期的運(yùn)行維護(hù)也需要學(xué)校持續(xù)的投入。

(二)虛擬仿真對空間想象能力的影響

虛擬仿真技術(shù)利用信息化手段將抽象的符號具象化，建筑工程專業(yè)同樣要求學(xué)生具有將二維圖紙轉(zhuǎn)換為三維立體建筑物實(shí)體的能力。 由于高職學(xué)生空間想象能力較差，所以虛擬仿真技術(shù)有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)，降低學(xué)習(xí)如建筑構(gòu)造等課程的難度。 但是如果過分依賴虛擬仿真，學(xué)生的空間想象能力反而得不到鍛煉和提高。 這就要求教師在教學(xué)時(shí)合理使用虛擬仿真這個(gè)工具，教學(xué)時(shí)需要安排學(xué)生進(jìn)行空間轉(zhuǎn)換的思考過程。

(三)虛擬仿真對注意力的影響

虛擬技術(shù)打造的虛擬環(huán)境通過視覺、聽覺、體感向?qū)W生傳遞圖形、文字、聲音等信息。 打造沉浸式體驗(yàn)學(xué)習(xí)的同時(shí)也傳遞了大量豐富的信息，學(xué)生會對情境中某些信息產(chǎn)生更強(qiáng)的臨場感，投入更多的注意力，而對其他信息的注意力減少，無法實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的目的。 例如，安全生產(chǎn)課程通過虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)讓學(xué)生體驗(yàn)了高空墜落、腳手架坍塌等情境，模擬情境很真實(shí)，但學(xué)生體驗(yàn)到的是墜樓的刺激，反而忽視了安全的意識、課程的目的。 所以，在虛擬仿真的學(xué)習(xí)過程中，教師要加強(qiáng)引導(dǎo)，同時(shí)合理設(shè)計(jì)虛擬仿真學(xué)習(xí)的腳本和內(nèi)容。

(四)多用戶虛擬仿真環(huán)境

“Active World”平臺是國外廣泛使用的一款多用戶虛擬環(huán)境。 多名不同地點(diǎn)學(xué)習(xí)者可以在同一個(gè)虛擬環(huán)境中自由交互、協(xié)同工作。 目前，國內(nèi)使用的虛擬仿真項(xiàng)目多為單人、單項(xiàng)。 學(xué)習(xí)者只能與計(jì)算機(jī)虛擬的環(huán)境交互，實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容也是較為單一的觀察性學(xué)習(xí)或是操作性學(xué)習(xí)。 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)朝著多用戶平臺發(fā)展，虛擬的環(huán)境更綜合、更完整，學(xué)習(xí)者彼此之間以虛擬身份共同探索、觀察、討論和分析，開展更富有效果的合作式學(xué)習(xí)，特別適合遠(yuǎn)程教學(xué)。 同時(shí)，參與學(xué)習(xí)的各方可以共同建設(shè)虛擬環(huán)境，做到共建共享，節(jié)約資源，降低成本。

四、 結(jié)語

綜上，虛擬仿真技術(shù)在高職教育尤其是實(shí)訓(xùn)教學(xué)方面的應(yīng)用完善了建筑工程技術(shù)專業(yè)的實(shí)訓(xùn)體系，幫助學(xué)生在實(shí)踐中把理論知識轉(zhuǎn)換為專業(yè)技能。 從建構(gòu)主義角度來看，虛擬仿真技術(shù)作為一項(xiàng)有效的教學(xué)工具，變學(xué)生被動填鴨式學(xué)習(xí)為主動探究性學(xué)習(xí)，提升了學(xué)習(xí)效果和課堂質(zhì)量。 但目前虛擬仿真技術(shù)也有自己的局限性，應(yīng)當(dāng)從共建共享出發(fā)，降低成本，合理設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容，充分發(fā)揮這項(xiàng)技術(shù)在高職教育中的價(jià)值和優(yōu)勢。