新工科背景下的建筑虚拟仿真实验室建设＊

易 菁，娄永忠，董 璞

（惠州学院建筑与土木工程系，广东 惠州516007）

1 引言

随着中国新一轮的科技革命与产业改革，新兴产业得到了蓬勃发展。为顺应这一趋势并提供有力支撑，高等教育也面临着新的需求及建立新的发展目标。习近平总书记指出“我们对高等教育的需要比以往任何时候都更加迫切，对科学知识和卓越人才的渴求比以往任何时候都更加强烈”[1]。在此背景下，2017-02-18，教育部在复旦大学召开了高等工程教育发展战略研讨会，探讨了新工科的内涵特征、新工科建设与发展的路径选择，并达成共识。其中，谈到新工科建设需要加强研究和实践[2]，这对于工科类学院在日常教育教学中的手段和方法提出了更高的要求。

2 教学实践中的实验室模式

作为省实验教学示范中心，惠州学院建筑工程虚拟仿真实验教学中心结合学校建设高水平新工科专业群的发展规划，不断完善专业实践教学平台建设，创新实践教学。至2018 年底，中心已建立有计算机辅助设计（CAD）实验室、建筑信息模型（BIM）实验室以满足建筑学、土木工程、工程管理等专业开展基础性实验项目和创新性实现项目。于此同时，随着虚拟仿真技术的快速发展和不断普及，其在建筑与土木工程领域发挥的作用也越发重要。可以看到，无论是建筑设计、结构设计还是装饰装修等行业，VR 技术都得到了充分的运用，体验感和参与感大大提升。本着“虚实结合，相互补充”的思路，以推进虚拟仿真技术在教学实践中的应用，实验教学中心将建立建筑虚拟仿真实验室作为年度重要工作目标。该实验室的创建目的，是能结合BIM 技术，通过虚拟仿真模拟实际场景，让学生在动态情境下进行学习和实践。利用网络平台的软件进行虚拟仿真设计，既节约了财力物力，又可以打破时间区域的限制，完成各种各样的实验项目[3]。

对于该实验室的建立，具体构建其主要可承担的作用为可以承担建筑学、土木工程、工程管理等专业的建筑设计、计算机辅助设计、计算辅助建筑表现、建筑结构设计等试验教学工作，并可以开展相关的实验项目，比如建筑数字化建造模拟、计算机辅助建筑表现、计算机辅助建筑设计、毕业设计、课程设计、大学生创新创业项目。建筑虚拟仿真实验室在教学中心的布局及其作用如图1 所示。

3 建筑虚拟仿真实验室建设

在以上模型的构建下，学院历经半年时间建设完成基于VR 的BIMVR 虚拟实训室，将BIM+VR 的组合引入高校教学课堂，最终形成一个虚拟仿真体验+师生智能交互的实验室模式，实验室模型如图2 所示。

3.1 搭建虚拟仿真终端平台

硬件设备方面，虚拟仿真显示终端采用小间距LED 三维成像立体屏，屏幕面积达到11.52 m2。显示效果满足画质高清、高分辨率、低亮高灰、响应速度等方面的要求，支持无限拼接以及零拼缝可以使大屏效果达到最佳。体验设备则使用VR3K 头显设备和3D 眼镜。VR 头显示终端设备可以进行沉浸式直观体验，能方便地应用于各种虚拟场景展示，除了全景视频，甚至还可以进行一些简单的交互操作，能很大程度提升学习的实践效果。在软件配置方面，搭建虚拟现实设计平台软件，该平台能让BIM 团队在短时间制作并管理项目工程，并直接发布及应用于增强现实（AR）和虚拟现实（VR），可一键导入国产BIM 软件工程文件，快速生成VR，支持标准建模软件的模型导入，满足多样化的教学实践需求。再结合BIMVR 软件，使老师、学生能进行虚拟现实方案沉浸式体验。通过VR 沉浸式的体验进行方案的优选、讲解和教学内容，使老师和学生身临其境理解专业课程中配色、布局、设计等不同的专业内容给人的整体感观效果，更加直观地掌握课程教学内容。

3.2 创建智能交互教学模式

考虑到设备体验的最佳状况，在该实验室开展小班教学。将学生分为4 个学习小组，每组控制在5 人左右。通过小组的方式，让学生开展学习交流和完成课题等操作，这样更能做到专而精。为了便于教师评图，引进了双屏教学智能一体机，支持触屏模式，使教学开展更流畅。在师生机上，还配置了智慧教学软件，来开展课程管理。其功能支持屏幕转播与反控，可将任意一小组的屏幕内容转播到其他小组屏幕。

在转播状态下，老师可授权某接受转播的小组遥控处于转播状态下的电脑。

图1 建筑工程虚拟仿真实验教学中心布局

图2 建筑虚拟仿真实验室模型

教学服务端和小组端的软件都支持无线投屏，每个投屏内容都以非独占的方式显示。通过该软件提供社交化的沟通环境，支持APP 端教学，可实现线上线下管理，满足各种灵活的课堂教学活动需求。最终建立完成的实验室实景如图3 所示。

图3 建筑虚拟仿真实验室实景

3.3 实验室智能化管理

传统实验室管理模式中，实验室的运行在时间和空间上都存在局限性。为了贴近日益灵活的实践教学需求，在建筑虚拟仿真实验室采用智能化管理。一方面，启用新的智能门禁系统，可通过外网PC 或手机端对门禁进行远程操作，结合监控系统，让实验室的使用时间变得更加灵活方便；另一方面，采用远程连接控制软件，使实验室电脑突破地域控制，师生在宿舍或校外能通过远程连接轻松实现对文件、网络及程序的实时支持或访问。智能化的管理方式提高了实验室的利用率和资源共享程度，让实验室平台在教学活动中产生的作用得到更大提升。

3.4 实验室教学成果

建筑虚拟仿真实验室的建设是基础教育、工程教育和实践教学主动适应建筑土木领域技术发展和学校培养特殊人才需求的重要举措[4]，该实验室自开放以来，得到师生各界的肯定和积极参与使用，至今已开课5 次，累计300 余名学生开展了VR 技术实践，并完成相关课程设计，如图4 所示。课程的部分成果由学院整合后获2019 年广东省教育教学成果二等奖。

图4 实验室课程实践活动

在学科竞赛和创新项目方面，面向建筑学、土木工程、工程管理、风景园林4 个专业的学生开展实验训练。实验室建成至今，已有20 批次以上的竞赛活动实训在此开展，超150 名以上学生参与，并最终斩获国家级和省级的各类奖项，部分项目成果如表1 所示。

4 总结

在新工科背景下，结合实际提升教学研究和实践水平，是实验室建设发展的重要目标。以建筑工程虚拟仿真实验中心等科研教学平台为依托，结合多方面需求及论证，完善专业实践教学平台建设。后续还将继续根据教学活动的开展，不断改进和完善实验室建设，以新工科思路引领下的惠州学院转型发展和大力发展理工科专业为契机，努力培养具有创新思维和较强应用能力的高素质应用型技术人才。