高职建筑工程类虚拟仿真实训平台建设探索*

张同钰（咸阳职业技术学院建筑学院，陕西咸阳 712000）

随着我国建筑业的市场化和建设信息化的迅猛发展，建筑工程行业对提高工作效率、降低错误率、提高管理质量和使用数字信息的要求越来越高，高职院校的教学内容、教学模式、教学手段都要与时俱进，顺应信息时代中学习者对知识的获取方式的变革，才能提高学生的实践能力和创造能力，达到信息技术与教学的深度结合。

1 虚拟仿真实训室建设的必要性

建筑工程技术传统的建筑材料和仪器的实训教学室、实训场已经不能满足当下学生的实训能力要求，引入虚拟仿真实训内容可以帮助学生更好体验施工全生命周期，更形象直观地掌握相关知识和技能。虚拟仿真技术的作用主要体现在以下几个方面。

1.1 沉浸感

虚拟仿真系统用其强大的创造性和模拟性，为学生营造一种教学情景，使学生沉浸于教学之中，使理论具象化，易于理解。由于其独特的沉浸式、实时性，在军事模拟、先进制造、城市规划、地理信息系统、生物医学、天文等领域有着广泛的应用。教学中对虚拟现实技术的应用，使其能够突破时空的限制，实现虚拟教育与现实教育的有机统一。

1.2 交互感

教学中某些知识难以形象化展示、危险系数高、设备实操难等教学内容，传统的辅助形象化、具体化的图片、视频展示因为少了交互性，不便于学生理解记忆。采用虚拟仿真教学软件，可以通过虚拟现实还原创造许多不可见、难以实现的三维真实场景，学生进入虚拟现实教育系统中进行交互实训，通过每一步操作的实时反馈，在互动中使教学知识更全面，将隐蔽工程内容直观显示，全方位立体展示建筑工程的生产流程。

1.3 真实感

教育本身就是一种信息与知识的传播。传统的授课方式，则是依靠教师的口授、文字、图片，在知识传输的过程中，会有一定程度的遗失。通过使用虚拟仿真技术，学生可以真正地置身于所创造的三维虚拟世界中，通过与虚拟环境的交互作用，利用自己的感知和认知能力，全面地获得各种空间和逻辑信息。这种立体的、全方位的体验感，使得知识可以通过自身的途径进行传递，并将其原始形态保存到最大程度。虚拟仿真软件可以一定程度地承担教师讲授的工作和任务，使学生与知识技能较为直接接触，减少教师在教授过程中自身的水平参差产生传递遗失的问题。

1.4 数字感

在5G时代，数字化是信息科学与生命科学相结合的产物，是以计算机技术为手段，在多层面上对人体的形体和机能进行虚拟仿真。该系统由视觉人体、物理人体、生理人体和智能人体四个不同的发展阶段构成，并通过建立多学科、多层次的数学模型，由微观到宏观的精密仿真。虚拟仿真为人们在教育中的应用提供了一种可行的途径。数字化教学能够打破时空的局限，更好地参与到教育和教学中，更好地运用教育资源，达到教育目的。

综上所述，虚拟仿真技术以其沉浸性、交互性、真实性和可重复性等特征，为教学改革提供了新途径。使用虚拟仿真系统教学能使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中进行安全、经济、反复的模拟实习，有效地提高了课堂教学的效率和质量。因此，加强虚拟仿真实训室建设是当务之急。

2 虚拟仿真实训室建设理念

土木工程类专业虚拟仿真实训室建设要能有效地提高土木类专业实践教学效果和强化学生的工程素质培养，围绕实践教学体系，坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的理念，利用虚拟现实、计算机网络、多媒体等技术，完成教学平台的建设，实现虚拟仿真平台和校内外实践教学基地的相互补充、相互支持。

由于各高校的经费、场地、支持力度的不同，所建设的虚拟仿真实训室大大小小诸多的问题逐步暴露出来。

2.1 智能性不足

虚拟仿真系统各不相同，有些企业的产品较为低劣，甚至无法实现实验结果自动批改和智能指导；实验成绩难统计，实验效果难评估，实验数据难汇总，所谓智能化的软件只是徒有空壳，实验实训过程中教师甚至也无法全程监察和督管，导致学生在上实验实训课程中肆意妄为不受限制，达不到虚拟仿真教学的效果。

2.2 拟真性不足

现阶段市面上用于教学的虚拟仿真软件质量参差不齐，部分软件缺乏专业性，有的建模粗糙，仿真模型与实际情况有较大的出入；有些则是工艺流程落后，没有执行行业现行标准；甚至还有些没有缺乏业内专家的指导，展示出来的效果与实际南辕北辙。这种结果不但无法教学，甚至会误导学生对现实情况的认知，实在是非常不可取。

2.3 开放性不足

教学资源和实验室资源无法对校内或校外开放共享，部分虚拟仿真系统硬件配置低，智能硬件与管理系统无法对接，导致实验室、仪器设备等利用率低，难以形成附加效益。

2.4 管理混乱

学校实验室的建设缺乏顶层设计，实验室缺乏统一管理，运行情况无法实时监控，实验教学工作覆盖广、参与人员多、协调管理难，软硬件设备监管难度大，信息化管理水平低，传统的实验手工排课方式异常艰难。无法同时管理现实和虚拟实训，虚拟仿真实训教学中心与实训教学中心无法同时管理。

虚拟仿真实训室在建设之初就应充分认识到，这不仅仅是购买一些计算机加一套仿真软件这么简单，要立足长远，该实训室应代表的是专业的尖端技术和未来发展。因此，建筑虚拟仿真实训室建设应以建筑原理、建筑设备以及典型建筑生产施工流程仿真为核心，使之成为建筑工程技术、工程管理、工程测量等专业技术人才的实践能力教育平台；通过构建一套完整的实训教学管理体系，将进一步构建具有扩展、兼容性、前瞻性的实训教学管理与共享平台，实现对创新人才的现代化实践教学基地、教师教学改革与探索的基地、虚拟仿真实训教学示范基地以及教学成果培育基地，为创新型人才提供现代化的实践教学基地、教师教学改革和探索基地、虚拟仿真实训教学示范基地以及教学成果培育基地。

3 VR技术虚拟仿真实训室的硬件建设

传统的虚拟仿真实训室都是在普通多媒体教室里，学生们只能在电脑上进行模拟实训，而不能让人产生一种身临其境的感觉。特别是建筑工程技术需要临场感的实训没有逼真的体验感，不能很好地激发起学习者的兴趣。

针对上述现状，以VR技术为基础的虚拟仿真试验中心的构建方案被广泛采用。学生可以充分地沉浸于虚拟的环境中，在虚拟的三维空间内进行互动，并利用大尺寸屏幕进行演示，从而大幅度提高虚拟仿真的模拟性，激发学生的学习兴趣。这种VR技术的虚拟仿真更加注重使用者的沉浸感，提供更好的临场感，使学生如同置身另一世界，为学生感官上认知操作环境提供帮助。同时，为使用者提供形象的交互体验，通过交互设备模拟现实中的操作，使学生实际操作水平得到有效提升。这种技术可以为学生提供更深层次的理性认识，弥补书本或平面资料在三维空间中的认知不足，激发学生更多的想象力与创造力。

现阶段的虚拟仿真教学首先使用者需要利用头戴式可视设备(HMD)才可充分融入虚拟世界，在其中进行互动教学，并通过大屏幕进行演示，实现对操作者的实时操作。因此，还需要建设操作工位，使学生进行模拟工作练习和巩固。该方案主要有沉浸系统、交互系统、运算系统、位置追踪系统、软件系统、实训工位等组成。

（1）沉浸系统。操作者既可通过头盔显示系统获得完全的沉浸感，通过大屏幕显示系统又可满足大量旁观者的观看需求。沉浸系统主要包含头戴式显示设备、主动立体投影机、投影屏幕、边缘融合器、音响设备等。

（2）交互系统。操作者通过虚拟现实交互设备的操作，在虚拟环境中进行交互，模拟真实操作中与设备的真实互动。

（3）位置追踪系统。头盔式位置追踪系统作为系统的辅助，为显示系统和交互系统提供实时定位信息，使操作者的观察位置和手部动作与画面显示内容完全同步。通常与操控手柄、数据手套、全身动作捕捉设备结合使用。

（4）软件系统。软件系统主要包括开放式虚拟仿真实训教学管理平台及虚拟仿真实训课程资源，可根据教学需求灵活定制开发各种课程仿真资源，并很好融合现实到上述相关设备中。

（5）实训工位。满足一个班级多个学生同时进行虚拟仿真实训教学实训练习。包含高性能计算机、显示器(立体非立体）、键盘鼠标(或其他交互设备)等。

完成整个虚拟仿真系统的建设，还要依照实际需求进行专业设计，通过灵活的软件硬件搭配来满足各个专业的不同需求。整套硬件系统在建设时要注意适用性，应支持目前各类主流虚拟现实开发平台，满足不同虚拟仿真技术开发的软件显示与操作交互，还要有一定的可拓展性，在现有硬件环境中添加各类虚拟现实交互设备，以支持未来一定时期内的升级。

4 结语

建筑类虚拟仿真实验教学中心通过虚拟仿真教学资源的建设推广，丰富了课堂教学内容，利用更形象、直观的教学手段进一步激发了学生的学习热情，引导学生主动参与到实验教学环节，增强了教学效果；增加了实践教学手段，通过三维虚拟现实的动画演示、手工操作，增强了教学过程的真实性，引导学生能够亲自参与各种实践环节；实现了高危险、高成本、高消耗实践教学环节的现场化。

通过虚拟仿真实训室的建设，实现了教学资源的大范围共享，可供本校全校学生共享和部分校际共享。使学生有了更好的实践体验机会，增强了教学效果，提升了学生的操作能力，是培养学生从事建筑施工技术与施工活动管理等工作的高素质技术技能人才的体现。