三维建模与虚拟现实技术在本科教学的多环节应用

王慧 钟轶峰

[摘 要]随着建筑信息模型（BIM）技术的发展，部分国内外高校将BIM技术引入工程制图教学、专业课程设计与毕业设计实践等多个教学环节。此外，虚拟现实（VR）技术也逐渐应用于各类工程实践及教学场景中，比如交通规划、驾驶模拟、驾驶员行为等相关研究及教学工作。文章论述BIM技术与VR技术在道桥专业教学中的应用方案，以道桥设施为对象对BIM技术与VR技术应用的教学模式进行了分析，分别对不同课程类型（专业导论课程、专业理论课程、专业设计课程以及实验实践课程）进行了应用场景的设计，并从架构设计要求、接口设计原则、视图/场景设计和用户功能设计等方面探讨三维交互式平台建设问题。

[关键词]BIM技术;VR技术;交通基础设施;课程类型;应用场景

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）03-0023-04

一、BIM技术教学与VR技术教学的现状与问题提出

（一）BIM技术教学实践与发展

建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）技术在2002年由 Autodesk公司率先提出，并逐渐得到世界建筑行业的普遍认同[1]。相对于传统的二维制图，BIM技术具有信息完整、直观及多维信息等优势。BIM技术不但可以辅助学生完成设计，还可以用于帮助学生理解施工、管理等各个环节[2]。此外，对于一次完整的工程设计任务，BIM技术比传统的CAD需要的时间少[3]。基于BIM的项目管理工具可以显著提高项目管理的教育质量，学生从中能够更好地学习如何将不同的正式项目管理方法应用到具体的项目环境中[4]。

英国学者提出应积极推动数据标准化的建设，从而使不同的BIM软件与数据具有通用性[5]。BIM工具的通用性使其更适用于教学。然而，受教学学时的限制，巴西的大学提出了将BIM教学融入专业课程教学的方式，并写入教学大纲[6]。国内高校也逐渐将BIM技术知识融入工程管理专业课程体系与教学内容中，并在实验、实训等实践教学以及师资队伍建设等方面进行实践探索[7]，提出了土木工程BIM+新课程体系，认为应该建设集工程实践、校企融合、跨知识平台于一体的新课程模式[8]。

尽管试验分析证明了BIM技术对教学具有正向辅助作用[9]，然而受限于现实条件，BIM技术尚未普及成为教学的基本工具。本文认为BIM技术应该可以作为土木工程（包括交通基础设施）学科教学过程中的一种通用工具而广泛应用于其相关理论与实践课程当中。

（二）VR技术在交通基础设施教学中的应用

虚拟现实（VR）涵盖了增强现实（AR）、沉浸式VR、桌面VR等系列技术与产品。2016年被称为“VR元年”。VR有七大教育功能：体验、探究、训练、矫正、交流、创作与游戏。VR具备重塑教育的潜力，但VR大范围变革教育的路还很长[10]。

交通土建学科教师在教学过程中为了给学生展示真实的工程过程与设施构造，往往会利用VR技术进行相关的实验实践教学，解决现实场景中的学习不完整问题[11]。交互式虚拟现实技术结合核心专业知识有更广阔的应用场景，比如建筑业的异地生产研究、预设型的技术经济分析及试错[12]。BIM技术与VR技术在项目管理等领域发挥了重要作用[13]。基于协同平台，VR技术在团队合作、跨学科团体以及时间管理等方面也提供了很多综合解决方案[14]。

（三）问题提出

尽管BIM技术已经被部分高校作为一门专业技能引入大学教育，VR技术也作为一种辅助教学手段被引入课堂，然而，目前仍缺少成熟的可以用于辅助教学的信息模型与虚拟现实平台，且还没有一个可以服务于不同教学目标的虚拟场景。

因此，本文以交通基础设施不同学科相关教学研究为例，设计BIM三维信息交互平台，针对不同课程类型（专业导论课程、专业理论课程、专业设计课程以及实验实践课程）进行BIM与VR应用场景的设计，分析BIM技术与VR技术应用于交通基础设施不同学科相关教学中的可行性，探讨其技术应用场景的拓展方向。

二、BIM技术与VR技术教学场景设计

（一）课程体系设计

国内土木工程/交通运输工程本科教学课程体系主要包括四大类课程即通识教育课程、工程学科基础课程、专业基础课程和專业课程。计算机技术本身通常属于专业基础课范畴，而将计算机用于辅助教学则可以在平台设计的基础上应用于各类专业课程甚至通识课程的教学，涉及相关技术应用的主要课程体系参见图1，技术应用路线参见图2，平台模块化要求与设计见图3。 [ ][实验

（二）课程教学场景设计

根据课程体系与平台设计，本文分别对专业导论课程、专业理论课程、专业设计课程与实验实践四大类课程进行具体的BIM与VR技术应用场景设计。

1.专业导论课程

专业导论课程通常用于介绍专业背景、性质、知识体系、学习内容、学习方法和前沿动态，使学生了解专业领域的基本情况并产生专业兴趣;明确专业学习的主要任务，提高学习的针对性和目的性。

基于专业导论课程的学习目标与功能，可以将这类课程教学拆分为对象与内容两个部分。针对对象的教学类似于科普，即通过对现实世界的观察、拆解、体验与分析，使得学生更为深刻地理解相关专业学科所涉及的问题范围，了解专业性质;内容则是以对象的拆分为基础，理解学习所需要的不同角度、层次，以及需要面对的问题及其解决办法。

其具体表现形式包括以下几个：（1）虚拟现实场景体验，直观感受道路交通设施与结构物等现实场景。（2）利用BIM模型观察解构实体结构物。（3）跨越不可及障碍，观察高空、水下、结构内部等多角度信息。（4）观察内外环境，学习问题归因，构建思维导图。

2.专业理论课程

一方面，每门课程的学习内容及学习形式不尽相同，另一方面，土木工程专业理论往往结合课程实践来进行。因此，本文将专业理论课程教学中与学生互动的部分进行拆解，主要包括理论认知以及课程作业与实践两个部分。

在理论认知方面，学生可以充分利用专业导论课程所设计的相关场景提出问题。课程作业主要包括两类：一类为客观题目，主要是基于已建立或待建立的经典模型，利用经典力学与数学进行计算分析;另一类为主观题目，侧重于研究分析。

针对客观题目，专业课教师可以建立参数化模型，动态生成作业及参考答案，使得每一个学生（小组）可以解答不同参数的同类型问题，规避了作业抄袭问题;针对主观题目，专业课教师可以利用互联网平台进行作业互批点评，也可以结合学生的专业认知提出现实问题，进行互动解答，丰富课程互动的内容与形式。此外，不同专业课的教师还可以利用平台获取与共享教学素材，形成良好的课程间互动。

3.专业设计课程

设计可以说是理解理论并通向实践的桥梁，在工程设计实践中，VR技术已广泛应用于设计审查、施工培训以及跨专业协调。国内土木工程专业大都将设计类课程分为设计理论和设计实践两个部分，例如钢结构设计、道路铺面设计、道路线形设计、混凝土桥梁设计等，很多欧美国家土木工程教学中的设计实践部分往往不专门设置课程，而是以实践的形式存在。设计本身是一个以学生为主的主动行为，学校及教师应该以提供平台和辅导为主，而非设计教学。基于VR技术、AR技术的发展，未来的设计实践将趋向于利用互联网平台共享素材资源，而不是受限于学校的地理位置与社会关系。

本文基于VR技术的发展对设计类课程初步进行了近期、远期的规划设计。（1）从近期来看，逐渐减少甚至取消设计课程教学学时，只进行理论教学并培养学生阅读理解相关文献规范的能力，补充直接设计实践，从设计题目逐渐过渡为实际场景。（2）从远期来看，虚拟现实与增强现实的交互平台为设计的完整性提供了可能。此外，从就业及学科发展的角度来说，土木工程师并不是土木设计师，设计行业对于计算机的依赖性越来越强，提升学生对基本原理、设计工具（BIM技术）及实践的理解能力更为重要。

4.实验与实践

利用VR技术来开展实验课教学由来已久，主要包括虚拟设施、虚拟环境、虚拟空间与虚拟人物四个部分。虚拟设施是指实验设备、场地及教学经费等方面的原因导致一些教学实验无法开设，因此利用虚拟现实系统提供设施，让学生感受教学实验。虚拟环境主要针对有危险的环境（如化学燃爆、外科手术模拟），利用虚拟现实参与实现，避免发生事故与风险。虚拟空间是指人的感受空间的缩小与扩大以及跨越时间限制的能力，既可以感受微观世界，也可以感受宏观系统。从结构的角度就是既可以探索材料与构件的内部结构，也可以俯瞰城市变迁。虚拟人物大都用于人文艺术学科的体验式教学，从工程实验的角度来说主要体现为虚拟教师。BIM技术可以结合力学分析实验、仿真模拟实验等，将模型数据进行广泛共享并应用于各类场景。

实践主要包括设计实践与实习两个部分。学生在设计实践环节可以利用拍摄的图片、视频再现真实场景，利用BIM模型构建结构设施，观察实际效果。而在实训环节，学生则可以在实际项目实习之前，通过虚拟平台的实习场景，体验工程建设管理的各个过程与组成部分，增强安全意识与全局观;实习结束后，可以回顾不同环节，也可以了解个人受时空限制不能参与的实习内容。

（三）三维交互式平台建设

1.架构设计要求

建设集数据、用户交互软件、互联网及轻量化应用于一体的整体解决方案。其中，数据部分包括桥梁构件级、道路单元级结构信息;交互软件部分需实现基于互联网的海量三维模型数据的浏览和管理，保证操作的连续、实时和平滑;轻量化服务部分是根据具体的学习业务进行单一过程的模型精简。用户分为教师管理员用户及学生一般用户，教师用户可以根据具体课程教学内容自定义功能模块。

2.接口设计原则

首先，所有元素都必须有接口，每个元素接口包含其特有的视图信息，即同一个元素可能出现在多个不同角度的视图中。一般来说，模块接口包含接口所提供的所有方法。但是对于特有的轻量化服务来说，模块接口不包含其提供的特定方法。

一个元素可以有多个接口。由于每个接口有一套独立的逻辑相关资源，该接口服务于特别的元素，但是该接口所能提供的功能为元素所有功能的子集。元素通过一个接口可以与多个参与者交互，但允许的交互数量是明确的，即限制的访问量。

3.视图/场景设计

实现三维场景的展示和模拟，包括自由定点的查看、俯瞰、处于场景中的模拟游行查看等。可以针对特定三维模型进行量算分析、两点之间的可视化分析、剖面分析、挖填方分析、日照分析和定点观察。可以自定义飞行路线或利用外部位置信号进行实时驱动（如GPS等），实现任意模型在场景中的沿线运动（如图4所示）。

4.用户功能设计

具备用户自定义添加三维基础模型与数据层的功能。地图搜索服务支持多种搜索类型，包括关键字搜索、视野内搜索、周边搜索、普通建议词搜索、POI搜索、周边搜索等。路线规划服务支持驾车路线查询，可以根据输入的起点、终点和途经点（如果有）以及规划方式查询驾车路线。系统支持以下几种方式的驾车路线查询：最快路线、最短路线、避开高速、少步行。中心点定位查询服务支持返回当前地图范围的中心点坐标信息。

交通安全场景模拟指的是模拟道路交通中与设施管理有关的场景，包括施工推演、应急预案编制等。施工推演利用三维地图360度全方位展示的特点，实现不同施工方案的真实再现，研究施工作业对现有交通在实际场景中的影响并进行施工组织規划（如图5所示）。

三、总结与展望

BIM技术与VR技术不仅可以应用于土木工程的课程设计与认知实践，也可以应用于土木工程教学的各个环节，辅助实现不同的教学目标。本文针对专业导论、专业理论、专业设计与实验实践四大类课程进行了BIM+VR技术应用实践的探讨。此外，本研究的初步探索表明，基于互联网的多维信息平台可以同时满足不同用户的定制化需求。以平台形式进行三维数据建设与平台开发，不同类型的工程教学可以共享教学模块与数据，利用平台接口开发适合自己使用的课堂教学素材。

[ 参 考 文 献 ]

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[责任编辑：庞丹丹]