基于VR/MR技术融合的土木工程创新实践中心建设

王玲　宋宜详　孔丹丹　阎西康

摘  要：为适应教育、建筑行业信息化改革发展的新趋势，文章分析VR/MR技术应用于土木工程实践教学改革的必要性。阐述“一平台、五系统、多模块”的VR/MR实践教学中心建设思路与总体框架，中心将VR/MR技术融入到实验实践教学各环节中，构成互联互通的五个系统，形成多模块、多层次、虚拟可扩的信息化教学资源，实现多种教学指导模式和多元化考核方式，培养学生的创新精神和创新实践能力，可为同类院校土木工程VR/MR中心建设提供借鉴。

关键词：虚拟现实技术;土木工程;实践中心

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）05-0018-05

Abstract： In order to adapt to the new trend of informationization reform and development in education and construction industry， this paper analyzes the necessity of applying VR/MR technology in practical teaching reform of Civil Engineering. The construction idea and overall framework of VR/MR experimental practice teaching center with "one platform， five systems and multiple modules" are systematically expounded. The center uses VR/MR technology to integrate into each link of experimental practice teaching， forming five interconnected systems， forming multi-module， multi-level， virtual and expandable information teaching resources， realizing a variety of immersive teaching guidance models and diversified assessment methods， and cultivating students' innovative spirit and innovative practical ability，which can provide reference for the construction of civil engineering VR/MR center in similar universities.

Keywords： Virtual Reality; Civil Engineering; practice center

虛拟现实（Virtual Reality，VR）技术利用计算机系统的仿真能力生成一种模拟场景，使用户沉浸到该环境中。通过视觉、听觉、触觉和动作等方式与虚拟现实中的对象进行实时交互，由此获得“身临其境”的感觉和体验。混合现实（MixReality，MR）是融合现实和虚拟世界而产生的新的视觉混合现实环境。在新的视觉环境中，物理对象和数字对象共存，实时交互。VR/MR技术在创新教学方式方法上具有独特的优势[1-3]，为学生提供了沉浸式学习的机会，让教学全面视觉化，提高学生学习的动力，培养学生实践和创新能力。

《教育信息化2.0行动计划》强调通过大数据采集与分析，将人工智能切实融入到实际教学环境中，实现因材施教、个性化教学[4]。实验实践教学环节在培养土木工程专业人才实践能力和创新意识中占有重要地位，为了进一步提升我校土木工程专业、土木工程卓越工程师及智能建造专业本科教育质量，基于VR/MR技术融合的创新实践中心建设至关重要。本文探讨VR/MR技术如何在土木工程专业人才培养过程中深度融合，创新实验实践教学方式与手段，介绍河北工业大学“一平台、五系统、多模块”的VR/MR创新实践中心建设成果。中心以提高学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化教学资源为重点，形成了培养复合创新型土木工程人才的有效途径，助力打造一流学科。

一、土木工程VR/MR创新实践中心建设的必要性

通过虚拟现实VR/MR技术提供沉浸式的实验实践互动教学场景，是对传统多媒体教学的一个升华，弥补了传统多媒体教育互动性、体验感不足的缺陷。VR/MR技术与教学目标和指导信息的无缝结合，可以有效地解决土木工程专业实验过程不可逆、操作复杂危险，实验运行困难、成本高，实习工程项目周期长、过程危险，实习深入参与度低、涉及极端环境等问题，并通过对体感互动实时数据的记录和统计分析，实现学习全过程的量化考核[5-8]。教学手段由传统的“以教促学”的学习方式转变为互动启发式、发现式、协同工作式和情境式等教学方式，向更加科学化、高效率方向发展。可见，结合大数据、人工智能等全新分析方法，将增强现实、虚拟现实等创新人机交互技术与土木工程人才培养深度融合的新一代信息化教学模式，为提供精准、个性化土木工程人才培养目标提供了技术基础，是与土木工程教育创新融合的重要手段和必然趋势。

二、VR/MR创新实践中心总体设计

（一）VR/MR创新实践中心建设思路

面向土木工程专业、土木工程卓越工程师、智能建造专业人才培养的需求与教学规律，VR/MR创新实践中心按照“一平台、五系统、多模块”总体框架设计，平台实现了教学互动、实验实践训练、科学考评、研究创新、学术交流和成果展示的综合性教学。依据专业知识体系与工程实践规律，将平台划分为专业基础教学系统、实验实训系统、协同创新系统、资源库管理系统与教学管理系统五个系统，每个系统包含多个模块，形成与理论课程相结合、与实体实验相结合、与企业实践相结合、与科研项目相结合、与实际工程相结合的五个系统数据互通、资源共享、协同运作的一体化VR/MR平台。

（二）VR/MR创新实践中心组织架构

VR/MR创新实践中心“一平台、五系统、多模块”的组织架构如图1所示，实践教学模式从“一刀切”向个性化、数字化、创新化转化。硬件和软件系统的投入既考虑当前教学和科研的需求，也考虑到可扩展性。平台建设覆盖建筑、结构、施工和管理等不同知识课程，满足不同难度层次，多专业学生从基本概念提高到交互式的虚拟创新设计，实现认知感受、复杂交互、动手操作和多人协同等不同操作方式，促进专业间互通协作，成为服务于全院及全校的VR/MR教学科研开放平台。

三、VR/MR创新实践中心系统功能设计及特色

（一）VR/MR专业基础教学系统

VR/MR专业基础教学系统，旨在培养学生土木工程专业知识和学习能力。按照知识体系从不同实践环节、不同深度及不同实现方式开发多个课程知识和实验模块。专业课程知识模块包括：不同结构体系基本节点、构件和整体虚拟仿真模型，施工过程、设备和方法模型的拆分教学模块。实验仪器教学模块包括：土木工程材料耐久性试验、多功能电液伺服加载试验、结构静力试验加载架和反力墙的三维模型操作教学模块，学生通过鼠标或触屏浏览、查看实验室场景和设备实验演示，实现本地和异地交互教学;同时可进入VR/MR浏览模式，在VR/MR场景中对模型进行位移、旋转、缩放的基本操作，并对模型进行剖切、爆炸图、拆解动画的操作及查看标记点信息和实验仿真过程，如图2所示。该系统拓展了专业课程知识、认识实习、生产实习、结构实验课和创新实践类课，系统采用开放性的模块化结构，便于根據课程知识对模型进行灵活地增/删/减和重组。

（二）VR/MR实验实践系统

VR/MR实验实践系统，旨在培养学生“教学做一体化”的实践能力和工程能力。利用VR/MR技术构建实验室、施工现场和工厂的实景仿真，针对复杂实验和工程问题开发VR/MR课程模块：土木工程材料VR课程;结构实验VR课程;装配式钢筋混凝土结构施工VR课程;盾构机施工VR课程。学生分组进行多人协同、复杂交互和场景体验，理解专业知识，掌握专业技能。

1. 土木工程材料VR课程

土木工程材料VR课程包括三部分：（1）混凝土的配合比设计与拌合物性能、力学性能实验。通过VR全景视频技术展示商品混凝土厂家对混凝土质量控制的全过程，VR场景多人协同交互操作混凝土和易性、混凝土试块养护、混凝土抗压强度实验。使学生掌握原材料（外加剂、胶凝材料、骨料）不同配合比参数（水灰比、单位用水量、砂率）对混凝土拌合物性能、抗压强度的影响。（2）混凝土耐久性实验。VR全景3D模型展示实验室、实验装置，针对不同环境条件（冻融、氯离子、硫酸盐），通过VR设备多人协同交互操作混凝土碳化实验、混凝土氯离子实验、混凝土抗渗实验和混凝土抗冻实验，并沉浸式体验混凝土耐久性实验结果的变化过程，使学生掌握混凝土耐久性评价指标和影响因素。（3）预制构件生产。通过VR全景视频技术演示工厂内预制构件生产和养护过程。本试验旨在培养学生创新知识结构和创新能力。

2. 装配式钢筋混凝土结构施工VR课程

装配式钢筋混凝土结构施工VR课程包括两部分：（1）根据装配式建筑施工需求，VR设备及交互操作手柄进行装备和设施选择，如图3（a）所示，包括起重设备选择、吊具选择、灌浆设备选择、预制墙板斜撑体系选择与布置、叠合板竖向支撑体系选择与布置、安全设施选择、专用工具和仪器选择等。（2）VR虚拟环境下模拟预制墙板和叠合楼板的安装过程。多人协同分别扶板及水平位置调节，钢筋与套筒位置调节，抄平及底部垫片调节，垂直度-斜撑调节复杂交互操作完成预制墙板和叠合板安装。通过本实验的操作，培养了学生的创新知识结构和团队协作精神。

3. 结构实验VR课程

结构实验VR课程，通过VR技术模拟结构力学实验室、实验装置、传感器、钢筋及混凝土试件等，VR全景中植入3D虚拟黑板展示荷载传感器的标定、位移传感器的标定、钢筋及混凝土的力学试验全过程，如图3（b）所示。学生沉浸式地操作试件的就位，仪器仪表的安装，VR环境下计算界限偏心距，判定构件的破坏类型，按大偏心或小偏心受压动画演示在荷载作用下的试验过程，掌握柱的裂缝发展过程（3D动态）、荷载-位移曲线（动态平面曲线）、荷载-应变曲线（动态平面曲线）的实时发展，以及最后的破坏状态并输出实验数据。

4. 盾构机施工VR课程

盾构机施工VR课程包括两部分。（1）盾构机结构介绍模块。真实还原盾构机施工场景，模型以土压平衡盾构机为原型设计。包括：盾体结构模块刀盘刀具盾体管片拼装系统，螺旋输送机等展示爆炸图及配备列表。（2）盾构机任务实验模块。包括：管片拼装任务、管片验收、管片涂料制作、管片的运输、同步注浆、管片拼装成环和管片修补等，如图4所示。本实验实现了隐蔽工程沉浸式的实践环节补充。

（三）VR/MR协同创新系统

协同创新系统将土木工程与多学科技术、信息和数据有机融入实践，通过VR/MR技术实现虚拟实践观摩、体验、学习到模仿、应用和制作，最后提升到运用多学科思维、方法和手段自主探索和主动实践，培养学生多学科交叉融合创新能力。该系统包括协同创新系统模块和VR/MR编辑及浏览工具，如图5所示。

1. 协同创新系统模块功能

系统主要模块：（1）建立钢结构原理、混凝土基本原理及施工技术等课程构件和整体BIM模型，应用VR技术展示并拆分构件和节点构造关键知识点。（2）依托国家重大工程或者科研成果，建立建筑设计、施工和管理全寿命周期BIM+VR/MR技术融于一体的模型，实现了教学和科研的有机结合。通过三大创新性引擎（多元数据处理引擎、精准的运动控制引擎和算法控制引擎）将3D控制扩展至VR/MR眼镜、仿真精准逼真。

2. VR/MR编辑工具和浏览工具

采用3D课程资源编辑工具感知Studio，师生协同创新开发教学模块和科研成果模块，并通过MDA代码生成技术导出到MR/VR/PC/App/Web等多个平台。Studio主要功能：（1）兼容FBX、OBJ、3DS、STL及BIM等多种标准3D模型文件编辑操作;（2）编辑JPG或PNG格式文件与3D模型相对位置绑定，并设置内容，包括 “页名”“模型名”“识别图”“封面图”等;（3）编辑包含Skeletal Animation、Translate Animation的3D文件，分步骤播放动画，并进行细节剖切、爆炸图、拆解编辑; （4）实现3D模型位移、旋转、缩放等编辑操作，在3D模型上添加文字、图片、语音和视频动画等标准信息。通过VR/MR三维浏览协同工具感知viewer管理实训教学场景。实现局域网环境本地或云服务远程教学支持下的多人联机（跨平台VR/MR/PC）协同教学，感知多用户在同一空间的位置、姿态与操作;场景模型拖拽操作，动画步骤控制，语音识别，菜单的召唤，按钮的触发等特殊操作。

（四）资源库管理系统

资源库管理系统，旨在面向土木工程专业人才培养目标，增强多学科多专业交叉融合，加强跨领域计算机、人工智能和机械自动化等课程实践内容的交叉渗透，形成多维度的三维模型资源库，为协同创新系统提供模型支持。

三维模型资源库结合培养方案中结构力学、建筑构造、装配式混凝土结构构造、土木工程施工、工程计量与计价、工程制图与识图、三维平法识图和机械自动化等课程教学内容，開发模型资源，包括预制柱、预制墙、预制梁构件和节点、固定铰节点构造、滑动铰节点构造、夹心保温外墙板构造、全灌浆套筒和半灌浆套筒等1 500余模型。主要特色：（1）模型内容虚拟可扩。教师和学生可组合、拆分和扩展、编辑等，不断丰富模型资源，使教学得心应手。（2）专业内容丰富优质。覆盖教学和科研多学科交叉领域，类别全面，步骤详尽。（3）工程驱动实践教学。依托企业真实大型工程，BIM+VR/MR技术从多维度开发案例教学。

（五）教学平台管理系统

教学平台管理系统包括登录管理、实验实践模块管理、成绩管理和统计管理等，如图6所示。教师和学生分别授权专有账号登录。教师统一管理授课内容，并授权学生的学习内容和管理。多人实时同步同地或异地协同创新实践，教师和专家在线、局域网或远程1对1、1对多指导，VR与MR场景协同转换，课程结束后形成学生学习时间和行为数据，分析统计个人或小组的学习过程数据和成绩，实现教学过程数据管理与分析的一致性。

图6 教学管理系统组织架构

主要特点：（1）教学效果评价科学客观，教学资源、实践统计、指导模式和考核模式等数据可分析，可展示;（2）人才培养全过程（理论到实践再到能力测试）系统化，教学类别内容全面（专业教材、实验实践课程指导书、电子课件和习题库）;（3）教学过程数据真实可靠，实验实践过程数据自动化采集记录、量化和追踪。形成了特色数字资产，真实教学数据的长期积累沉淀，为教师的教学效果评估和教学水平提升提供有效支撑，助力一流学科建设。

四、结束语

河北工业大学土木工程VR/MR创新实验实践中心，是河北省首家将VR/MR等信息化技术应用于教学实践环节，具有高度真实感、直观性和精确性的沉浸式实验实践教学平台。平台打破了时间和空间限制，场景内容可扩展、可配置，多系统互连互通、功能聚合，多样化教学模式、考核模式，信息化教学资源丰富、共享，实现了教学智慧化，全过程数据可视化，拓展了土木工程实验实践教学的深度和广度，推动了VR/MR技术与土木工程专业深度融合的实践教学创新体系改革，有效提高了教学效果和质量。

参考文献：

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[4]何克抗.如何贯彻落实《教育信息化2.0行动计划》的远大目标[J].开放教育研究，2018，25（5）：11-21.

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基金项目：河北省高等教育教学改革研究与实践项目“面向新工科的校企合作土木工程专业实践教学模式研究”（2019GJJG048）;河北省高等教育教学改革研究与实践项目“基于创新创业能力培养的土木工程实验教学示范中心建设研究”（2018GJJG040）;河北省研究生示范课程和专业学位教学案例项目“建筑与土木工程领域工程硕士《案例教学》课程资源库建设研究”（KCJSZ2020015）

作者简介：王玲（1976-），女，汉族，河北邯郸人，博士，副教授，VR实训中心负责人，研究方向为智能建造信息化技术。