基于模块化的虚拟仿真实验室建设

殷复鹏，邓晓红，张 雷

（山东建筑大学 管理工程学院，山东 济南 250101）

近年来，伴随着虚拟仿真技术的进步，虚拟仿真实验教学发展迅速，已成为课堂教学和传统实验教学改革的重要手段之一[1]。这种教学方式在环境复杂、操作不可逆、危险性高、成本消耗大的大型或综合实验教学中具有明显的优势。许多院校都在规划或建设具有学科特色的虚拟仿真实验室，以实现传统实验室不具备的教学和实验功能，培养学生实际操作能力和创新发展意识。一些学者针对不同领域或专业的虚拟仿真实验教学问题进行了研究，如吴涓等针对机电类专业特点，构建了多层次、模块化的虚拟仿真课程体系[2]；马文顶等对采矿工程虚拟仿真实验教学平台进行了研究[3]；朱胜雪等针对交通运输虚拟仿真实验教学平台相关建设经验进行了探讨[4]；王勇等针对经管类专业，提出了专业集群虚拟仿真实验教学平台架构[5]。这些研究为虚拟仿真实验教学体系的构建及实验室的建设积累了大量的经验，然而由于虚拟仿真实验教学理念发生的重大转变，实验模式、实验手段都发生了深刻的变革，虚拟仿真实验室建设过程中，往往存在诸如实验平台单一、资源共享率低、可扩展性差等问题[6-10]，大部分院校存在重投资、轻维持的情况，缺少顶层规划，灵活性差[11]。

工程管理是一个综合性强、实践性强的学科，实践教学是其重要的教学环节，对建设工程项目全过程进行模拟与仿真是工程管理专业实验的重要特点[12-13]，基于建筑信息模型（building information modeling，简称BIM）和虚拟仿真技术，建立工程管理实验教学或仿真实训平台，已成为工程管理专业实验室建设的主要方向之一[14-16]。当前工程管理专业虚拟仿真实验室在建设过程中也存在规划不足，平台不完善等问题[17]。

虚拟仿真实验室不仅是进行实验教学的重要场所，也是培养学生创新思维和操作能力的重要场所。对实验室进行合理的规划，发挥实验室在实验教学和科研等方面的优势，提高实验教学仿真资源的共享和使用效率，是实现虚拟仿真实验室可持续发展的重要举措。本文以山东建筑大学国家级建筑工程管理虚拟仿真实验教学中心建设为基础，结合建筑工程管理类专业建设以及实验教学改革的需要，研究基于模块化理念的虚拟仿真实验室建设问题。

1 虚拟仿真实验室建设总体规划

1.1 建设目标

山东建筑大学建筑工程管理虚拟仿真实验室，于2014 年获批国家级虚拟仿真实验教学中心。多年来，实验室在建设过程中，形成了具有专业特色的建设目标，即建设“面向建设工程领域，突出数字化、网络化特色，服务于教学、科研和社会的开放、共享、可持续的综合实践平台”。虚拟仿真实验教学中心建设内容包括方法、资源和应用三个方面（见图1）。虚拟仿真实验中心的建设依托专业教学团队、科研院所和合作企业，基于教学需求构建实验体系，从工程项目实践中获取实验案例，以建设项目全生命周期为主线，应用于校内外工程管理相关专业实践教学和企业培训等方面，实现多专业、跨地区、多层次的资源共享。

图1 虚拟仿真实验教学中心建设内容

1.2 建设思路

虚拟仿真实验教学中心的建设坚持“总体规划，分步实施，资源共享，持续发展”的指导思想，遵循适应性、可扩展性、共享性、可持续性和共建共享的基本原则，秉承“立足创新人才培养、面向建筑产业现代化、依托产学研深度融合、覆盖建设项目全寿命、实现资源高度共享”的建设思路。既要适应当前虚拟仿真实验室建设要求，又要考虑长远发展，便于实验模块、实验手段、实验方法等方面的扩展和软硬件的后续开发；既要构建统一的虚拟仿真平台，又要区分不同专业特色，能够基于平台构建多种专业实验室和科研实验室；既要坚持根据学科特点建设，又要构建校企、校校合作接口，促使企业、其他高校参与建设，实现共建共享。

2 基于模块化的虚拟仿真实验室建设

2.1 基本架构

虚拟仿真实验教学中心从教学资源、共享平台、人员构成、管理体系等4 个方面着手建设，4 个方面缺一不可，基于模块化的虚拟仿真实验室基本架构如图2 所示。该实验室架构由综合管理平台、实验室运行管理体系、人才队伍及实验室资源等部分构成。其中基于互联网的综合管理平台支持实验设计和管理、在线自主学习和实验、教学资源上传下载及手机电脑等多种终端，是虚拟仿真实验教学中心门户网站和共享平台。实验室人才队伍由多学科、多专业教师组成，并引入建筑企业、软件公司等科研人员参与。实验室运行管理体系是虚拟仿真实验合理组织的制度保障和管理规范。虚拟仿真实验室建设的最终目的是实现为教学、科研和社会服务提供良好的支撑。

2.2 资源模块构成

建筑工程管理虚拟仿真实验室资源由仿真平台、仿真实验室、实验课程构建平台三个维度构成，每一个维度都是按照模块化设计的思路，由相应的模块构成。

2.2.1 仿真平台

仿真平台是支撑实验教学、科研、社会服务的综合平台，按照功能模块可以划分为建筑工程BIM 平台、建筑工程智慧建造平台、建筑工程虚拟仿真平台、虚拟仿真资源开发平台等。建筑工程BIM 平台是进行BIM 相关理论教学、软件操作的基础，该平台以多专业、多角色、多单位协同运用为特色，实现建筑工程管理全寿命的仿真模拟。建筑工程智慧建造平台基于物联网技术，采用虚实结合的方式实现建筑工程全过程的动态展示，能够实现实体模型与虚拟仿真模型的联动，有利于教师对专业知识的讲解和学生对知识的理解。虚拟仿真平台采用VR/AR、增强现实等技术，使参与者沉浸到三维动态视景环境中，创建和体验建筑施工全过程，并能够通过眼睛、手势或其他人体行为动作，实现人机交互操作，展示施工过程中的质量、进度、成本等相关信息，让学生通过虚拟环境体验现实施工现场，增强对现场的认识。资源开发平台从教学、科研与社会服务等多方面需要出发，帮助师生构建建筑BIM 模型，将其作为毕业设计、课程设计的资源，并从成本管理、进度管理、安全管理、工程现场布置等方面，将BIM 模型转换为能够在虚拟环境中模拟的虚拟仿真资源，用于教学和科研。

图2 基于模块化的虚拟仿真实验室基本架构

仿真平台是构建专业实验室的基础，基于此可以构建不同专业不同需求的实验室，并根据专业教学内容，设计实验项目或实验课程。根据虚拟仿真技术的发展，以及教学、科研、企业等对虚拟仿真的需求，采用模块化的思想，可构建其他类型的仿真平台。

2.2.2 仿真实验室

仿真实验室是根据专业特色，在仿真平台基础之上，通过配置相应的其他软硬件资源构成的用于教学和科研的实验室。根据其主要用途分为教学型仿真实验室和科研型仿真实验室。教学型仿真实验室主要用于学生教学，根据功能不同可分为BIM 综合实训室、沙盘模拟实训室、案例研讨室、工作算量坊等。科研型仿真实验室主要为广大师生科研服务，如BIM 建模研究实验室、智慧建造实验室、智慧国土模拟仿真实验室、建筑工业化实验室等。仿真实验室根据学科发展要求或科研方向的动态变化而动态增减。仿真实验室为BIM 和虚拟仿真相关理论教学、BIM 和虚拟仿真系统实际操作、技术培训、各种大赛、各类考试、学生创新开放实验等教学和服务提供了重要场所，是教学改革的示范窗口。

2.2.3 实验课程构建平台

实验课程构建平台是根据教学内容及教学方式的改革需要，在当前仿真平台和仿真实验室的基础上，为专业教师提供实验课程设计支持的平台。专业教师可以根据教学内容及课程特点，构建不同的实验项目群，用于本科教学和研究生教学。如建筑工程造价实验课程、建筑工程管理实验课程、建筑工业化管理实验课程、建筑工程数据挖掘实验课程等，紧扣教学大纲的要求和当前建筑工程领域的迫切需求，以建设项目全生命周期为主线，形成完善的实验教学体系，同时面向建设行业发展新趋势，实现了“教—学—练—考—用”的实验目的。

3 实验室运行与管理支撑平台

虚拟仿真实验教学中心的运行效果由其支撑平台决定，支撑实验室运行与管理的平台主要由虚拟仿真共享平台、管理体系、人才团队等构成。

共享平台包括虚拟仿真中心门户网站和实验教学管理平台。其中虚拟仿真实验教学中心门户网站主要包括新闻发布、站内信息检索、中心建设概况、管理体系、建设理念、中心团队、中心资源、校企合作、成果展示、实验项目简介等模块，具有良好的可扩展性和兼容性。该门户网站主要用于发布虚拟仿真实验教学中心的相关信息和新闻通告，便于教师和学生更为全面地了解建筑工程管理虚拟仿真实验教学中心的建设和应用情况。实验教学管理系统主要用于辅助学生开展网络自主学习和学习效果的考核。该系统实现了对用户的分级管理，可以设置不同的系统角色，主要包括系统管理员、教师和学生，不同级别用户享有不同的使用权限，提高网络的安全性。学生既可以在平台中申请课程实验项目，也可以通过平台申请开放实验。

虚拟仿真实验教学中心的管理体系需要从组织保障、制度保障、管理规范、运行机制等方面着手建设。实验室人才队伍应该由多学科、多专业教师以及建筑企业、软件公司等科研人员组成，形成不同的教学、科研和社会服务团队，从而促进实验室的可持续发展。

4 结语

本文在总结了大量虚拟仿真实验室建设的经验基础上，采用模块化的思想，提出了基于模块化的虚拟仿真实验室建设思路，并将其应用于我校建筑工程管理虚拟仿真实验室建设中。虚拟仿真实验室的建设应依托学科优势，遵循适应性、可扩展性、共享性、可持续性和共建共享的基本原则，所构建的实验室及实验教学体系应能够实现仿真平台、仿真实验室、实验课程等不同维度上模块的扩展。仿真实验室服务于我校工程管理、工程造价、信息管理与信息系统、房地产经营与管理、土地资源管理和工业工程等多个本科专业和研究生的教学，并为教师的科研和校企合作提供了平台。