基于模塊化的虛擬仿真實驗室建設(shè)

殷復(fù)鵬，鄧曉紅，張 雷

（山東建筑大學(xué) 管理工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

近年來，伴隨著虛擬仿真技術(shù)的進(jìn)步，虛擬仿真實驗教學(xué)發(fā)展迅速，已成為課堂教學(xué)和傳統(tǒng)實驗教學(xué)改革的重要手段之一[1]。這種教學(xué)方式在環(huán)境復(fù)雜、操作不可逆、危險性高、成本消耗大的大型或綜合實驗教學(xué)中具有明顯的優(yōu)勢。許多院校都在規(guī)劃或建設(shè)具有學(xué)科特色的虛擬仿真實驗室，以實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗室不具備的教學(xué)和實驗功能，培養(yǎng)學(xué)生實際操作能力和創(chuàng)新發(fā)展意識。一些學(xué)者針對不同領(lǐng)域或?qū)I(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)問題進(jìn)行了研究，如吳涓等針對機(jī)電類專業(yè)特點，構(gòu)建了多層次、模塊化的虛擬仿真課程體系[2]；馬文頂?shù)葘Σ傻V工程虛擬仿真實驗教學(xué)平臺進(jìn)行了研究[3]；朱勝雪等針對交通運(yùn)輸虛擬仿真實驗教學(xué)平臺相關(guān)建設(shè)經(jīng)驗進(jìn)行了探討[4]；王勇等針對經(jīng)管類專業(yè)，提出了專業(yè)集群虛擬仿真實驗教學(xué)平臺架構(gòu)[5]。這些研究為虛擬仿真實驗教學(xué)體系的構(gòu)建及實驗室的建設(shè)積累了大量的經(jīng)驗，然而由于虛擬仿真實驗教學(xué)理念發(fā)生的重大轉(zhuǎn)變，實驗?zāi)Ｊ?、實驗手段都發(fā)生了深刻的變革，虛擬仿真實驗室建設(shè)過程中，往往存在諸如實驗平臺單一、資源共享率低、可擴(kuò)展性差等問題[6-10]，大部分院校存在重投資、輕維持的情況，缺少頂層規(guī)劃，靈活性差[11]。

工程管理是一個綜合性強(qiáng)、實踐性強(qiáng)的學(xué)科，實踐教學(xué)是其重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，對建設(shè)工程項目全過程進(jìn)行模擬與仿真是工程管理專業(yè)實驗的重要特點[12-13]，基于建筑信息模型（building information modeling，簡稱BIM）和虛擬仿真技術(shù)，建立工程管理實驗教學(xué)或仿真實訓(xùn)平臺，已成為工程管理專業(yè)實驗室建設(shè)的主要方向之一[14-16]。當(dāng)前工程管理專業(yè)虛擬仿真實驗室在建設(shè)過程中也存在規(guī)劃不足，平臺不完善等問題[17]。

虛擬仿真實驗室不僅是進(jìn)行實驗教學(xué)的重要場所，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和操作能力的重要場所。對實驗室進(jìn)行合理的規(guī)劃，發(fā)揮實驗室在實驗教學(xué)和科研等方面的優(yōu)勢，提高實驗教學(xué)仿真資源的共享和使用效率，是實現(xiàn)虛擬仿真實驗室可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。本文以山東建筑大學(xué)國家級建筑工程管理虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)為基礎(chǔ)，結(jié)合建筑工程管理類專業(yè)建設(shè)以及實驗教學(xué)改革的需要，研究基于模塊化理念的虛擬仿真實驗室建設(shè)問題。

1 虛擬仿真實驗室建設(shè)總體規(guī)劃

1.1 建設(shè)目標(biāo)

山東建筑大學(xué)建筑工程管理虛擬仿真實驗室，于2014 年獲批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。多年來，實驗室在建設(shè)過程中，形成了具有專業(yè)特色的建設(shè)目標(biāo)，即建設(shè)“面向建設(shè)工程領(lǐng)域，突出數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化特色，服務(wù)于教學(xué)、科研和社會的開放、共享、可持續(xù)的綜合實踐平臺”。虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)內(nèi)容包括方法、資源和應(yīng)用三個方面（見圖1）。虛擬仿真實驗中心的建設(shè)依托專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊、科研院所和合作企業(yè)，基于教學(xué)需求構(gòu)建實驗體系，從工程項目實踐中獲取實驗案例，以建設(shè)項目全生命周期為主線，應(yīng)用于校內(nèi)外工程管理相關(guān)專業(yè)實踐教學(xué)和企業(yè)培訓(xùn)等方面，實現(xiàn)多專業(yè)、跨地區(qū)、多層次的資源共享。

圖1 虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)內(nèi)容

1.2 建設(shè)思路

虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)堅持“總體規(guī)劃，分步實施，資源共享，持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想，遵循適應(yīng)性、可擴(kuò)展性、共享性、可持續(xù)性和共建共享的基本原則，秉承“立足創(chuàng)新人才培養(yǎng)、面向建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化、依托產(chǎn)學(xué)研深度融合、覆蓋建設(shè)項目全壽命、實現(xiàn)資源高度共享”的建設(shè)思路。既要適應(yīng)當(dāng)前虛擬仿真實驗室建設(shè)要求，又要考慮長遠(yuǎn)發(fā)展，便于實驗?zāi)K、實驗手段、實驗方法等方面的擴(kuò)展和軟硬件的后續(xù)開發(fā)；既要構(gòu)建統(tǒng)一的虛擬仿真平臺，又要區(qū)分不同專業(yè)特色，能夠基于平臺構(gòu)建多種專業(yè)實驗室和科研實驗室；既要堅持根據(jù)學(xué)科特點建設(shè)，又要構(gòu)建校企、校校合作接口，促使企業(yè)、其他高校參與建設(shè)，實現(xiàn)共建共享。

2 基于模塊化的虛擬仿真實驗室建設(shè)

2.1 基本架構(gòu)

虛擬仿真實驗教學(xué)中心從教學(xué)資源、共享平臺、人員構(gòu)成、管理體系等4 個方面著手建設(shè)，4 個方面缺一不可，基于模塊化的虛擬仿真實驗室基本架構(gòu)如圖2 所示。該實驗室架構(gòu)由綜合管理平臺、實驗室運(yùn)行管理體系、人才隊伍及實驗室資源等部分構(gòu)成。其中基于互聯(lián)網(wǎng)的綜合管理平臺支持實驗設(shè)計和管理、在線自主學(xué)習(xí)和實驗、教學(xué)資源上傳下載及手機(jī)電腦等多種終端，是虛擬仿真實驗教學(xué)中心門戶網(wǎng)站和共享平臺。實驗室人才隊伍由多學(xué)科、多專業(yè)教師組成，并引入建筑企業(yè)、軟件公司等科研人員參與。實驗室運(yùn)行管理體系是虛擬仿真實驗合理組織的制度保障和管理規(guī)范。虛擬仿真實驗室建設(shè)的最終目的是實現(xiàn)為教學(xué)、科研和社會服務(wù)提供良好的支撐。

2.2 資源模塊構(gòu)成

建筑工程管理虛擬仿真實驗室資源由仿真平臺、仿真實驗室、實驗課程構(gòu)建平臺三個維度構(gòu)成，每一個維度都是按照模塊化設(shè)計的思路，由相應(yīng)的模塊構(gòu)成。

2.2.1 仿真平臺

仿真平臺是支撐實驗教學(xué)、科研、社會服務(wù)的綜合平臺，按照功能模塊可以劃分為建筑工程BIM 平臺、建筑工程智慧建造平臺、建筑工程虛擬仿真平臺、虛擬仿真資源開發(fā)平臺等。建筑工程BIM 平臺是進(jìn)行BIM 相關(guān)理論教學(xué)、軟件操作的基礎(chǔ)，該平臺以多專業(yè)、多角色、多單位協(xié)同運(yùn)用為特色，實現(xiàn)建筑工程管理全壽命的仿真模擬。建筑工程智慧建造平臺基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用虛實結(jié)合的方式實現(xiàn)建筑工程全過程的動態(tài)展示，能夠?qū)崿F(xiàn)實體模型與虛擬仿真模型的聯(lián)動，有利于教師對專業(yè)知識的講解和學(xué)生對知識的理解。虛擬仿真平臺采用VR/AR、增強(qiáng)現(xiàn)實等技術(shù)，使參與者沉浸到三維動態(tài)視景環(huán)境中，創(chuàng)建和體驗建筑施工全過程，并能夠通過眼睛、手勢或其他人體行為動作，實現(xiàn)人機(jī)交互操作，展示施工過程中的質(zhì)量、進(jìn)度、成本等相關(guān)信息，讓學(xué)生通過虛擬環(huán)境體驗現(xiàn)實施工現(xiàn)場，增強(qiáng)對現(xiàn)場的認(rèn)識。資源開發(fā)平臺從教學(xué)、科研與社會服務(wù)等多方面需要出發(fā)，幫助師生構(gòu)建建筑BIM 模型，將其作為畢業(yè)設(shè)計、課程設(shè)計的資源，并從成本管理、進(jìn)度管理、安全管理、工程現(xiàn)場布置等方面，將BIM 模型轉(zhuǎn)換為能夠在虛擬環(huán)境中模擬的虛擬仿真資源，用于教學(xué)和科研。

圖2 基于模塊化的虛擬仿真實驗室基本架構(gòu)

仿真平臺是構(gòu)建專業(yè)實驗室的基礎(chǔ)，基于此可以構(gòu)建不同專業(yè)不同需求的實驗室，并根據(jù)專業(yè)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計實驗項目或?qū)嶒炚n程。根據(jù)虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，以及教學(xué)、科研、企業(yè)等對虛擬仿真的需求，采用模塊化的思想，可構(gòu)建其他類型的仿真平臺。

2.2.2 仿真實驗室

仿真實驗室是根據(jù)專業(yè)特色，在仿真平臺基礎(chǔ)之上，通過配置相應(yīng)的其他軟硬件資源構(gòu)成的用于教學(xué)和科研的實驗室。根據(jù)其主要用途分為教學(xué)型仿真實驗室和科研型仿真實驗室。教學(xué)型仿真實驗室主要用于學(xué)生教學(xué)，根據(jù)功能不同可分為BIM 綜合實訓(xùn)室、沙盤模擬實訓(xùn)室、案例研討室、工作算量坊等?？蒲行头抡鎸嶒炇抑饕獮閺V大師生科研服務(wù)，如BIM 建模研究實驗室、智慧建造實驗室、智慧國土模擬仿真實驗室、建筑工業(yè)化實驗室等。仿真實驗室根據(jù)學(xué)科發(fā)展要求或科研方向的動態(tài)變化而動態(tài)增減。仿真實驗室為BIM 和虛擬仿真相關(guān)理論教學(xué)、BIM 和虛擬仿真系統(tǒng)實際操作、技術(shù)培訓(xùn)、各種大賽、各類考試、學(xué)生創(chuàng)新開放實驗等教學(xué)和服務(wù)提供了重要場所，是教學(xué)改革的示范窗口。

2.2.3 實驗課程構(gòu)建平臺

實驗課程構(gòu)建平臺是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方式的改革需要，在當(dāng)前仿真平臺和仿真實驗室的基礎(chǔ)上，為專業(yè)教師提供實驗課程設(shè)計支持的平臺。專業(yè)教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容及課程特點，構(gòu)建不同的實驗項目群，用于本科教學(xué)和研究生教學(xué)。如建筑工程造價實驗課程、建筑工程管理實驗課程、建筑工業(yè)化管理實驗課程、建筑工程數(shù)據(jù)挖掘?qū)嶒炚n程等，緊扣教學(xué)大綱的要求和當(dāng)前建筑工程領(lǐng)域的迫切需求，以建設(shè)項目全生命周期為主線，形成完善的實驗教學(xué)體系，同時面向建設(shè)行業(yè)發(fā)展新趨勢，實現(xiàn)了“教—學(xué)—練—考—用”的實驗?zāi)康摹?/p>

3 實驗室運(yùn)行與管理支撐平臺

虛擬仿真實驗教學(xué)中心的運(yùn)行效果由其支撐平臺決定，支撐實驗室運(yùn)行與管理的平臺主要由虛擬仿真共享平臺、管理體系、人才團(tuán)隊等構(gòu)成。

共享平臺包括虛擬仿真中心門戶網(wǎng)站和實驗教學(xué)管理平臺。其中虛擬仿真實驗教學(xué)中心門戶網(wǎng)站主要包括新聞發(fā)布、站內(nèi)信息檢索、中心建設(shè)概況、管理體系、建設(shè)理念、中心團(tuán)隊、中心資源、校企合作、成果展示、實驗項目簡介等模塊，具有良好的可擴(kuò)展性和兼容性。該門戶網(wǎng)站主要用于發(fā)布虛擬仿真實驗教學(xué)中心的相關(guān)信息和新聞通告，便于教師和學(xué)生更為全面地了解建筑工程管理虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)和應(yīng)用情況。實驗教學(xué)管理系統(tǒng)主要用于輔助學(xué)生開展網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)效果的考核。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對用戶的分級管理，可以設(shè)置不同的系統(tǒng)角色，主要包括系統(tǒng)管理員、教師和學(xué)生，不同級別用戶享有不同的使用權(quán)限，提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。學(xué)生既可以在平臺中申請課程實驗項目，也可以通過平臺申請開放實驗。

虛擬仿真實驗教學(xué)中心的管理體系需要從組織保障、制度保障、管理規(guī)范、運(yùn)行機(jī)制等方面著手建設(shè)。實驗室人才隊伍應(yīng)該由多學(xué)科、多專業(yè)教師以及建筑企業(yè)、軟件公司等科研人員組成，形成不同的教學(xué)、科研和社會服務(wù)團(tuán)隊，從而促進(jìn)實驗室的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

本文在總結(jié)了大量虛擬仿真實驗室建設(shè)的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，采用模塊化的思想，提出了基于模塊化的虛擬仿真實驗室建設(shè)思路，并將其應(yīng)用于我校建筑工程管理虛擬仿真實驗室建設(shè)中。虛擬仿真實驗室的建設(shè)應(yīng)依托學(xué)科優(yōu)勢，遵循適應(yīng)性、可擴(kuò)展性、共享性、可持續(xù)性和共建共享的基本原則，所構(gòu)建的實驗室及實驗教學(xué)體系應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)仿真平臺、仿真實驗室、實驗課程等不同維度上模塊的擴(kuò)展。仿真實驗室服務(wù)于我校工程管理、工程造價、信息管理與信息系統(tǒng)、房地產(chǎn)經(jīng)營與管理、土地資源管理和工業(yè)工程等多個本科專業(yè)和研究生的教學(xué)，并為教師的科研和校企合作提供了平臺。