基于虛擬現(xiàn)實的新工科建筑類專業(yè)多學(xué)科融合創(chuàng)新平臺構(gòu)建

鞏文斌

（西南民族大學(xué)建筑學(xué)院，成都 610040）

0 引言

2017 年2 月以來，教育部積極推進新工科建設(shè)，先后發(fā)布了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”等通知文件，其中強調(diào)：“面向工業(yè)界、面向世界、面向未來，主動應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革挑戰(zhàn)，服務(wù)制造強國等國家戰(zhàn)略，緊密對接經(jīng)濟帶、城市群、產(chǎn)業(yè)鏈布局，以新工科建設(shè)為重要抓手，持續(xù)深化工程教育改革，加快培養(yǎng)適應(yīng)和引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才”。建筑設(shè)計類專業(yè)，歷來更為重視實踐應(yīng)用，重視學(xué)生的實際操作能力培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)、沉浸式仿真實訓(xùn)模式、體驗式教學(xué)等新模式能夠有效與新工科建設(shè)需求接軌，為廣大專業(yè)教師提供研究、實踐的高校環(huán)境。

現(xiàn)以西南民族大學(xué)建筑學(xué)院建筑學(xué)科為研究對象，針對現(xiàn)有實踐教學(xué)建設(shè)基礎(chǔ)及現(xiàn)狀主要問題，結(jié)合新工科背景，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建建筑類專業(yè)多學(xué)科融合創(chuàng)新平臺。通過創(chuàng)新平臺實踐，融合虛擬現(xiàn)實技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)方式，探索多學(xué)科融合人才培養(yǎng)模式，推動學(xué)校、企業(yè)、社會多方產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人，促進民族文化傳承與創(chuàng)新，探索新工科背景下建筑類專業(yè)多學(xué)科融合創(chuàng)新平臺實施路徑。

1 建筑專業(yè)建設(shè)情況

1.1 卓越人才培養(yǎng)與協(xié)同育人實踐基地建設(shè)

建筑學(xué)專業(yè)2013 年成為四川省普通本科高等學(xué)校卓越工程師教育培養(yǎng)計劃立項專業(yè)，2018 年通過住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、教育部的專業(yè)教育評估，2020 年初列入四川省首批一流本科專業(yè)建設(shè)支持。學(xué)院近年來構(gòu)建“數(shù)字測繪+數(shù)字設(shè)計+數(shù)字建構(gòu)”一體化虛擬現(xiàn)實數(shù)字化教學(xué)創(chuàng)新平臺，服務(wù)于學(xué)科實踐與科研創(chuàng)新。通過校企合作協(xié)同育人與光輝城市、谷雨時代、超圖、潤尼爾等科技企業(yè)建立集VR、BIM、GIS、虛擬仿真等技術(shù)為一體的專業(yè)實驗室，目前已完成了VR 虛擬現(xiàn)實技術(shù)、無人機航拍技術(shù)、AI 人工智能建模技術(shù)等一系列全新技術(shù)的教學(xué)融合，平臺形成“數(shù)據(jù)留存—信息加工—綜合研究”的技術(shù)集成與綜合應(yīng)用，基本達到“基礎(chǔ)條件+課程拓展+校企合作+人才培訓(xùn)”工作閉環(huán)，實現(xiàn)了虛擬仿真實驗項目與VR 體驗式教學(xué)的高效融合，全面驅(qū)動人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新發(fā)展，對學(xué)校建筑類學(xué)科建設(shè)水平、教育質(zhì)量、辦學(xué)效益和綜合實力起到積極推動作用。

1.2 現(xiàn)有教學(xué)多專業(yè)交叉融合

（1）構(gòu)建層次分明，體系完整，課程教學(xué)體系。建筑學(xué)專業(yè)包括學(xué)科基礎(chǔ)教育、專業(yè)基礎(chǔ)教育、綜合訓(xùn)練教育三個階段，學(xué)年時間5 年分配為2 +2 +1。學(xué)科基礎(chǔ)階段（一、二年級）重點進行通識教育和學(xué)科基礎(chǔ)教育，強調(diào)空間設(shè)計基本能力和思維能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練，初步掌握中小型建筑單體的類型特點和設(shè)計方法；專業(yè)基礎(chǔ)階段（三、四年級）注重建筑學(xué)理論、建筑設(shè)計方法的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練；綜合訓(xùn)練階段（五年級）注重職業(yè)綜合素質(zhì)的培養(yǎng)和社會實踐能力的訓(xùn)練；注重團隊協(xié)作能力和規(guī)劃統(tǒng)籌意識培養(yǎng)。知識體系形成“一主二輔”的結(jié)構(gòu)，以建筑設(shè)計課程為主干，以建筑技術(shù)課程和社會人文課程為輔助。在分階段課程安排中植入“民族性與本土性”的特色地域建筑教學(xué)線索，各階段轉(zhuǎn)換上注意相關(guān)課程的銜接，循序漸進、逐步深入拓展，確立了由設(shè)計、表達、技術(shù)、理論、修養(yǎng)、實踐等6 大課程體系，注重對學(xué)生在實踐過程中綜合能力的培養(yǎng)（見圖1）。

圖1 建筑學(xué)專業(yè)教學(xué)體系示意

（2）結(jié)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)需要，強化建筑學(xué)專業(yè)綜合素質(zhì)的訓(xùn)練。注重實踐創(chuàng)新平臺的建設(shè)，鼓勵學(xué)生參與學(xué)科競賽、創(chuàng)新項目、實驗性教學(xué)活動，參與跨學(xué)科、跨年級協(xié)作的重要工程實踐，培養(yǎng)專業(yè)能力突出、專業(yè)素養(yǎng)良好、思維活躍、視野開闊的優(yōu)秀學(xué)生。課程教學(xué)中強調(diào)建筑學(xué)工作能力的綜合培養(yǎng)，包括表現(xiàn)能力、調(diào)研能力、協(xié)作能力、表達能力等，以進一步提高學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)。注重培養(yǎng)學(xué)生熟悉建筑學(xué)的工作程序，掌握“調(diào)查—分析—設(shè)計”的工作方法；加強建筑學(xué)的職業(yè)道德教育，了解建筑學(xué)對社會各方面的影響；通過社會調(diào)查實踐、建筑設(shè)計等課程中的社會實踐環(huán)節(jié)進一步培養(yǎng)學(xué)生的社會責任感（見圖2）。

圖2 建筑設(shè)計課程體系

（3）依托學(xué)校的特色優(yōu)勢學(xué)科，探索“地域”和“民族”教學(xué)特色。充分發(fā)揮學(xué)校在民族經(jīng)濟、民族旅游、民族文化研究等方面的學(xué)科優(yōu)勢，建立以建筑學(xué)核心理論為支撐、相關(guān)學(xué)科理論為補充的多元化知識體系。學(xué)校所處的西南地區(qū)在生態(tài)環(huán)境、地域要素、民族文化上具有多樣性特點，在課程體系、教學(xué)內(nèi)容組織和選題上，積極涉獵民族地區(qū)村寨的保護與設(shè)計、民居更新與傳承等領(lǐng)域，努力探索教學(xué)的地域特色。在民族地區(qū)建設(shè)教學(xué)和科研實踐基地，通過測繪、社會調(diào)查、科研服務(wù)等途徑實現(xiàn)人才培養(yǎng)與社會服務(wù)的統(tǒng)一。

2 新工科下建筑類專業(yè)多學(xué)科融合創(chuàng)新平臺構(gòu)建

（1）結(jié)合新工科背景，優(yōu)化發(fā)展建筑教育。建筑學(xué)專業(yè)立足西南民族地區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)需要，依托西南地區(qū)人居環(huán)境中民族及其聚落眾多的重要特征，基于新工科建設(shè)理念，針對當前學(xué)科專業(yè)現(xiàn)狀及存在的教育教學(xué)理念觀念更新、學(xué)科專業(yè)之間交叉融合、面向復(fù)雜工程能力提高等問題，通過校企共建協(xié)同育人合作模式，構(gòu)建形成“建筑學(xué)+多學(xué)科交叉融會+跨學(xué)科組織機構(gòu)+跨學(xué)科課程+跨學(xué)科團隊+跨學(xué)科平臺”的多學(xué)科交叉融合創(chuàng)新平臺，開展體現(xiàn)學(xué)校優(yōu)勢與特色的專業(yè)集群建設(shè)。

（2）多學(xué)科融合，驅(qū)動人才培養(yǎng)模式改革。突破學(xué)科專業(yè)定勢，探索建筑學(xué)多學(xué)科專業(yè)交叉融合，優(yōu)化人才培養(yǎng)方案，推進課程體系和教學(xué)模式改革，構(gòu)建面向復(fù)雜工程問題的課程群，組建面向建筑學(xué)跨學(xué)科專業(yè)教學(xué)團隊和項目平臺，實現(xiàn)以學(xué)生為主體的開放教學(xué)平臺和培養(yǎng)機制，形成“新工科+建筑學(xué)+多學(xué)科交融”的平臺模式，全面驅(qū)動人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新發(fā)展。

（3）校企合作，推進人才培養(yǎng)途徑優(yōu)化。建筑學(xué)院近3 年通過協(xié)同育人產(chǎn)學(xué)研積極融合，與多家科技企業(yè)建立了建筑類專業(yè)新技術(shù)教學(xué)應(yīng)用實踐基地。在此基礎(chǔ)上，項目將進一步探索多學(xué)科創(chuàng)新平臺長效運行機制，通過產(chǎn)教融合、協(xié)同育人等校企合作方式整合實訓(xùn)實踐資源，共建一批高水平的工程實踐創(chuàng)新教育基地。同時圍繞人才培養(yǎng)、科研創(chuàng)新、社會服務(wù)三個方面相互合作，推動教育鏈、人才鏈、知識鏈和產(chǎn)業(yè)鏈深度融合，形成具有良好示范和帶動效應(yīng)的產(chǎn)學(xué)研“多學(xué)科融合創(chuàng)新平臺”。

（4）虛擬現(xiàn)實與體驗式教學(xué)高效融合。面向多專業(yè)、多層次人才培養(yǎng)需求，突出以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)理念、結(jié)合虛擬現(xiàn)實新技術(shù)特點，與教學(xué)課程融合，通過創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)環(huán)節(jié)實現(xiàn)特色內(nèi)容構(gòu)建。全面試點虛擬現(xiàn)實體驗式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等全新的教學(xué)模式，持續(xù)改進實驗效果評價體系，快速提升學(xué)生綜合設(shè)計能力。

3 新工科下建筑類專業(yè)多學(xué)科融合創(chuàng)新平臺實踐

3.1 融合多學(xué)科、多平臺、多途徑的教學(xué)支撐體系

（1）多學(xué)科、多課堂。學(xué)院結(jié)合專業(yè)建設(shè)的總體思路，基于“多學(xué)科、多課堂”統(tǒng)籌跨學(xué)科教學(xué)團隊，多專業(yè)參與，多方面積極推進虛擬課程建設(shè)，帶動整體課程建設(shè)。構(gòu)建“設(shè)計認知+理論提升+實踐應(yīng)用”的多元化貫穿式的課程體系，創(chuàng)新拓展多方聯(lián)合的教學(xué)方法，體現(xiàn)多維關(guān)注視角、多方利益訴求、多元價值判斷。

（2）多實踐平臺。針對建筑學(xué)專業(yè)教學(xué)中存在的弊端、學(xué)校教學(xué)與市場需求脫節(jié)、跨學(xué)科學(xué)習(xí)環(huán)境缺乏等問題，創(chuàng)新平臺嘗試以“實踐教學(xué)體系+信息技術(shù)管理+學(xué)校社會聯(lián)動”的方式，通過資源有效整合、教學(xué)和科研有機結(jié)合、實驗成果向教學(xué)內(nèi)容有效轉(zhuǎn)化、雙創(chuàng)項目聯(lián)合發(fā)展等途徑、強化教學(xué)內(nèi)容方法的學(xué)習(xí)，實踐教學(xué)應(yīng)用價值。同時通過校企合作為學(xué)生建立多層次的實踐創(chuàng)新平臺，使學(xué)生在課堂之外擁有更廣闊的開放式課堂。①建立穩(wěn)定的校外實習(xí)基地，以保證實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的正常進行及實踐教學(xué)的質(zhì)量。②產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，讓學(xué)生參與到教師的科研課題中，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的實踐能力。③積極組織學(xué)生參加各種專業(yè)競賽，并定期在校內(nèi)舉辦相關(guān)學(xué)術(shù)競賽，營造校內(nèi)外學(xué)術(shù)與實踐氛圍。④結(jié)合專業(yè)課程到民族地區(qū)開展社會實踐和社會調(diào)研。

（3）多途徑。針對建筑學(xué)專業(yè)實踐性強的特點，引進一線工程師與校內(nèi)師資緊密結(jié)合形成教學(xué)團隊，拓展設(shè)計課程的教學(xué)手段與方法，及時了解行業(yè)動向，加強新技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，并引領(lǐng)學(xué)生及時了解和把握學(xué)科領(lǐng)域的前沿問題。此外，在畢業(yè)設(shè)計、專業(yè)課程設(shè)計中，邀請設(shè)計院的專家評圖，多途徑引入設(shè)計資源共同教學(xué)，建設(shè)多主體、多平臺、多途徑融合的協(xié)同育人機制。

3.2 以新工科為主導(dǎo)的建筑設(shè)計類人才培養(yǎng)

（1）開展以設(shè)計為核心的建筑類專業(yè)新工科建設(shè)。以設(shè)計為核心的建筑類專業(yè)新工科是以建筑學(xué)、城市規(guī)劃及風景園林專業(yè)為體系，同時專業(yè)延伸至環(huán)境設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計，形成當代包豪斯設(shè)計特質(zhì)的設(shè)計新工科大類。學(xué)院將開展的建筑類大類招生與教學(xué)，即在建筑學(xué)、城市規(guī)劃和風景園林專業(yè)新生入學(xué)的起始階段進行通識教學(xué)，到了高年級再根據(jù)學(xué)生個人的興趣劃分專業(yè)。這種做法將建筑設(shè)計類的專業(yè)打通，形成較好的設(shè)計類人才培養(yǎng)機制。

（2）強調(diào)多學(xué)科交叉融合的人才培養(yǎng)模式。以民族高校行業(yè)優(yōu)勢為特色的學(xué)科交叉體系，以“三強一實”（責任心強、專業(yè)素養(yǎng)強、動手能力強、工作作風踏實）為建筑類專業(yè)新工科辦學(xué)思想，打造具有“大設(shè)計觀”的創(chuàng)意工科教育模式，融合“通識教育”與“創(chuàng)新教育”的學(xué)科交叉模式，構(gòu)建多民族交融開放、富有特色的學(xué)科交叉教學(xué)體系，堅持產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的學(xué)科交叉應(yīng)用體系。

3.3 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的創(chuàng)新實踐平臺

（1）建設(shè)虛擬現(xiàn)實核心教學(xué)創(chuàng)新平臺。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)帶來的沉浸式交互體驗，配套一系教學(xué)功能模塊、表現(xiàn)模塊、交互模塊等，打造虛擬現(xiàn)實核心教學(xué)創(chuàng)新平臺，見圖3～6。

圖3 材質(zhì)編輯、表現(xiàn)

圖4 場景內(nèi)模型庫配景模型任意擺放

圖5 配有豐富信息的植物模型庫

圖6 動態(tài)物體運動軌跡自定義

（2）建設(shè)增強現(xiàn)實及無人機技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動實驗平臺。打造集無人機制式圖片人工智能識別、定點位置偏移軌跡計算智能建模、模型智能輸出、遠程照片/模型管理等功能為一體的無人機技術(shù)實驗系統(tǒng)，同時協(xié)同打造集制作與表現(xiàn)功能為一體的增強現(xiàn)實實驗系統(tǒng)。上述兩項，作為虛擬現(xiàn)實核心教學(xué)創(chuàng)新平臺的技術(shù)補充和新興技術(shù)應(yīng)用實踐科研方向，協(xié)同發(fā)展，見圖7、8。

圖7 無人機航拍建模

圖8 AR增強現(xiàn)實效果表現(xiàn)

（3）全流程數(shù)字設(shè)計實訓(xùn)課。借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，基于課程模塊，實現(xiàn)全流程虛擬數(shù)字設(shè)計實訓(xùn)課，實現(xiàn)提質(zhì)增效，強化專業(yè)綜合素質(zhì)的訓(xùn)練，見表1。

表1 全流程虛擬數(shù)字設(shè)計實訓(xùn)課重點模塊

（4）虛擬現(xiàn)實實驗教學(xué)資源庫。用虛擬現(xiàn)實與建筑教育相結(jié)合的方式，通過新軟件、新平臺的研發(fā)，形成有效的內(nèi)容制作、管理指導(dǎo)體系，自主制作教學(xué)資源。從課堂教學(xué)到畢業(yè)設(shè)計到學(xué)科競賽分階段構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”的OR系統(tǒng)，建設(shè)數(shù)字化的教學(xué)案例庫，強化系統(tǒng)的協(xié)同性和整合度。見圖表2。

表2 虛擬現(xiàn)實實驗教學(xué)資源庫

4 結(jié)語

基于虛擬現(xiàn)實的新工科建筑類專業(yè)多學(xué)科融合創(chuàng)新平臺，目前已得到學(xué)校的高度重視并開展研究與實踐。創(chuàng)新平臺結(jié)合校內(nèi)外學(xué)科實踐多元拓展，已完成“新工科理念下的建筑類專業(yè)多學(xué)科交叉融合人才培養(yǎng)模式構(gòu)建”“基于虛擬現(xiàn)技術(shù)及沉浸式體驗教學(xué)新模式的泛建筑設(shè)計新技術(shù)教學(xué)應(yīng)用實踐基地”“西南民族建筑BIM研究應(yīng)用基地”“四川藏羌傳統(tǒng)建筑數(shù)字建造實驗項目”等5 項教育部產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人項目，完成四川省省級虛擬仿真實驗教學(xué)項目1 項，“基于虛擬現(xiàn)實的新工科建筑類專業(yè)多學(xué)科融合創(chuàng)新平臺構(gòu)建”入選教育部第二批新工科研究與實踐項目，平臺組織大學(xué)生設(shè)計創(chuàng)新團隊，參加各類學(xué)科競賽及社會服務(wù)實踐活動，舉辦首屆“未建成”數(shù)字作品展，已完成相關(guān)教改科研項目多項，獲得國家省級獎項多項，積累了一定的研究成果和工作經(jīng)驗。此外學(xué)院通過產(chǎn)學(xué)研積極融合，成立區(qū)域聯(lián)盟中心，與多家企業(yè)建立建筑類專業(yè)新技術(shù)教學(xué)應(yīng)用實踐基地，優(yōu)化教學(xué)模式及人才培養(yǎng)方案，形成校企協(xié)同項目的持續(xù)良性發(fā)展。

通過虛擬現(xiàn)實的新工科建筑類專業(yè)多學(xué)科融合創(chuàng)新平臺構(gòu)建和實踐，強調(diào)多學(xué)科交叉融合。創(chuàng)新平臺融合虛擬現(xiàn)實與體驗式教學(xué)，突出體驗感知，延伸傳統(tǒng)教學(xué)，形成全新教學(xué)模式體系的創(chuàng)新應(yīng)用。同時，通過校企協(xié)同共享資源，推進人才培養(yǎng)途徑優(yōu)化，形成建筑學(xué)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。