基于VR 虚拟现实的建筑工程教学资源库建设研究*

弓超凡 薛兴伟 张可心

沈阳建筑大学交通与测绘工程学院 沈阳 110168

0 引言

随着我国科学技术的迅猛发展，计算机技术及硬件性能得到了飞速提升，VR 虚拟现实技术[1]应运而生。虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是由传感技术、三维立体成像技术以及交互技术融合发展起来的新型技术。VR 虚拟现实可以通过计算机模拟现实环境，使用户在交互中获得沉浸式的主观体验。

我国建筑业各大高校的传统教学模式在信息时代的快节奏发展中显露出了一系列问题，教学理论同实际建筑工程结合效果差。为使信息技术与建筑工程教学得到深度结合，学生对知识的获取方式需要进行变革。为此，将虚拟现实技术作为辅助手段同建筑类院校的教学模式相结合，充分发挥VR 虚拟现实技术的优点，提供了解决建筑工程专业理论及实践教学的新模式。本文以建筑类院校为例，研究如何推进虚拟现实技术在建筑工程专业方面的教育，提高人才培养质量，来弥补建筑工程专业在信息化教学方面较为欠缺的现状。

1 虚拟现实在教学领域的应用现状

近年来VR 虚拟现实技术在各领域的教育工作得到广泛应用，但是在建筑工程领域中的理论教学和试验模拟方面应用较少，教学模式尚未成熟。随着我国创新驱动发展战略和知识强国战略的不断开展，建筑类高校肩负着进行教学改革、培养创新型人才的重担。因此，对建筑类高校开展新型教学模式探索的研究以及如何给传统的教学方法注入新的活力就成为了目前国内高校关注的重要课题。

李端[2]分析了未来教育改革的整体趋势，研究了VR 虚拟现实技术同未来教育改革的契合度。岳建伟等学者[3]运用虚拟技术使土木工程专业的学生学习真实三维的实际工程，提高建筑施工的理论教学效果，对教学发展方向进行了探索。孟彬等学者[4]在智能建筑专业课程的教学中引入虚拟现实技术，对新的教学理念及教学方式进行了探索。张锐[5]对土木工程专业传统教学中存在的问题给出了解决方案，研究了基于虚拟现实技术的土木工程实验教学改革，提出了一套土木工程虚拟实验系统。

2 建筑工程教学存在的问题

建筑工程专业教学方案主要包括土木工程大类下的建筑工程方向的教学、设计、施工与管理，主要要求学生掌握工程力学、土力学、工程测量、结构工程等学科基础理论。传统的建筑工程往往采用理论结合实践的教学模式，通过学生对基础理论课的学习，结合多种实习使学生掌握专业知识和专业技能，但是在教学工作中存在以下问题。

1）不能将建筑工程中的相关理论很好地进行实践学习，所学专业知识往往局限于教材中，很大程度上削减了学生的学习兴趣；建筑工程理论性较强，概念多、公式多、计算多、内容多，学生接受困难；教材的发展相对落后于规范。

2）建筑工程涉及结构类型较多，这些结构形式复杂、施工工序复杂，加之结构中众多的附属结构、钢筋，如按照常规方式讲授，学生难以理解与接受，教学达不到预期效果。

3）传统教学模式中往往学生是一种被动的学习状态，这就使得学生在整个学习过程中缺乏自主性、创新性，难以培养学生的创新意识。

3 建筑工程虚拟现实教学资源库应用策略

本文基于建筑工程课程应用性强、结合项目紧密的特点，参考建筑工程专业的培养方案要求，将VR 虚拟现实技术同理论教学及实践教学相结合，探索高素质复合型人才培养新模式，构建一套完整的建筑工程教学资源库，此虚拟仿真建筑工程教学资源库全局架构如图1 所示。

图1 基于VR 虚拟现实技术建筑工程教学资源库

3.1 虚拟现实技术建筑工程教学资源库

VR 虚拟现实以房屋结构、基础工程、道路、桥梁图纸为案例在学生识图环节解决了教师教学时的二维图纸抽象、难讲解等问题。动态拆分钢筋及其他建筑结构功能，使学生更清晰了解道桥结构中细节及隐藏部位的构件布置形态，结合图纸增强学生思维转换能力。以道路桥梁结构教学资源库为例，通过运用VR 虚拟现实技术将三维基础场景导入unity 或者ue4，进行效果和特效的添加渲染，通过高度仿真的交互处理，通过VR 设备进行展示，可以提高学生对专业基础知识的掌握程度以及复杂结构识读、绘制能力。

基于VR 虚拟现实开发得到的建筑工程教学资源库主要包括：1）房屋建筑教学资源库，主要包含房屋的梁、柱、墙等主要承重构件等构件的VR模型；2）基础工程教学资源库：桩基础的主要结构，包括钻孔灌注桩、钢筋混凝土预制桩、钢管桩及H型钢桩等的VR 模型。3）道路桥梁结构教学资源库：桥梁的主要结构，包括上部结构中的支架搭设、T梁架设及转换体系、湿接缝施工、顶推施工、挂篮施工等教学内容，下部结构中的墩柱、盖梁、桥台、桥头搭板、桥台侧墙等教学内容，支座及附属结构中的边坡防护、地表排水、挡土墙、护栏、防撞墙、人行道、锥形护坡等的VR 模型；道路结构的路面、路基、基层等的VR 模型。

相较于传统实验模式，虚拟仿真建筑工程教学资源库具有学习成本低、资料利用率高、重复率高的特点，尤其是在侯疫情形势的大环境下，不同于传统实验受限于客观条件，具有更高的灵活性和便捷性，基本可以取代传统实验内容。虚拟仿真建筑工程教学资源库还可开发大型项目实验以及新兴前沿技术实验，从而进一步拓宽学生的学术视野，培养学生的科研学术兴趣，锻炼学生的学术能力。

3.2 基于VR 虚拟现实的建筑工程理论教学

针对建筑工程理论教学所存在的问题，以建筑工程专业培养方案为基础，将基于VR 虚拟现实技术建立的建筑工程教学资源库，有效融入建筑工程课堂实际教学。在学生对基础知识的理解上，通过多维可视化实现整体与局部模型的结合，提高建筑工程空间思维能力，达到课堂提高讲授的效果。基于建筑工程教学资源库的理论教学思路主要是通过在实际教学及教师、学生反馈中，建立一套融入VR 虚拟技术的建筑工程教案，使学生可以更加主动学习专业知识，达到提高教学质量的目标。

以混凝土结构设计原理为例，相应的建筑工程教案按照结构实际情况进行建立，如不同截面的钢筋混凝土受弯构件的受力过程和破坏形态，其中对结构配筋、承载力方面的计算原理和方法进行可视化教学。对于结构部分，通过VR 虚拟现实技术实现对构件内部构造的清楚表达，且可以通过全方位视角及视角缩放进行细节展示，使学生在理论学习的过程中提高个体自主权。在这种基础上，学生在良好掌握本课程专业知识的基础上，实现知识的逐层递进，还能实现对建筑结构抗震设计、房屋建筑学等课程所学内容的融会贯通，使学生对建筑工程行业的专业知识有一个整体的把握。

3.3 高素质复合型人才培养新模式

在建筑工程的理论教学和实践教学中，深度应用VR 虚拟现实技术，利用前沿科技开发的优异成果，真正将理论学习和实践相结合，高交互性、沉浸式的虚拟仿真建筑工程教学资源库激发学生对建筑工程专业知识理论的学习兴趣，显著提高了教学效率，在虚拟仿真建筑工程教学资源库的建设探索中，逐步形成了一种高素质复合型人才培养新模式。

在这种新模式中，教师的作用更倾向于引导学生，使学生在沉浸式课堂中充分发挥个人的能动性，结合自身对专业知识的理解，进行高交互性的学习体验。学生可以按照教师给出的要求，结合课题特点确定设计任务，通过方案设计和预概算，使用VR 虚拟现实技术生成实景图，对自己的方案进行优化。教师参与学生方案的点评工作，最终确定最佳方案。分析结果可以作为学生综合素质评价以及平时成绩的依据，学生也可以通过测评结果，对自身的专业知识掌握情况有更深的体会，进而对自己的学习方式进行优化。

虚拟仿真建筑工程教学资源库的建设需要伴随着教学制度的同频革新，将丰富的教学手段、教学方式进行实践融合，在不同方案的开发过程中提高学生素质，加快建筑工程专业信息化教学进程，对复合型人才培养的新模式进行探索和研究。

4 结束语

目前，我国各大建筑类高校对于建筑工程的教学改革已经在逐步进行，将VR 虚拟现实技术应用到建筑工程的理论教学和实践教学中，构建一套建筑工程教学资源库，符合国家对高素质复合型人才培养的要求。应用建筑工程虚拟仿真教学资源库可以打破客观条件制约，降低建筑工程教学成本，很大程度上满足了桥梁工程课程的教学需求。同时改变建筑工程课程教学模式，提高学生的学习效果。

通过深度融合虚拟现实技术进行教学实践改革，实现开放性的教学模式，促进学生的理论知识同实践教学相互促进，进一步提高学生的综合素质，逐步形成高素质复合型人才培养新模式。