基于BIM+VR的师范生沉浸式仿真课堂构建

张慧鑫 何汪洋

*项目来源：成都师范学院校级科研项目（CS22XMPY0107）；四川省大学生创新创业训练计划（S202214389167）。

作者简介：张慧鑫，讲师；何汪洋，成都师范学院物理与工程技术学院本科生。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.10.026

摘  要  随着信息技术的不断发展，虚拟现实（VR）和建筑信息模型（BIM）技术逐渐应用于教育领域。基于BIM+VR技术的师范生沉浸式仿真课堂是一种新型教学模式，可以提高学生的学习兴趣和参与度，进而增强教学效果。通过调研成都师范学院师范生在教资免试背景下的课堂现状，发现存在教学方法陈旧、教学资源有限、缺少仿真课堂或现有仿真课堂交互性差等问题。以Revit和Unity为载体，创建具有高交互性的教学虚拟环境，为师范生构建沉浸式交互性虚拟仿真课堂，有效提高学生的学习兴趣，提升了教学效率，教学效果反馈良好。

关键词  BIM；VR；沉浸式仿真课堂；师范生

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）10-0026-05

0  引言

2010—2022年国家出台近20项虚拟教学相关政策，支持和规范虚拟教学在教育中的应用，推动我国虚拟教学产业发展。随着信息技术的不断发展，虚拟现实（VR）和建筑信息模型（BIM）技术逐渐应用于教育领域。VR技术作为新型的交互式技术，日益受到教育界的关注。沉浸式VR技术能够提供真实场景下的模拟体验，可以直观地传递教育内容和知识，取得良好的教学效果。例如，高校借助VR技术打造新型微格实验室，学生能够身临其境地参与高仿真教学活动，从而提高训练效果[1]。然而大多数的虚拟体验存在交互性差的缺点，学生无法与场景中的物体进行互动，从而使虚拟场景与课堂教学间有割裂感。

本文提出一种基于BIM+VR技术构建的师范生沉浸式仿真课堂，采用真实精细化BIM模型和沉浸式的VR技术，只需要建筑图纸和手机拍摄的环境照片便可将真实环境构建成虚拟场景，在VR设备的辅助下，场景交互性更强，使之可以与课堂内容相结合。这种课堂教学能够让师范生获得更加丰富的实践操作经验和数据分析能力，更好地满足未来高校教育的发展需求。

1  教资免试背景下师范生课堂现状

2022年，教育部发布《关于推进师范生免试认定中小学教师资格改革的通知》，免试认定对于地方应用型本科高校的师范生而言是机遇，也是挑战。在教资免试政策背景下，师范生的教育水平和教育实践能力面临着巨大的挑战。师范专业能够完成整个认定工作，并且能够接受教育部专家的检查评估，是一项长期的工程，需要不断地推进师范专业的教育教学质量，不断地提升师范生人才培养水平[2]。在这个要求下，师范生要具备的教师素质一般包括语言技术、板书技术、教学内容处理、教学方法综合应用及课堂管理组织等方面[3]。

对学校13个学院2020—2023级师范专业随机选择300名学生做了针对目前师范生课堂存在的问题的调查问卷，回收问卷267份，有效问卷253份。通过问卷了解到师范生课堂的一些现状：一是传统的教学方法陈旧，无法激发学生兴趣；二是受实验教学资源限制，操作性学习不足；三是课本资源单一，不能满足学生课堂需要；四是应试化教学，没有足够能力应对真实课堂需要。

教学方法陈旧是师范生课堂中的重要问题。传统的教学方法已经难以满足学生的需求，需要教师不断探索和创新教学方法。然而，在师范生的课堂中，教师可能没有足够的教学资源和支持，难以进行教学方法的创新和实践，这就需要更新和改进教学内容，优化和整合教学资源，提高教学效果，适应教育领域的不断发展和变化。

2  BIM+VR技术在师范生教育中的应用

BIM技术是一种基于数字化建模的技术，可以对建筑物的结构、机电设备、管道系统等进行模拟。BIM技术在建筑设计、施工和维护等方面已经得到广泛应用。在教育领域，付静[4]建立了蕴含BIM技术的特色课程体系，帮助学生更好地理解建筑物的结构和功能，提高学习效率；谢婷玲[5]将VR技术用于模拟训练、教学演示和虚拟实验室等方面。本设计利用BIM技术对教学场所的环境进行模拟，包括教室结构、设备布置、学生分布等。

VR技术是一种通过虚拟现实设备模拟真实场景的技术，可以让学生身临其境地体验不同的场景，提高学生的学习兴趣和参与度。基于VR技术的沉浸式仿真课堂已经在一些高校得到应用。例如：某高校探索基于VR技术的情境创设，提高师范生情境创设能力，开展“VR+学科”教学融合，促进师范生多感官参与，开展“VR+”实验教学，增强师范

生实验操作能力[6]。

目前，将BIM与VR技术相结合的案例在教育领域还比较少，两者相结合将为发展带来更多新的体验，基于BIM+VR技术的师范生沉浸式仿真课堂可以模拟真实的教学环境，让学生借助VR设备就如同在真实环境中进行教学实践。

在师范生教育中，基于BIM+VR技术的沉浸式仿真课堂可以用于教学实践、教学演示和教学评估等方面。在教学实践方面，学生可以在虚拟环境中进行教学实践，模拟真实的教学情境，提高教学能力。在教学演示方面，教师可以通过BIM技术进行教学场所的模拟，通过VR技术进行教学演示，增强教学效果。在教学评估方面，教师可以通过BIM+VR技术对学生的教学实践进行评估，提高教学评估的准确性和客观性。

3  师范生沉浸式仿真课堂设计

3.1  软硬件设施

常见的BIM建模软件有SketchUp、Rhino、Revit等。Revit建模软件简单易用、功能强大，可以满足用户在建筑全生命周期创建模型的不同需求，最大的特点是参数化设计能力较强。本设计使用Revit建模软件创建精细化建筑三维模型。主流的VR设计软件有Unreal和Unity，二者都允许用户轻松创建交互式内容，如游戏、3D动画、技术可视化和其他综合开发工具，提供一个强大的可视化编辑器和一个丰富的操作界面。本设计采用的是Unity对教室场景进行布置与交互设计。

VR设备可以分为主机式、移动式、一体式：主机式VR设备处理器性能高、交互体验感强[7]；作为移动端设备手机VR眼镜是体验VR入门级的产品，具有价格便宜、便携程度高的特点；一体式VR设备结合了主机式VR设备与移动端VR设备的优点，具有便携、高性能、高交互、低成本等特点，比较有代表性的有大朋M2VR一体机、博思尼的X1。设计中采用一体式VR设备带给使用者高交互性的体验。表1为不同VR设备对比，图1为一体式VR设备。

3.2  课堂构建

要实现整个仿真课堂的构建，首先需要采集教室模型信息。通过已有某教学楼的施工图纸，使用Revit软件建立教室BIM。对建筑物的外形轮廓、部分细节进行拍照，收集不同角度的清晰照片，后期对照片进行剪裁、校正等数据处理，形成贴图

库[8]，对BIM进行纹理映射处理，完成真实场景的精细化建模。在交互设计上通过Unity实现师范生在教室中会涉及的交互效果，如讲课、实验教学等。最后在VR平台上实现师范生沉浸式课堂体验。具体构建流程如图2所示。

3.3  课堂设计

当沉浸式仿真课堂构建完成后，师范生选择需要呈现的虚拟课堂场景，包括理论课堂、实践课堂、应急课堂等，针对理论与实践相结合的课堂也可以进行选择。沉浸式仿真课堂解决了传统教学方法陈旧的问题，实践课堂缓解了师范生受实验教学资源限制、操作性学习不足的问题，应急课堂提高了师范生对环境的认知和应对能力。当仿真模拟课堂教学完成后，师范生还可以回顾自己的教学过程进行教学反思，并且修改自己的教学方案再次进行模拟教学，直至达到自己满意的效果。师范生沉浸式仿真课堂教学流程如图3所示。

4  基于BIM+VR技术的师范生沉浸式仿真课堂

实践

BIM与VR技术的结合突破了空间上的限制，实现了师范生沉浸式理论课堂、实践教学课堂、课堂应急场景的仿真课堂模拟，还可以实现师范生测评试讲课、模拟会议、面试等沉浸式模拟。将真实场景带入虚拟现实，有更多的实用价值有待去发掘。

4.1  理论课堂交互设计

学生可以在虚拟环境中进行教学实践，模拟真实的教学情境教室让他们沉浸式体验VR课堂，感受虚拟教学中教师和学生的状态，提高教学能力。对比真实的教室课堂场景，BIM+VR技术所模拟的仿真课堂可以实现自定义课堂内容教学、教学内容立体化、教学能力评估等丰富内容，在理论课堂设计中实现许多基础性的交互，通过许多基础性的交互结合，最终呈现给使用者的是一套完整的课堂体验。表2为一些交互的展示。

4.2  实践教学交互实现

以物理课堂实验为例，本设计通过Revit和Unity软件完成牛顿第一定律实验。在传统课堂上，实验教学时是没有表面绝对光滑的表面的，因此，无法探究小球在没有摩擦力时的运动状态，只能通过逐步减小水平面的粗糙程度进一步推理得到小车不受摩擦力时会怎样运动。师范生在虚拟实践教学课堂中不仅可以逐步减小表面粗糙程度，改变小球受到的阻力，逐步推导没有水平摩擦力时小球的运动状态，也可以直接将水平摩擦力修改为0，直观地看出小球在没有受到水平摩擦力时的运动状态。完成实验后窗口弹出提示内容，显示实验所应用的原理：一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。实现理论与实践的相互结合。图4为实验操作，图5为理论知识弹窗。

4.3  课堂应急场景

BIM+VR技术为安全教育带来新的模式，可以在事故还原、灾难体验等安全教育场景中提供真实的体验，一些在现实生活中因为设备、场地等因素无法进行的教育培训场景也能轻松进行，如火灾逃生演练。该设计通过粒子源系统完成自动灭火喷淋系统的设计，运用Pathfinder软件模拟紧急情况逃生设计，结合BIM技术和VR技术可以实现教学楼火灾模拟、制定逃生路径以及实况化逃生成果。师范生可以了解火灾发生的原因、种类和如何预防火灾等基本知识，学会正确使用灭火器材和疏散逃生等技能，保护自己和学生的安全；还可以提高对危险环境的认知和应对能力，增强沟通、协调、领导和组织能力，为今后成为优秀教师打下坚实的基础。对比传统的火灾演练，BIM+VR技术所模拟的火灾逃生场景可以自定义火源点、火灾类型、火焰扩散方式和方向，大大减少火灾模拟的成本。表3为火灾逃生模拟实现过程。

5  结论

本文提出运用BIM+VR技术实现具有高交互性的空间模拟，打破虚拟与现实之间的限制，结合BIM技术的三维建模能力，能够准确地模拟建筑物的结构和功能，方便用户进行沉浸式体验。

此外，BIM+VR技术的集成避免了实物模型带来的成本和时间延误，从而帮助设计者实现高效的建模和构造，减少工作量。基于BIM+VR技术的师范生沉浸式仿真课堂是一种新型的教学模式，本文将这两种技术结合实现部分教学交互，BIM和VR技术的集成给用户带来身临其境的体验，这种体验无法仅依靠单一技术实现，需要这两种技术相互融合和相互补充，以突破各自的局限性并弥补彼此的不足。未来，随着教育技术的不断发展，BIM+VR技术将会在教育领域得到更广泛的应用，提高学生学习兴趣，提升教学效率，增强教学效果，为教育事业的发展注入新的活力。

6  参考文献

[1] 黄凡，张郁靖，陈利敏.基于VR技术的微格实验室建设[J].科教文汇，2021（23）：5-9.

[2] 陈甘霖，吴旭平.免试认定背景下应用型高校小学教育人才培养探析[J].三明学院学报，2022，39（4）：117-124.

[3] 张艳琼.师范生模拟课堂现状分析研究[J].教育教学论坛，2013（50）：105-106.

[4] 付静.BIM技术人才培养模式研究[J].中国建设信息化，2021，150（23）：76-78.

[5] 谢婷玲.虚拟现实VR技术在教学资源可视化中的应用[J].电子技术，2022，51（7）：310-312.

[6] 王志临.基于虚拟现实技术的师范生信息化教学能力

提升策略研究[J].湖北开放职业学院学报，2023，36（6）：

157-159，162.

[7] 郑长山，周杰.基于“云工厂+VR”平台的装备制造类专

业线上线下融合教学模式探索与实践[J].产业与科技论坛，2023，22（1）：153-155.

[8] 宗秀文，黄昭军.3ds Max在校园建模中的应用[J].测绘与空间地理信息，2023，46（5）：206-208，212.