高職建筑工程類虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)探索*

張同鈺（咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000）

隨著我國(guó)建筑業(yè)的市場(chǎng)化和建設(shè)信息化的迅猛發(fā)展，建筑工程行業(yè)對(duì)提高工作效率、降低錯(cuò)誤率、提高管理質(zhì)量和使用數(shù)字信息的要求越來(lái)越高，高職院校的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)手段都要與時(shí)俱進(jìn)，順應(yīng)信息時(shí)代中學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的獲取方式的變革，才能提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)造能力，達(dá)到信息技術(shù)與教學(xué)的深度結(jié)合。

1 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室建設(shè)的必要性

建筑工程技術(shù)傳統(tǒng)的建筑材料和儀器的實(shí)訓(xùn)教學(xué)室、實(shí)訓(xùn)場(chǎng)已經(jīng)不能滿足當(dāng)下學(xué)生的實(shí)訓(xùn)能力要求，引入虛擬仿真實(shí)訓(xùn)內(nèi)容可以幫助學(xué)生更好體驗(yàn)施工全生命周期，更形象直觀地掌握相關(guān)知識(shí)和技能。虛擬仿真技術(shù)的作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 沉浸感

虛擬仿真系統(tǒng)用其強(qiáng)大的創(chuàng)造性和模擬性，為學(xué)生營(yíng)造一種教學(xué)情景，使學(xué)生沉浸于教學(xué)之中，使理論具象化，易于理解。由于其獨(dú)特的沉浸式、實(shí)時(shí)性，在軍事模擬、先進(jìn)制造、城市規(guī)劃、地理信息系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)、天文等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。教學(xué)中對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，使其能夠突破時(shí)空的限制，實(shí)現(xiàn)虛擬教育與現(xiàn)實(shí)教育的有機(jī)統(tǒng)一。

1.2 交互感

教學(xué)中某些知識(shí)難以形象化展示、危險(xiǎn)系數(shù)高、設(shè)備實(shí)操難等教學(xué)內(nèi)容，傳統(tǒng)的輔助形象化、具體化的圖片、視頻展示因?yàn)樯倭私换バ裕槐阌趯W(xué)生理解記憶。采用虛擬仿真教學(xué)軟件，可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)還原創(chuàng)造許多不可見、難以實(shí)現(xiàn)的三維真實(shí)場(chǎng)景，學(xué)生進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)教育系統(tǒng)中進(jìn)行交互實(shí)訓(xùn)，通過(guò)每一步操作的實(shí)時(shí)反饋，在互動(dòng)中使教學(xué)知識(shí)更全面，將隱蔽工程內(nèi)容直觀顯示，全方位立體展示建筑工程的生產(chǎn)流程。

1.3 真實(shí)感

教育本身就是一種信息與知識(shí)的傳播。傳統(tǒng)的授課方式，則是依靠教師的口授、文字、圖片，在知識(shí)傳輸?shù)倪^(guò)程中，會(huì)有一定程度的遺失。通過(guò)使用虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以真正地置身于所創(chuàng)造的三維虛擬世界中，通過(guò)與虛擬環(huán)境的交互作用，利用自己的感知和認(rèn)知能力，全面地獲得各種空間和邏輯信息。這種立體的、全方位的體驗(yàn)感，使得知識(shí)可以通過(guò)自身的途徑進(jìn)行傳遞，并將其原始形態(tài)保存到最大程度。虛擬仿真軟件可以一定程度地承擔(dān)教師講授的工作和任務(wù)，使學(xué)生與知識(shí)技能較為直接接觸，減少教師在教授過(guò)程中自身的水平參差產(chǎn)生傳遞遺失的問(wèn)題。

1.4 數(shù)字感

在5G時(shí)代，數(shù)字化是信息科學(xué)與生命科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為手段，在多層面上對(duì)人體的形體和機(jī)能進(jìn)行虛擬仿真。該系統(tǒng)由視覺人體、物理人體、生理人體和智能人體四個(gè)不同的發(fā)展階段構(gòu)成，并通過(guò)建立多學(xué)科、多層次的數(shù)學(xué)模型，由微觀到宏觀的精密仿真。虛擬仿真為人們?cè)诮逃械膽?yīng)用提供了一種可行的途徑。數(shù)字化教學(xué)能夠打破時(shí)空的局限，更好地參與到教育和教學(xué)中，更好地運(yùn)用教育資源，達(dá)到教育目的。

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)以其沉浸性、交互性、真實(shí)性和可重復(fù)性等特征，為教學(xué)改革提供了新途徑。使用虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)能使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中進(jìn)行安全、經(jīng)濟(jì)、反復(fù)的模擬實(shí)習(xí)，有效地提高了課堂教學(xué)的效率和質(zhì)量。因此，加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室建設(shè)是當(dāng)務(wù)之急。

2 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室建設(shè)理念

土木工程類專業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室建設(shè)要能有效地提高土木類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)效果和強(qiáng)化學(xué)生的工程素質(zhì)培養(yǎng)，圍繞實(shí)踐教學(xué)體系，堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的理念，利用虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體等技術(shù)，完成教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真平臺(tái)和校內(nèi)外實(shí)踐教學(xué)基地的相互補(bǔ)充、相互支持。

由于各高校的經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地、支持力度的不同，所建設(shè)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室大大小小諸多的問(wèn)題逐步暴露出來(lái)。

2.1 智能性不足

虛擬仿真系統(tǒng)各不相同，有些企業(yè)的產(chǎn)品較為低劣，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)批改和智能指導(dǎo)；實(shí)驗(yàn)成績(jī)難統(tǒng)計(jì)，實(shí)驗(yàn)效果難評(píng)估，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難匯總，所謂智能化的軟件只是徒有空殼，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過(guò)程中教師甚至也無(wú)法全程監(jiān)察和督管，導(dǎo)致學(xué)生在上實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程中肆意妄為不受限制，達(dá)不到虛擬仿真教學(xué)的效果。

2.2 擬真性不足

現(xiàn)階段市面上用于教學(xué)的虛擬仿真軟件質(zhì)量參差不齊，部分軟件缺乏專業(yè)性，有的建模粗糙，仿真模型與實(shí)際情況有較大的出入；有些則是工藝流程落后，沒有執(zhí)行行業(yè)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)；甚至還有些沒有缺乏業(yè)內(nèi)專家的指導(dǎo)，展示出來(lái)的效果與實(shí)際南轅北轍。這種結(jié)果不但無(wú)法教學(xué)，甚至?xí)`導(dǎo)學(xué)生對(duì)現(xiàn)實(shí)情況的認(rèn)知，實(shí)在是非常不可取。

2.3 開放性不足

教學(xué)資源和實(shí)驗(yàn)室資源無(wú)法對(duì)校內(nèi)或校外開放共享，部分虛擬仿真系統(tǒng)硬件配置低，智能硬件與管理系統(tǒng)無(wú)法對(duì)接，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室、儀器設(shè)備等利用率低，難以形成附加效益。

2.4 管理混亂

學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)缺乏頂層設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)室缺乏統(tǒng)一管理，運(yùn)行情況無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作覆蓋廣、參與人員多、協(xié)調(diào)管理難，軟硬件設(shè)備監(jiān)管難度大，信息化管理水平低，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手工排課方式異常艱難。無(wú)法同時(shí)管理現(xiàn)實(shí)和虛擬實(shí)訓(xùn)，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)中心與實(shí)訓(xùn)教學(xué)中心無(wú)法同時(shí)管理。

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室在建設(shè)之初就應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到，這不僅僅是購(gòu)買一些計(jì)算機(jī)加一套仿真軟件這么簡(jiǎn)單，要立足長(zhǎng)遠(yuǎn)，該實(shí)訓(xùn)室應(yīng)代表的是專業(yè)的尖端技術(shù)和未來(lái)發(fā)展。因此，建筑虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室建設(shè)應(yīng)以建筑原理、建筑設(shè)備以及典型建筑生產(chǎn)施工流程仿真為核心，使之成為建筑工程技術(shù)、工程管理、工程測(cè)量等專業(yè)技術(shù)人才的實(shí)踐能力教育平臺(tái)；通過(guò)構(gòu)建一套完整的實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理體系，將進(jìn)一步構(gòu)建具有擴(kuò)展、兼容性、前瞻性的實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理與共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)創(chuàng)新人才的現(xiàn)代化實(shí)踐教學(xué)基地、教師教學(xué)改革與探索的基地、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)示范基地以及教學(xué)成果培育基地，為創(chuàng)新型人才提供現(xiàn)代化的實(shí)踐教學(xué)基地、教師教學(xué)改革和探索基地、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)示范基地以及教學(xué)成果培育基地。

3 VR技術(shù)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室的硬件建設(shè)

傳統(tǒng)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室都是在普通多媒體教室里，學(xué)生們只能在電腦上進(jìn)行模擬實(shí)訓(xùn)，而不能讓人產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。特別是建筑工程技術(shù)需要臨場(chǎng)感的實(shí)訓(xùn)沒有逼真的體驗(yàn)感，不能很好地激發(fā)起學(xué)習(xí)者的興趣。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，以VR技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬仿真試驗(yàn)中心的構(gòu)建方案被廣泛采用。學(xué)生可以充分地沉浸于虛擬的環(huán)境中，在虛擬的三維空間內(nèi)進(jìn)行互動(dòng)，并利用大尺寸屏幕進(jìn)行演示，從而大幅度提高虛擬仿真的模擬性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這種VR技術(shù)的虛擬仿真更加注重使用者的沉浸感，提供更好的臨場(chǎng)感，使學(xué)生如同置身另一世界，為學(xué)生感官上認(rèn)知操作環(huán)境提供幫助。同時(shí)，為使用者提供形象的交互體驗(yàn)，通過(guò)交互設(shè)備模擬現(xiàn)實(shí)中的操作，使學(xué)生實(shí)際操作水平得到有效提升。這種技術(shù)可以為學(xué)生提供更深層次的理性認(rèn)識(shí)，彌補(bǔ)書本或平面資料在三維空間中的認(rèn)知不足，激發(fā)學(xué)生更多的想象力與創(chuàng)造力。

現(xiàn)階段的虛擬仿真教學(xué)首先使用者需要利用頭戴式可視設(shè)備(HMD)才可充分融入虛擬世界，在其中進(jìn)行互動(dòng)教學(xué)，并通過(guò)大屏幕進(jìn)行演示，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作者的實(shí)時(shí)操作。因此，還需要建設(shè)操作工位，使學(xué)生進(jìn)行模擬工作練習(xí)和鞏固。該方案主要有沉浸系統(tǒng)、交互系統(tǒng)、運(yùn)算系統(tǒng)、位置追蹤系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、實(shí)訓(xùn)工位等組成。

（1）沉浸系統(tǒng)。操作者既可通過(guò)頭盔顯示系統(tǒng)獲得完全的沉浸感，通過(guò)大屏幕顯示系統(tǒng)又可滿足大量旁觀者的觀看需求。沉浸系統(tǒng)主要包含頭戴式顯示設(shè)備、主動(dòng)立體投影機(jī)、投影屏幕、邊緣融合器、音響設(shè)備等。

（2）交互系統(tǒng)。操作者通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備的操作，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行交互，模擬真實(shí)操作中與設(shè)備的真實(shí)互動(dòng)。

（3）位置追蹤系統(tǒng)。頭盔式位置追蹤系統(tǒng)作為系統(tǒng)的輔助，為顯示系統(tǒng)和交互系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)定位信息，使操作者的觀察位置和手部動(dòng)作與畫面顯示內(nèi)容完全同步。通常與操控手柄、數(shù)據(jù)手套、全身動(dòng)作捕捉設(shè)備結(jié)合使用。

（4）軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)主要包括開放式虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理平臺(tái)及虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程資源，可根據(jù)教學(xué)需求靈活定制開發(fā)各種課程仿真資源，并很好融合現(xiàn)實(shí)到上述相關(guān)設(shè)備中。

（5）實(shí)訓(xùn)工位。滿足一個(gè)班級(jí)多個(gè)學(xué)生同時(shí)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)訓(xùn)練習(xí)。包含高性能計(jì)算機(jī)、顯示器(立體非立體）、鍵盤鼠標(biāo)(或其他交互設(shè)備)等。

完成整個(gè)虛擬仿真系統(tǒng)的建設(shè)，還要依照實(shí)際需求進(jìn)行專業(yè)設(shè)計(jì)，通過(guò)靈活的軟件硬件搭配來(lái)滿足各個(gè)專業(yè)的不同需求。整套硬件系統(tǒng)在建設(shè)時(shí)要注意適用性，應(yīng)支持目前各類主流虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)，滿足不同虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的軟件顯示與操作交互，還要有一定的可拓展性，在現(xiàn)有硬件環(huán)境中添加各類虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備，以支持未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)的升級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

建筑類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心通過(guò)虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)推廣，豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，利用更形象、直觀的教學(xué)手段進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，增強(qiáng)了教學(xué)效果；增加了實(shí)踐教學(xué)手段，通過(guò)三維虛擬現(xiàn)實(shí)的動(dòng)畫演示、手工操作，增強(qiáng)了教學(xué)過(guò)程的真實(shí)性，引導(dǎo)學(xué)生能夠親自參與各種實(shí)踐環(huán)節(jié)；實(shí)現(xiàn)了高危險(xiǎn)、高成本、高消耗實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的現(xiàn)場(chǎng)化。

通過(guò)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源的大范圍共享，可供本校全校學(xué)生共享和部分校際共享。使學(xué)生有了更好的實(shí)踐體驗(yàn)機(jī)會(huì)，增強(qiáng)了教學(xué)效果，提升了學(xué)生的操作能力，是培養(yǎng)學(xué)生從事建筑施工技術(shù)與施工活動(dòng)管理等工作的高素質(zhì)技術(shù)技能人才的體現(xiàn)。