VR建筑实训室建设方案

VR-建筑工程实训室

建设方案

目录

项目负责人：寿胡滨

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一、项目背景

（一）、政策背景

我国《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高〔2012〕4号）提出，“加强实验室、实习实训基地、实践教学共享平台建设，重点建设一批国家级实验教学示范中心、国家大学生校外实践教育基地、高职实训基地。加强实践教学管理，提高实验、实习实训、实践和毕业设计（论文）质量。”等强化实践育人环节的措施。

《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》也指出，“建设仿真实训基地等信息化教学设施，建设实习实训等关键业务领域的管理信息系统，建成支撑学生、教师和员工自主学习和科学管理的数字化环境。

《国民经济和社会发展第十三个五年（2016-2020年）规划纲要》也提出要大力推进虚拟现实等新兴前沿领域创新和产业化。

（二）、行业背景

从上世纪90 年代开始,虚拟现实技术被广泛地应用于实体模型制作、信息交流和管理、艺术及娱乐等领域,同时也受到了建筑师们的青睬。

(1) 作为理解的工具

虚拟现实技术带给我们的是具有真实感的序列立体图象,这样就大大方便了我们对于对象的认识和理解。例如作出传统中国木建筑的虚拟模型,建筑专业学生便可用此模型了解中国木建筑的营建过程。又如,作出红楼梦中的建筑群的复原虚拟模型,综合成一个单独的虚拟境界。利用它,一般人可很快理解小说中人物的生活场景。在欧洲、日本和美国,虚拟现实日益广泛地被家具商和房地产商们用作展示方式和促销手段。

(2) 作为设计和体验的工具

为了确保生产出来的产品符合不同用户的需求,有必要让用户在产品的设计阶段就能体验产品的性能,以便随时修改设计方案。利用虚拟现实技术让用户在虚拟空间中,对系统进行性能评价和模拟体验。例如虚拟厨房体验,设计者先根据用户的要求设计厨房的大致框架,据此用CAD系统划出平面图、立面图筹,并列出费用清单。然后让用户在模拟体验系统中体验厨房的方便程度。可以体验与厨房设计所对应的虚拟空间中各部分的配置,空间的高度感、前后的延伸感等。体验厨房门的开闭、水龙头的操作以及在壁柜内放置物品的情况等。有了这种虚拟厨房,可以使用户在厨房制造前检验设计的合理性,然后根据用户确定的设计启动计算机集成制造生产线,其加工精度为毫米。这就是虚拟现实技术作为设计和体验的工具的应用。

(3) 技术论证

在实际工程项目中, 因施工技术问题而导致原设计失败的例子屡见不鲜,因此,对于许多大型的建设项目而言,进行施工技术可行性的论证非常有必要。虚拟现实技术的出现为我们解决了这一难题。利用虚拟现实技术不仅仅可以作视觉方面仿真,还能对动力学、运动学等方面进行仿真。

例如,通过模拟建筑施工中大型构件运输、装配过程,可以检验此过程中是否存在物件的碰撞、干涉,是否因构件形变导致结构破坏等,经过虚拟工建造过程,可以检查施工计划和技术的合理性和有效性。

面对竞争日益激烈的人才市场，担负着教育责任的工程建设类院校，不可能像基础教育一样只关注对学生基本素质的培养，院校也面临着毕业生无一技之长难以就业的困局。

缺乏专业的实验实训室及配套的软件，建筑类院校建设类专业的实验及实训课程基本以老师理论讲授、案例教学为引导，学生进行校外实习和方案设计为主的教学模式。

注重土木类的教学，缺少针对施工技术和管理类的实训。实际教学与实际工作流程存在一定的差距。

侧重基础知识和技能教学，实际工程案例缺乏，缺少对建筑、水利、市政等施工企业岗位实战认识实训和岗位性综合实训，缺少项目全生命周期综合案例实训。

建设类专业职业发展所需的应用技能：坚实的专业知识及基本的操作技能；对行业工作流程的把握及管理工作的融会贯通；

建设类专业由于其特殊性，一般建筑企业不愿意接受学生实习，安全因素是一个比较大的难题。但本专业又具有突出的实践性和应用性特点，使得在教学过程中必须通过实习和实训，才能使学生将所学知识和技能掌握。缺少必要的实训软件和仿真实训平台，将严重影响教学质量和学生的综合素质培养。

二、项目实施意义

利用技术，以数字化信息为基础，对学校的教学、科研、管理和生活服务等所有信息资源进行全面的数字化，最终实现教育的信息化，提高学校的办学水平和管理水平。

（一）、教育意义

实验教学是中高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。虚拟仿真实验教学建设工作坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，以全面提高中高等院校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，以建设信息化实验教学资源为重点，分年度建设一批具有示范、引领作用的实技术实验教学中心，持续推进实验教学信息化建设，推动中高等院校实验教学改革与创新。

职业教育，尤其是我们所处的建设领域，职业化学校肩负着培养职业技能型人才的任务，是社会经济发展非常重要的组成部分。但我们可以看到，目前的教学模式单一而落后，教学过程中以书本为主，理论化的教学模式依然是主流，而建设领域的技术发展和创新日星月异，教材的老化和脱节严重影响到了行业发展，同时加剧了就业压力和专业人才缺口的扩大。

在传统教学中，长期以来人们不得不用抽象的概念表示非常丰富的内容，如用平面图、剖面图、立面图等平面图形成一些规定的符号来表示三维的立体建筑，用比较抽象的图形和精练的语言来描述复杂的场景，以传递大量的信息。但这一种信息处理与传递方式受到信息接受者所从事的职业、知识结构及理解能力的影响，交流起来非常困难。

虚拟现实技术的发展为我们克服这一困难提供了极其有效的手段。用虚拟现实既能表示真实的世界，也可以表示虚拟的世界。表示真实世界时，可以突破物理空间和时间的约束，做到能“超越现实”；在表示虚拟世界时，又能使其中的虚拟物体表示出三维逼真感，以达到身临其境的感受，最后形成一种“人能沉浸其中、超越其上、进出自如、交互作用的三维信息空间”。VR技术为用户提供了一种新型的人机接口，它利用计算机生成交互式三维环境，不仅使参与者能够感受到景物或模型的逼真存在，并且对参与者的运动和操作做出实时准确

的响应。

引入职教一体化VR实训室建设，将其沉浸性、交互性、自主性、多感知性等特性融入教学过程中，以实训室为依托，基于“互联网+”的手段实现教学模式创新、教学方法创新、教学内容与实际同步。

（二）实习实训意义

职教一体化VR实训室建设将极大程度上解决本校学生的实习实训，课堂教学以实际相互衔接，培养学生的基础知识与专业职业技能的融合。同时一体化的思路引入，将使得教学的深度、系统化更强，培养职业管理型人才及综合素质较高的专业技术人才的目标将更加有利。

虚拟现实技术实验是为本科教学而设计和实现的。实验教学依托、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。

实验教学中心建设任务是实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目。实验教学中心建设应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则。

（三）社会效益和经济效益

职教一体化VR实训室相对于传统的等比例建筑专业情景模型基地更加省钱、省场地、省人工。

职教一体化VR实训室的建设，可以有效解决本校学生实习实训的同时，使得常规的外出实习实训的安全风险得以规避，安全管理的压力和风险得以控制。

建设完成后，可以吸纳地方兄弟院校和相关培训单位，将本校的一体化实训基地有条件的进行开放，以低于市场平均价格的实习实训费用，服务于其他院校，提升地方职业化教育的水平。

大量的施工企业也存在亟待解决的安全教育、入职培训、技能培训问题，施工企业可以将一体化实训基地作为企业培训和教育的窗口和平台。同时，基地也可以聘请有丰富经验的一线技术管理人员参与日常的工作中来，通过技术融合、管理融合等思路不断提升实训基地的水平。

三、建设内容

（一）、VR实训室原理

虚拟现实（VR-Virtual Reality）,也称虚拟实境，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术。

与传统的模拟技术相比，虚拟现实技术的主要特征是：操作者能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟现实环境中，与之产生互动，进行交流。通过参与者与虚拟仿真环境的相互作用，并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，以全方位地获取虚拟环境所蕴涵的各种空间信息和逻辑信息。

沉浸/临场感和实时交互性是虚拟现实的实质性特征，对时空环境的现实构想（即启发思维，获取信息的过程）是虚拟现实的最终目的。

虚拟现实技术的先进特性使得该项技术应用于各行各业的模拟仿真研究中，并切实有效地指导了生产实践。自从虚拟现实技术诞生以来，它已经在城市建设规划、军事模拟、先进制造、地理信息系统、医学生物等领域中发挥了巨大的经济、军事和社会效益。虚拟现实技术在不远的将来就会像当年的计算机一样应用于社会生产实践的各个领域，它与网络、多媒体将并称为21世纪最具应用前景的三大技术。

随着虚拟现实技术的成熟，人们开始认识到虚拟现实在教育领域的应用价值，它除了可以辅助高校的科研工作，在实训体验教学方面也具有利用率高，易维护等诸多优点。近年来，国内的许多重点高校都根据自身科研和教学的需求建立了虚拟现实技术实验室。

（二）、VR实验室的组成部分

1、VR应用系统

以建筑模型应用系统为例：

传统的等比例实体模型，虽然节点资源丰富，满足日常教学的“观赏性”学习，但是作为静态的模型节点，学生只能观察“节点”外形特征，知其然，而不知其所以然，学生无法更加深入的了解“节点”的细部构造，施工要求、质量要求等具体的内容。

万霆虚拟等比例实体模型引入了配套的资源云平台，将实体“节点”与相关资源链接，使得静态的模型插上“资源”的翅膀，变的更加的丰富多彩。

节点模型三维仿真化：将传统的等比例实体模型，通过计算机技术，采用Untiy3D技术复原，在每个节点上，赋予知识热点，用户可通过三维模型的剖切和漫游，点击知识点，了解该构件的配套资源信息。

资源包括：电子科技（ppt）、施工视频（仿真、实拍）、微课资源、题库等。

以框架柱为例，用户通过账户进入，化身虚拟人物在三维模型中漫游，点击每个知识热点，系统会自动显示该节点配套的专业知识。

2、沉浸式虚拟三维显示系统

在虚拟现实应用系统中，通常有多种显示系统或设备，比如：大屏幕监视器、头盔显示器、立体显示器和虚拟三维投影显示系统，而虚拟三维投影显示系统则是目前应用最为广泛的系统，因为虚拟现实技术要求应用系统具备沉浸性，而在这些所有的显示系统或设备中，虚拟三维投影显示系统是最能满足这项功能要求的系统，因此，该种系统也最受广大专业仿真用户的欢迎。虚拟三维投影显示系统是目前国际上普遍采用的虚拟现实和视景仿真实现手段和方式，也是一种最典型、最实用、最高级别的投入型虚拟现实显示系统。这些高度逼真三维显示系统的高度临场感和高度参与性最终使参与者真正实现与虚拟空间的信息交流与现实构想。

3、沉浸式虚拟现实交互系统

多自由度实时交互是虚拟现实技术最本质的特征和要求之一，也是虚拟现实技术的精髓，离开实时交互，虚拟现实应用将失去其存在的价值和意义，这也是虚拟现实技术与三维动画和多媒体应用的最根本的区别。在虚拟现实交互应用中通常会借助于一些面向特定应用的特殊虚拟外设，它们主要是6自由度虚拟交互系统，比如：力或触觉反馈系统、数据手柄、位置跟踪器或交互控制器等等。

ＶＲ技术的核心是通过计算机产生一种如同“身临其境”的具有动态、声像功能的三维空间环境，而且使操作者能够进入该环境，直接观测和参与该环境中事物的变化与相互作用。因此，将ＶＲ技术应用于建筑工程仿真研究，不但可以使得该领域内的计算机仿真方法得到完善与发展，而且也将大大提高设计与施工的逼真性、实效性和经济性。

建筑施工是复杂的大型的动态系统，它通常包括立模、架设钢筋、砌筑、浇注、振捣、拆模、养护等多道工序，而这些工序中涉及的因素繁多，其间关系复杂，直接影响着施工的进程。模拟施工过程是为了通过虚拟仿真手段，去发现实际施工中存在的问题或可能出现的问题，这就需要对实际施工进行模拟。而目前施工过程的模拟只是从几何形体方面模拟施工的过程，即按楼层关系由下而上，每一层按柱、梁、板的几何形状加以着色来实现对施工过程的模拟。现有的模拟只是对进度计划起到了一定作用，并没有对施工过程起到真正的作用。基于以上原因，需对施工过程建立合适的模型，设计对应实际施工操作的交互，以达到模拟仿真的效果。

（三）VR实训室建设

（1）实训室设计

由于VR技术的特殊性，VR实训室可以选取一个教室进行改造。也可直接在高端实训教室中植入VR实训。

▲VR实训室

1.采购优质的高端品牌电脑、多媒体设备及LED曲面拼接屏（或曲面投影），建立一个多功能的高端实训教室

2.现场根据教室大小进行布局，可采用传统条形桌椅、环岛桌椅布局、五（六）边座椅布局、实现学生的教、学、练；

3、教室实现无线网络全覆盖，与学校的建筑教学云平台对接，将仿真软件介入互联网，实现本平台各类软件的平台化应用及实训过程的管理和实训结果考核检测。

四、项目建设目标

VR实训室的建设，将形成特色专业化的教学新模式。

人才培养方案的设计直接关系到毕业生的能力结构和就业能力，基于项目管理思想和方法的人才培养模式，在设计之初就将学院教学和社会需求相结合，将学生的理论知识和技能学习同实践相结合，将学生的专业技能与综合素质相结合，将学生的就业能力和企业的用人要求相结合，形成了完整的、系统的人才培养平台，实现了学生、教师、学院、用人单位和社会等多方共赢。

（1）大众化教育模式下，表现在基础知识的掌握上差异较大，为保证教学质量满足社会对土木工程技术与工程管理类人才的需要，实施工程施工的全程可

视化教学模式改革，可以在很短时间内把这种差异缩小。

（2）可视化教学体系建设增强了学生自主学习的灵活性，从入学到毕业的任何时间段都可以学习施工知识。

（3）由感性认识再到理性认识，不仅激发了学生的学习兴趣，缩短了学生的认知时间，对促进优秀大学生的个性化发展，激发大学生的科研能力作用明显。

（4）学生可以了解到当前最新的施工工艺流程以及项目管理，提高其学习的兴趣，提升学生的思考、实践和创新能力，打造复合型人才。

（5）理论联系实际，以实体比例节点构造模型和计算机模拟施工工艺的方式，将现实生活中的实际工程，在实训中心将所学的基础理论知识和技能进行系统的整合，形成完整的体系。

（6）可将面向社会和其他兄弟院校，开展就业培训、在职培训以及技能培训等工作，实现资源共享，提高实训中心的利用率，充分发挥其使用效益和经济效益。