新工科与教育信息化背景下建筑结构虚拟仿真系统的开发与应用研究
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作者:徐利丽 夏玲涛
[摘 要] 以ZSpace桌面一体化VR设备为载体，有机融合虚拟现实实训与沉浸式交互体验，参照国标建筑设计图集，校企合作制作一批具有代表性的建筑构造节点，以三维立体、双向交互的呈现方式，将建筑构造节点清晰展现，帮助激发学生学习兴趣，提高学生的参与度和教师的教学效率，并进行教学应用。拟将教学新成果、教学新资源、教学新模式推广至其他高职课程。
[关 键 词] 建筑结构;虚拟仿真;开发与应用
[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2022）34-0118-04
一、项目意义
2018年“新时代高教40条”开启了推动课堂教学革命的新篇章。紧接着，2019年“本科教育改革质量22条”提出实施国家级和省级一流课程建设“双万计划”，着力打造一大批具有高阶性、创新性和挑战度的“金课”。教育信息化成为不可或缺的手段，虚拟仿真技术凭借直观性、可操作性、可重复性的优势为教学改革开辟了新的路径。传统教学方法以教师课堂授课为主，课堂上多采用PPT演示的教学手段，将知识点划分层次传授给学生，难以激发学生学习的积极性和主动性，学生对构造知识的掌握也仅仅停留在理论理解的层面，很难独立绘制构造节点及进行结构构造计算。高职土建类专业主要为企业培养高素质技能型人才，从事建筑工程生产一线的技术、管理工作，提高学生的识图能力、规范理解能力，虚拟仿真教学资源可以辅助学生完成从二维到三维的思维转变。将虚拟仿真技术引入教学，创设工作环境的情景，能够充分调动学生的主动性、参与性和竞争性，从而更好地培养学生的实践能力以及竞争意识。
目前的高职进校生基本都是经过重点高校和普通高校两轮Y选过后的，这些学生绝大多数基础差，缺乏空间想象力，逻辑思维能力较差，特别害怕纯理论的学习。现在的教学设计，尤其是在建筑和结构构造节点方面，往往因教学设备上的落后，导致教师教学时表达方式不够具体，造成课堂效果较差，难以达到授课目的。这些因素都严重制约建筑和结构构造，建筑结构及建筑构造与识图课程作为重要的专业课程，在很大程度上影响着学生将来就业和发展。且钢筋构造部分知识琐碎、枯燥，若仍采用讲授法，靠死记硬背学习配筋要求和识图知识，难以激发学习兴趣，这样学生就失去参与课堂的积极性，逐渐演化为不愿意学甚至厌学。学好建筑构造与识图，必须先掌握构造原理和做法，但是大多数高职学生不善于对知识点细节进行思考，传统的灌输式教学模式达不到预期效果。
面对以上教学问题，不难发现，原始的教学方法和手段难以吸引学生注意力，不能让其产生学习兴趣。这就需要调整教学方法和手段，如将知识点融入具体工程情景中，采用项目教学、任务驱动等方法，充分利用现代化教学设施，引入多媒体、BIM、仿真模拟等，建好虚拟现实教学资源对于推动课程教学改革和提高教学效果显得非常必要。
课堂教学中引入虚拟现实（Virtual Reality，虚拟现实，简称为VR）技术，可利用其能情景再现的优势，补齐传统课堂教学的短板，提高学生学习的主动性，培养其创新能力。它可以为人们创造相应的设计空间环境，真实性与应用性并存，使人们沉浸其中，在讲解抽象的概念时，教师可以通过虚拟空间模拟的教学模型生动地展示教学要点，帮助学生更直观地理解内容，准确掌握理论知识和实际接触的内容。虚拟模型可以直接、生动地揭示事物的形态和运动，是一种很好的教学手段。教学时利用虚拟技术模拟的模型，我们可以理解并掌握建筑构造及结构构造的基本要求，从而更好地掌握相应的理论知识。
团队有机融合虚拟现实实训与沉浸式交互体验，参照规范要求及图集做法，制作一批具有代表性的建筑构造节点及结构构造节点，以三维立体、双向交互的呈现方式，使学生有身临其境之感，这不仅调动了学生的学习兴趣，节省设备投资，而且可通过便利的升级紧跟专业技术的发展。
二、研究内容
在建筑及结构构造教学过程中，通常需要根据实际的知识内容为学生构建相关的实物模型，进而帮助学生了解较为抽象的概念，以降低学习难度，掌握知识内容。通过VR技术可以促使现阶段的抽象概念进一步形象化，通过软件进行建模，构建与教师教学所需模型相同的内容，该教学模型相较于传统模型更具优势，整体交互性较强，可促使学生参与学习实践。例如，ZSpace的建筑结构构造应用，可使学生利用节点图谱探究结构构造，帮助学生加深对人体结构的了解，为后续学习奠定良好的基础。
根据建筑构造与识图及建筑结构课程教学内容，列出重点、难点，制作了一批虚拟现实教学资源的知识点。同时，通过优质教学资源的有效整合，规范专业教学基本要求，使教学内容与行业需求相对应。建筑构造与结构构造虚拟现实教学资源具体内容见表1、表2。
（一）教学系统开发
联合广州中望龙腾股份有限公司校企合作开发教学系统，教学系统核心目标是改革和优化职业教学模式，开发和积累教学资源。系统以ZSpace桌面一体化VR设备为载体，有机融合虚拟现实实训与沉浸式交互体验，参照国标建筑设计图集，制作了一批具有代表性的建筑构造节点。该系统充分体现VR技术表现力强的优势，以三维立体、双向交互的呈现方式，将建筑构造节点清晰展现在学生面前，帮助激发学生的学习兴趣，提高学生的参与度和教师的教学效率。
系统包含基础构造、墙体构造、楼地层构造、屋顶构造、楼梯构造、变形缝构造六大部分总计34个建筑构造节点模型，系统界面及交互显示效果如图1～4。系统包含基础构造、梁构造、墙构造、板构造、柱构造五大部分总计58个结构构造节点模型。系统采用三维仿真技术，将二维节点构造转化成立体的三维模型，通过二维图纸与三维模型同屏交互显示，三维模型360°旋转、缩放、拖拽等功能，实现了三维模型的全方位观察体验。
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（二）教学应用推广
本系统涵盖的资源适用面广，适用于本科、高职、中职学生，适用课程见表3。该系统已运用于我校建筑构造与识图课程教学，通过两个平行班的对比，运用本系统教学的班级，在课程后期设计并绘制构造节点时有明显的优势，后续团队拟将教学新成果、教学新资源、教学新模式推广应用于其他建设相关课程中。
三、特色与创新之处
（一）降低实训成本
学生坐在教室就可以掌握构造要求，从而优化教学过程，提高教学的质量和效率。相比较传统实验实训室搭设节点模拟施工现场，虚拟现实教学具有成本低、效率高、可扩展性强、操作安全、高度开放、资源共享、随技术发展更新换代快等特点，是对传统实验实训的完善补充和拓展。
（二）真正理实结合
利用虚拟现实技术构建课程中的构造模型，一方面加强基础理论信息传递的效果，另一方面使每个学生都能通过VR深入体验，解决传统教学模式下“难理解”“难实现”的问题，增加学生对构造的学习兴趣，提升学生的创新和空间思维能力，掌握实际项目中构造做法，实现理论和实践相结合的教学。
（三）突破三大约束
传统教学过程中，为了让学生拥有对建筑及结构构造的感性认识，教师带领学生参观施工现场，帮助W生掌握钢筋的种类级别、绑扎、加密、搭接等构造，约束条件较多，但借助虚拟现实技术则不受时间、空间影响，不受施工进度影响，不受自然天气的影响，便于教学进度的安排。
（四）创新教学模式
通过虚拟现实等形式进行课程教学，克服传统的静态图片教学的弊端，VR技术把真实度极高的视觉、触觉、听觉有机结合，营造一种虚拟环境，让置身其中的人们体验感极强，充分调动学生的积极性，操作具有趣味性、灵活性强，真正做到“寓教于乐”。3D虚拟现实场景，游戏式的教学模式，使学生在系统环境下游戏式操作体验的同时轻松掌握构造知识，有效提高“1+X”建筑工程识图专业技能等级证书的通过率。
参考文献：
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◎编辑 王亚青
基金项目：2022年度浙江省教育科学规划课题“新工科与教育信息化背景下建筑结构虚拟仿真系统的开发与应用研究”（2022SCG300）;教育部首批国家级职业教育教师教学创新团队研究项目“新时代高等职业院校‘建筑信息模型制作与应用’专业领域团队教师教育教学改革创新与实践”（ZD2020070101）。
作者简介：徐利丽（1988―），女，浙江杭州人，讲师，硕士，研究方向：建筑结构。
夏玲涛（1971―），女，浙江杭州人，教授，硕士，研究方向：结构设计。
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