基于BIM+VR的師范生沉浸式仿真課堂構(gòu)建

張慧鑫 何汪洋

*項(xiàng)目來(lái)源：成都師范學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目（CS22XMPY0107）；四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（S202214389167）。

作者簡(jiǎn)介：張慧鑫，講師；何汪洋，成都師范學(xué)院物理與工程技術(shù)學(xué)院本科生。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.10.026

摘? 要? 隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和建筑信息模型（BIM）技術(shù)逐漸應(yīng)用于教育領(lǐng)域?；贐IM+VR技術(shù)的師范生沉浸式仿真課堂是一種新型教學(xué)模式，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度，進(jìn)而增強(qiáng)教學(xué)效果。通過(guò)調(diào)研成都師范學(xué)院師范生在教資免試背景下的課堂現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)存在教學(xué)方法陳舊、教學(xué)資源有限、缺少仿真課堂或現(xiàn)有仿真課堂交互性差等問(wèn)題。以Revit和Unity為載體，創(chuàng)建具有高交互性的教學(xué)虛擬環(huán)境，為師范生構(gòu)建沉浸式交互性虛擬仿真課堂，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了教學(xué)效率，教學(xué)效果反饋良好。

關(guān)鍵詞? BIM；VR；沉浸式仿真課堂；師范生

中圖分類號(hào)：G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）10-0026-05

0? 引言

2010—2022年國(guó)家出臺(tái)近20項(xiàng)虛擬教學(xué)相關(guān)政策，支持和規(guī)范虛擬教學(xué)在教育中的應(yīng)用，推動(dòng)我國(guó)虛擬教學(xué)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和建筑信息模型（BIM）技術(shù)逐漸應(yīng)用于教育領(lǐng)域。VR技術(shù)作為新型的交互式技術(shù)，日益受到教育界的關(guān)注。沉浸式VR技術(shù)能夠提供真實(shí)場(chǎng)景下的模擬體驗(yàn)，可以直觀地傳遞教育內(nèi)容和知識(shí)，取得良好的教學(xué)效果。例如，高校借助VR技術(shù)打造新型微格實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生能夠身臨其境地參與高仿真教學(xué)活動(dòng)，從而提高訓(xùn)練效果[1]。然而大多數(shù)的虛擬體驗(yàn)存在交互性差的缺點(diǎn)，學(xué)生無(wú)法與場(chǎng)景中的物體進(jìn)行互動(dòng)，從而使虛擬場(chǎng)景與課堂教學(xué)間有割裂感。

本文提出一種基于BIM+VR技術(shù)構(gòu)建的師范生沉浸式仿真課堂，采用真實(shí)精細(xì)化BIM模型和沉浸式的VR技術(shù)，只需要建筑圖紙和手機(jī)拍攝的環(huán)境照片便可將真實(shí)環(huán)境構(gòu)建成虛擬場(chǎng)景，在VR設(shè)備的輔助下，場(chǎng)景交互性更強(qiáng)，使之可以與課堂內(nèi)容相結(jié)合。這種課堂教學(xué)能夠讓師范生獲得更加豐富的實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析能力，更好地滿足未來(lái)高校教育的發(fā)展需求。

1? 教資免試背景下師范生課堂現(xiàn)狀

2022年，教育部發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)師范生免試認(rèn)定中小學(xué)教師資格改革的通知》，免試認(rèn)定對(duì)于地方應(yīng)用型本科高校的師范生而言是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。在教資免試政策背景下，師范生的教育水平和教育實(shí)踐能力面臨著巨大的挑戰(zhàn)。師范專業(yè)能夠完成整個(gè)認(rèn)定工作，并且能夠接受教育部專家的檢查評(píng)估，是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工程，需要不斷地推進(jìn)師范專業(yè)的教育教學(xué)質(zhì)量，不斷地提升師范生人才培養(yǎng)水平[2]。在這個(gè)要求下，師范生要具備的教師素質(zhì)一般包括語(yǔ)言技術(shù)、板書(shū)技術(shù)、教學(xué)內(nèi)容處理、教學(xué)方法綜合應(yīng)用及課堂管理組織等方面[3]。

對(duì)學(xué)校13個(gè)學(xué)院2020—2023級(jí)師范專業(yè)隨機(jī)選擇300名學(xué)生做了針對(duì)目前師范生課堂存在的問(wèn)題的調(diào)查問(wèn)卷，回收問(wèn)卷267份，有效問(wèn)卷253份。通過(guò)問(wèn)卷了解到師范生課堂的一些現(xiàn)狀：一是傳統(tǒng)的教學(xué)方法陳舊，無(wú)法激發(fā)學(xué)生興趣；二是受實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源限制，操作性學(xué)習(xí)不足；三是課本資源單一，不能滿足學(xué)生課堂需要；四是應(yīng)試化教學(xué)，沒(méi)有足夠能力應(yīng)對(duì)真實(shí)課堂需要。

教學(xué)方法陳舊是師范生課堂中的重要問(wèn)題。傳統(tǒng)的教學(xué)方法已經(jīng)難以滿足學(xué)生的需求，需要教師不斷探索和創(chuàng)新教學(xué)方法。然而，在師范生的課堂中，教師可能沒(méi)有足夠的教學(xué)資源和支持，難以進(jìn)行教學(xué)方法的創(chuàng)新和實(shí)踐，這就需要更新和改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化和整合教學(xué)資源，提高教學(xué)效果，適應(yīng)教育領(lǐng)域的不斷發(fā)展和變化。

2? BIM+VR技術(shù)在師范生教育中的應(yīng)用

BIM技術(shù)是一種基于數(shù)字化建模的技術(shù)，可以對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備、管道系統(tǒng)等進(jìn)行模擬。BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)等方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在教育領(lǐng)域，付靜[4]建立了蘊(yùn)含BIM技術(shù)的特色課程體系，幫助學(xué)生更好地理解建筑物的結(jié)構(gòu)和功能，提高學(xué)習(xí)效率；謝婷玲[5]將VR技術(shù)用于模擬訓(xùn)練、教學(xué)演示和虛擬實(shí)驗(yàn)室等方面。本設(shè)計(jì)利用BIM技術(shù)對(duì)教學(xué)場(chǎng)所的環(huán)境進(jìn)行模擬，包括教室結(jié)構(gòu)、設(shè)備布置、學(xué)生分布等。

VR技術(shù)是一種通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備模擬真實(shí)場(chǎng)景的技術(shù)，可以讓學(xué)生身臨其境地體驗(yàn)不同的場(chǎng)景，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度?；赩R技術(shù)的沉浸式仿真課堂已經(jīng)在一些高校得到應(yīng)用。例如：某高校探索基于VR技術(shù)的情境創(chuàng)設(shè)，提高師范生情境創(chuàng)設(shè)能力，開(kāi)展“VR+學(xué)科”教學(xué)融合，促進(jìn)師范生多感官參與，開(kāi)展“VR+”實(shí)驗(yàn)教學(xué)，增強(qiáng)師范

生實(shí)驗(yàn)操作能力[6]。

目前，將BIM與VR技術(shù)相結(jié)合的案例在教育領(lǐng)域還比較少，兩者相結(jié)合將為發(fā)展帶來(lái)更多新的體驗(yàn)，基于BIM+VR技術(shù)的師范生沉浸式仿真課堂可以模擬真實(shí)的教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)生借助VR設(shè)備就如同在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。

在師范生教育中，基于BIM+VR技術(shù)的沉浸式仿真課堂可以用于教學(xué)實(shí)踐、教學(xué)演示和教學(xué)評(píng)估等方面。在教學(xué)實(shí)踐方面，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，模擬真實(shí)的教學(xué)情境，提高教學(xué)能力。在教學(xué)演示方面，教師可以通過(guò)BIM技術(shù)進(jìn)行教學(xué)場(chǎng)所的模擬，通過(guò)VR技術(shù)進(jìn)行教學(xué)演示，增強(qiáng)教學(xué)效果。在教學(xué)評(píng)估方面，教師可以通過(guò)BIM+VR技術(shù)對(duì)學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行評(píng)估，提高教學(xué)評(píng)估的準(zhǔn)確性和客觀性。

3? 師范生沉浸式仿真課堂設(shè)計(jì)

3.1? 軟硬件設(shè)施

常見(jiàn)的BIM建模軟件有SketchUp、Rhino、Revit等。Revit建模軟件簡(jiǎn)單易用、功能強(qiáng)大，可以滿足用戶在建筑全生命周期創(chuàng)建模型的不同需求，最大的特點(diǎn)是參數(shù)化設(shè)計(jì)能力較強(qiáng)。本設(shè)計(jì)使用Revit建模軟件創(chuàng)建精細(xì)化建筑三維模型。主流的VR設(shè)計(jì)軟件有Unreal和Unity，二者都允許用戶輕松創(chuàng)建交互式內(nèi)容，如游戲、3D動(dòng)畫(huà)、技術(shù)可視化和其他綜合開(kāi)發(fā)工具，提供一個(gè)強(qiáng)大的可視化編輯器和一個(gè)豐富的操作界面。本設(shè)計(jì)采用的是Unity對(duì)教室場(chǎng)景進(jìn)行布置與交互設(shè)計(jì)。

VR設(shè)備可以分為主機(jī)式、移動(dòng)式、一體式：主機(jī)式VR設(shè)備處理器性能高、交互體驗(yàn)感強(qiáng)[7]；作為移動(dòng)端設(shè)備手機(jī)VR眼鏡是體驗(yàn)VR入門級(jí)的產(chǎn)品，具有價(jià)格便宜、便攜程度高的特點(diǎn)；一體式VR設(shè)備結(jié)合了主機(jī)式VR設(shè)備與移動(dòng)端VR設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，具有便攜、高性能、高交互、低成本等特點(diǎn)，比較有代表性的有大朋M2VR一體機(jī)、博思尼的X1。設(shè)計(jì)中采用一體式VR設(shè)備帶給使用者高交互性的體驗(yàn)。表1為不同VR設(shè)備對(duì)比，圖1為一體式VR設(shè)備。

3.2? 課堂構(gòu)建

要實(shí)現(xiàn)整個(gè)仿真課堂的構(gòu)建，首先需要采集教室模型信息。通過(guò)已有某教學(xué)樓的施工圖紙，使用Revit軟件建立教室BIM。對(duì)建筑物的外形輪廓、部分細(xì)節(jié)進(jìn)行拍照，收集不同角度的清晰照片，后期對(duì)照片進(jìn)行剪裁、校正等數(shù)據(jù)處理，形成貼圖

庫(kù)[8]，對(duì)BIM進(jìn)行紋理映射處理，完成真實(shí)場(chǎng)景的精細(xì)化建模。在交互設(shè)計(jì)上通過(guò)Unity實(shí)現(xiàn)師范生在教室中會(huì)涉及的交互效果，如講課、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等。最后在VR平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)師范生沉浸式課堂體驗(yàn)。具體構(gòu)建流程如圖2所示。

3.3? 課堂設(shè)計(jì)

當(dāng)沉浸式仿真課堂構(gòu)建完成后，師范生選擇需要呈現(xiàn)的虛擬課堂場(chǎng)景，包括理論課堂、實(shí)踐課堂、應(yīng)急課堂等，針對(duì)理論與實(shí)踐相結(jié)合的課堂也可以進(jìn)行選擇。沉浸式仿真課堂解決了傳統(tǒng)教學(xué)方法陳舊的問(wèn)題，實(shí)踐課堂緩解了師范生受實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源限制、操作性學(xué)習(xí)不足的問(wèn)題，應(yīng)急課堂提高了師范生對(duì)環(huán)境的認(rèn)知和應(yīng)對(duì)能力。當(dāng)仿真模擬課堂教學(xué)完成后，師范生還可以回顧自己的教學(xué)過(guò)程進(jìn)行教學(xué)反思，并且修改自己的教學(xué)方案再次進(jìn)行模擬教學(xué)，直至達(dá)到自己滿意的效果。師范生沉浸式仿真課堂教學(xué)流程如圖3所示。

4? 基于BIM+VR技術(shù)的師范生沉浸式仿真課堂

實(shí)踐

BIM與VR技術(shù)的結(jié)合突破了空間上的限制，實(shí)現(xiàn)了師范生沉浸式理論課堂、實(shí)踐教學(xué)課堂、課堂應(yīng)急場(chǎng)景的仿真課堂模擬，還可以實(shí)現(xiàn)師范生測(cè)評(píng)試講課、模擬會(huì)議、面試等沉浸式模擬。將真實(shí)場(chǎng)景帶入虛擬現(xiàn)實(shí)，有更多的實(shí)用價(jià)值有待去發(fā)掘。

4.1? 理論課堂交互設(shè)計(jì)

學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，模擬真實(shí)的教學(xué)情境教室讓他們沉浸式體驗(yàn)VR課堂，感受虛擬教學(xué)中教師和學(xué)生的狀態(tài)，提高教學(xué)能力。對(duì)比真實(shí)的教室課堂場(chǎng)景，BIM+VR技術(shù)所模擬的仿真課堂可以實(shí)現(xiàn)自定義課堂內(nèi)容教學(xué)、教學(xué)內(nèi)容立體化、教學(xué)能力評(píng)估等豐富內(nèi)容，在理論課堂設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)許多基礎(chǔ)性的交互，通過(guò)許多基礎(chǔ)性的交互結(jié)合，最終呈現(xiàn)給使用者的是一套完整的課堂體驗(yàn)。表2為一些交互的展示。

4.2? 實(shí)踐教學(xué)交互實(shí)現(xiàn)

以物理課堂實(shí)驗(yàn)為例，本設(shè)計(jì)通過(guò)Revit和Unity軟件完成牛頓第一定律實(shí)驗(yàn)。在傳統(tǒng)課堂上，實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)是沒(méi)有表面絕對(duì)光滑的表面的，因此，無(wú)法探究小球在沒(méi)有摩擦力時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，只能通過(guò)逐步減小水平面的粗糙程度進(jìn)一步推理得到小車不受摩擦力時(shí)會(huì)怎樣運(yùn)動(dòng)。師范生在虛擬實(shí)踐教學(xué)課堂中不僅可以逐步減小表面粗糙程度，改變小球受到的阻力，逐步推導(dǎo)沒(méi)有水平摩擦力時(shí)小球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也可以直接將水平摩擦力修改為0，直觀地看出小球在沒(méi)有受到水平摩擦力時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。完成實(shí)驗(yàn)后窗口彈出提示內(nèi)容，顯示實(shí)驗(yàn)所應(yīng)用的原理：一切物體在沒(méi)有受到力的作用時(shí)，總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的相互結(jié)合。圖4為實(shí)驗(yàn)操作，圖5為理論知識(shí)彈窗。

4.3? 課堂應(yīng)急場(chǎng)景

BIM+VR技術(shù)為安全教育帶來(lái)新的模式，可以在事故還原、災(zāi)難體驗(yàn)等安全教育場(chǎng)景中提供真實(shí)的體驗(yàn)，一些在現(xiàn)實(shí)生活中因?yàn)樵O(shè)備、場(chǎng)地等因素?zé)o法進(jìn)行的教育培訓(xùn)場(chǎng)景也能輕松進(jìn)行，如火災(zāi)逃生演練。該設(shè)計(jì)通過(guò)粒子源系統(tǒng)完成自動(dòng)滅火噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，運(yùn)用Pathfinder軟件模擬緊急情況逃生設(shè)計(jì)，結(jié)合BIM技術(shù)和VR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)樓火災(zāi)模擬、制定逃生路徑以及實(shí)況化逃生成果。師范生可以了解火災(zāi)發(fā)生的原因、種類和如何預(yù)防火災(zāi)等基本知識(shí)，學(xué)會(huì)正確使用滅火器材和疏散逃生等技能，保護(hù)自己和學(xué)生的安全；還可以提高對(duì)危險(xiǎn)環(huán)境的認(rèn)知和應(yīng)對(duì)能力，增強(qiáng)溝通、協(xié)調(diào)、領(lǐng)導(dǎo)和組織能力，為今后成為優(yōu)秀教師打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對(duì)比傳統(tǒng)的火災(zāi)演練，BIM+VR技術(shù)所模擬的火災(zāi)逃生場(chǎng)景可以自定義火源點(diǎn)、火災(zāi)類型、火焰擴(kuò)散方式和方向，大大減少火災(zāi)模擬的成本。表3為火災(zāi)逃生模擬實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

5? 結(jié)論

本文提出運(yùn)用BIM+VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)具有高交互性的空間模擬，打破虛擬與現(xiàn)實(shí)之間的限制，結(jié)合BIM技術(shù)的三維建模能力，能夠準(zhǔn)確地模擬建筑物的結(jié)構(gòu)和功能，方便用戶進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)。

此外，BIM+VR技術(shù)的集成避免了實(shí)物模型帶來(lái)的成本和時(shí)間延誤，從而幫助設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)高效的建模和構(gòu)造，減少工作量?；贐IM+VR技術(shù)的師范生沉浸式仿真課堂是一種新型的教學(xué)模式，本文將這兩種技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)部分教學(xué)交互，BIM和VR技術(shù)的集成給用戶帶來(lái)身臨其境的體驗(yàn)，這種體驗(yàn)無(wú)法僅依靠單一技術(shù)實(shí)現(xiàn)，需要這兩種技術(shù)相互融合和相互補(bǔ)充，以突破各自的局限性并彌補(bǔ)彼此的不足。未來(lái)，隨著教育技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM+VR技術(shù)將會(huì)在教育領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效率，增強(qiáng)教學(xué)效果，為教育事業(yè)的發(fā)展注入新的活力。

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