建筑类专业虚拟仿真实验教学平台建设.pdf

建筑类专业虚拟仿真实验教学平台建设葛峰，蒋博雅，郭兰，谢寒宵（南京工业大学建筑学院，江苏 南京，211816）随着信息技术的不断更新迭代和互联网的发展，为适应社会经济发展需求，新时期的建筑类人才培养目标对于实验教学如何与人工智能、大数据、云计算等前沿技术进行深度融合，并实现创新提出了更高的要求。根据 全国普通高校本科教育教学质量报告（2020 年度）数据统计，近年来，全国本科高校在线学习大学生人数共计 35 亿人次，全国高校在线课程开出率达到 91%。随着线上教学的快速发展，虚拟仿真实验教学已悄然由 1.0 阶段进入 2.0 阶段，建设的趋势逐渐从资源建设向加强平台建设、促进共享应用、支持物理空间与虚拟空间相融合的虚拟仿真教学环境建设转变1，尤其在“十四五”期间，实验教学智能化、自主探究式学习等的需求显著增加，虚拟仿真实验教学平台的持续建设仍然将是高校实现高质量信息化和数字化发展的重要工作任务和内容之一。建筑类专业为建筑学、城乡规划、风景园林、土木工程、室内设计等专业的统称，涵盖社会学、经济学、生态学、工学等学科范畴，其对应的实验教学具有周期长、消耗多、风险高等特征，而虚拟仿真实验教学平台建设可以弥补上述问题，多维度赋能建筑类专业教学改革和学科发展2。虚拟仿真实验教学平台的建设为高校建筑类专业的实验教学创新改革提供了一种新的途径和方式，在学科发展、校企合作、人才培养等方面发挥了重要的促进作用3-4，能够提高建筑类专业学生的设计效率及能力水平5。一、建筑类专业虚拟仿真实验教学平台建设面临的难题随着虚拟仿真技术的日趋成熟，建筑类专业实验教学迎来了新的发展机遇，经过 2015 年的国家级虚拟仿真实验教学中心和 2017 年的示范性虚拟仿真实验教学项目的建设，虚拟仿真实验教学平台建设已然实现了快速发展，并将建筑类专业的信息化、智能化建设水准推向新的高度，但是在实施过程中依然存在诸多不足之处。（一）规模和质量有待提升随着虚拟仿真实验教学平台的发展，国内各建筑院校逐年增加实验教学的资金投入，但依然无法解决建筑类专业实验教学需求大与虚拟仿真实验教学平台数量过少之间的矛盾。尤其是近年来为了不影响正常的教学计划，达到“停课不停教、停课不停学”的教学要求6，所有课程开始采用线上教学的模式，建筑类专业虚拟仿真实验教学平台在面临考验的同时发挥了重要的作用，也集中暴露出诸多问题，如在中国大学 MOOC、腾讯课堂、网易云课堂、学习通等网站关于建筑类专业的虚拟仿真实验教学平台数量过少，部分平台在建设过程中存在实验内容亟须更新、开放共享性不足、缺乏规范指导等问题，导致平台建设水平参差不齐，平台的整体质量与虚拟仿真实验教学信息化建设的要求和标准依然存在一定差距。（二）纵向体系有待优化虚拟仿真实验教学平台在建设过程中出现了缺乏全局统筹意识、顶层设计理念、系统性规划布局等问题。在国家层面，出现了不同院校的建筑类专业虚拟仿真实验教学平台同质化严重、建设质量参差不齐、与其他数字化高校管理平台系统连接不畅等现象；在学校层面，建筑类专业虚拟仿真实验教学平台后期的维护、运行、监管和管理机制依然有待完善，校级平台由于缺乏资金支撑，导致实验教学存在效果不DOI：10.16681/ki.wcqe.202319008作者简介：葛峰（1985），男，实验师，硕士。研究方向：实验室建设与管理，城乡规划，虚拟仿真技术。注：本文系江苏高校哲学社会科学研究项目“建构主义视域下虚拟仿真实验教学模式研究”（编号：2021SJA0200）；江苏省高等学校教育技术研究会 2021 年高校教育信息化研究课题“金课 背景下建筑类专业虚拟仿真实验教学项目建设研究”（编号：2021JSETKT048）；中国建设教育协会教育教学科研课题“教育信息化背景下建筑类专业虚拟仿真 金课 建设与应用”（编号：2021107）。摘要：文章首先分析了建筑类专业虚拟仿真实验教学平台建设面临的难题，然后提出了建筑类专业虚拟仿真实验教学平台建设策略，最后阐述了建筑类专业虚拟仿真实验教学平台建设成效。关键词：实验教学平台；虚拟仿真；建筑类专业中图分类号：G434文献标志码：A文章编号：2095-6401(2023)19-0030-05西部素质教育2023 年 10 月第 9 卷第 19 期西部素质教育2023 年 10 月第 9 卷第 19 期佳、平台运行较差的情况；在学院层面，专业教师的建设积极性和主动性不足，虚拟仿真实验教学平台在学科建设和评估过程中无法突显学科特色和专业优势。对此，建筑类专业虚拟仿真实验教学平台在纵向系统中需要明确分工，厘清各主体职责，高效串联起“院校省国家”四级仿真平台体系，重构层层畅通、数据库共享、学分互认的建筑类专业虚拟仿真实验教学平台体系7。（三）师资队伍有待完善随着虚拟仿真实验教学平台的持续深入建设，实验教学平台涉及多学科交叉、理论与实践紧密结合的特点对于实验教学教师综合能力的要求也在不断提高，其中建筑类专业虚拟仿真实验教学平台需要构建熟练掌握设计学、计算机技术、实验管理等多领域技术的团队，在组建团队时，一方面要考虑教师的专业化水平，另一方面还需要教师具备较强的信息技术素养和团队协作能力。然而通过对已建成的建筑类专业虚拟仿真实验教学平台的师资队伍组成情况进行研究可以发现，当前实验队伍的人员配置、学历水平、职称结构、综合能力等参差不齐，同时对于师资队伍的考核、奖励、监督等机制和制度还需进一步完善，高校在人才的引进和培养过程中对信息化技术的考核与量化的重视程度明显不足，实验教学与管理的教师队伍建设依旧薄弱，亟须改善。二、建筑类专业虚拟仿真实验教学平台建设策略南京工业大学（以下简称“我校”）建筑学院依托建筑与城市环境虚拟仿真实验教学中心（以下简称“中心”）提出要建设“三方向、三层次”的虚拟仿真实验教学平台，涵盖建筑学、城乡规划、风景园林、土木工程、交通规划等学科，旨在构建一个完整的、可持续发展的虚拟仿真实验教学平台，以提高建筑类专业学生的综合设计素养、实践操作技能和创新逻辑思维。（一）平台建设内容我校建筑学院的虚拟仿真实验教学平台以中心为建设主体，在梳理现有实验课程的基础上，整合建筑相关专业的实验教学大纲、精品课程、人才培养方案等教学资源，协同企业创建虚拟仿真平台管理框架和功能模块，制定参与平台建设和升级工作的相关师生的学分和绩效奖励制度，建立开放共享的建筑类多学科交叉融合的虚拟仿真实验教学平台，设置链接其他建筑类专业虚拟仿真实验教学平台、校级数字化管理系统等扩展端口，向其他院校、设计院、教务处、协同企业等提供相应的管理权限，上传和下载视频、模型、报告等实验资源，开辟师师、师生、生生等不同使用角色的实验交流空间，为学生提供更加全面、系统的学习与交流体验。该平台依托中心和建筑类专业的教学体系，以“三方向、三层次”理论为核心指导，如图 1 所示，将“建筑研究与遗产保护”“理想城市城市空间环境”“外部空间与风景园林”三个方向和“感性认知、直观体验”“素材分析、系统训练”“学科融合、能力提升”三个层次相结合，实现了虚拟仿真实验教学平台的系统化和综合化。近年来，我校建筑学院围绕“三方向、三层次”实验教学平台和“能实不虚、以虚促使、虚实结合”的原则，逐步完成了建筑类专业26 项虚拟仿真实验的建设，其中，“厅堂音质的混响设计虚拟仿真实验”获批教育部国家级虚拟仿真实验教学一流课程。（二）平台建设方法1.建立平台建设统一范式。平台实验的开发主要通过院院合作、校企合作的方式，而为提升平台实验教学资源数量和质量，中心制定出教学资源建设的通用指导内容，并且鼓励学生积极参与初期实验设计部分的建模工作。教学资源主要采用 3D 仿真、二维动画和 HTML5 语言标准，其中三维模型主要依托 Uni原ty3D、Max、SketchUp 等软件，将计算机辅助设计、学科竞赛与核心设计课程等课程的模型与实验资源模型结合，达到“一模多用”的目的，缩减学生日常作业工作量，提升实验教学效率和水平。此外，为了创建仿真实验的逼真场景，还使用了 Adobe Flash、Animate C 与Visual Studio 软件。为保障平台系统的安全和稳定，服务器安装在学校信息管理中心高标准高性能数据中心主机房，统一采用 Windows Server 服务器操作系统和 MySQL、SQL Server 数据库，利用学校内部网络架构，与其他部门和用户之间建立更快速、稳定的连接，确保足够的网络带宽，以满足可能涉及大量数据传输和访问的需求8。2.创建实验教学智能化平台。“三方向、三层次”虚拟仿真实验教学平台依托中心设立，从根本上解决了传统实验场地和开发时间限制的弊端，建筑类专业学生和教师可以随时随地通过手机、平板电脑、笔记本电脑等终端设备进行实验操作和交流。通过全员育人、全程育人和全方位育人的实践，该平台能够更好地关注学生个体差异，促进其全面发展和成才。由于该平台面向社会开放共享，建筑类专业相关人员均可西部素质教育2023 年 10 月第 9 卷第 19 期通过注册登录平台，因此学生可以在虚拟的场景中与同学、教师、设计师、政府部门行政管理员等人员进行交流，以及通过终端的穿戴设备与计算机在沉浸式的情境中交互。当学生忘记实验过程中的实验步骤，可以点击提示按钮，平台就会弹出下一步操作的提示，并且记录整个实验过程。平台还会模拟出错误操作导致的逼真化危险场景，这样可以深层次激发学生的安全意识和应急能力，促使学生关注实验的关键知识点。实验结束后，平台对于多次实验的结果进行对比和校对，帮助学生对专业知识进行查漏补缺，强化专业知识体系中的薄弱部分。与传统实验相比，平台在实验考核方面进行了诸多创新和改革，与实体实验考核的本质区别在于考核的量化和细化，实体实验往往侧重教师对实验结果的判断和主观评价，导致实验成绩无法全面反映出学生实践能力，而平台根据虚拟仿真实验的课前预习、知识点测试、实验步骤、方案设计、实验报告等多个环节进行自动评分，考核成绩趋于科学化、全面化和精准化，在各个方面体现出学生的综合能力和素养，对于训练学生的设计逻辑思维和创新能力发挥出重要的作用，可从多维度帮助建筑类专业学生完善城市规划、工程建造、建筑设计等学科领域专业知识体系。图 1 虚拟仿真实验教学平台组织框架3.统一平台教学资源设计流程。教师在建设平台的实验教学资源时可以采用模块化的方式9，主要有实验简介、实验预习、虚拟实验、操作指南、实验帮助、实验考核、实验记录与报告等模块，且可以根据实验类型和实验目的不同，自由配置个性化10且具有针对性的模块组合。实验开始前的简介包含背景、目的、原理、流程四个部分，可以帮助学生熟悉实验的相关理论知识点。在预习阶段考核学生对实验内容及理论知识掌握情况，通过后即可进行简单的实验交互操作。在操作指南的具体步骤引导和实验帮助的协助下，学生可以自行设计实验内容。实验过程中伴随提示，不同参数设置产生的结果各不相同，学生可以在生成的实验报告中填写、分析和思考，总结实验在设计、操作等不同环节的优缺点，最终获得平台自动生成的详细得分和成绩。（三）平台空间布局平台根据建筑类专业学科发展规划和新工科人才培养要求，基于“虚实结合、以虚促实、能实不虚”的原则，将分散的绿色建筑与生态城市实验室、CAD 实验室、虚拟现实与数字技术实验室（VR 实验室）、模型实验室、建筑物理实验室和建筑技术构造实验室集中在一起，并且新建虚拟仿真与大数据实验室，进一步西方经典建筑解析虚拟实验、宗教建筑类型虚拟实验、基于古建筑测绘数据的虚拟重建、建筑遗产保护复原虚拟实验民国建筑与街区场景再现、高层建筑对周边交通影响仿真实验、城市环境认知虚拟实验、城市空间形态设计虚拟实验园林亭榭营造虚拟实验、SpeedTree园林植物三维模型库展示及应用、古典园林景观虚拟实验历史建筑环境虚拟实验平台城市空间环境虚拟实验平台建筑空间环境虚拟实验平台“三方向、三层次”实验平台虚拟仿真项目三层次“感性认知、直观体验”的基础阶段“素材分析、系统训练”的拓展阶段“学科融合、能力提升”的综合阶段三方向建筑研究与遗产保护理想城市城市空间环境外部空间与风景园林中心体系建筑与城市环境虚拟仿真实验教学中心三方向、三层次虚拟仿真实验教学平台体系西部素质教育2023 年 10 月第 9 卷第 19 期加强实验室与实验室、实验室与虚拟仿真实验教学平台之间的显性与隐性联系，如图 2、图 3 所示。在建筑类专业实验课程体系中，可将面向低年级的“演示型”和“验证型”实验主要安排在实体实验室，对于面向中年级的“综合型”和“设计型”实验，可采取虚拟和实体实验室相结合的形式，而高年级的“研究创新型”实验则主要安排在虚拟仿真与大数据实验室中开展。中心的 CAD 实验室配套 60 台高性能台式计算机，可供 2个教学班级（每个班级约 30 人）同时上机开展虚拟仿真实验；VR 实验室的虚拟现实空间感知体验功能则可以同时满足 3 个教学班级进行认知实验的需求；虚拟仿真与大数据实验室配套了 HTC Vive Pro、zSpaceVR桌面交互一体机、微软 Microsoft HoloLens 等单人虚拟仿真实验输出设备。随着当前建筑类专业的扩招，对应的实验空间并没有随之增加，而虚拟仿真实验教学平台的实验预约功能解决了虚拟和实体实验室空间不足的难题，学生可以通过手机 APP、中心网页等方式预约多次实验，这种“一站式”实验体验可以激发学生的学习积极性和提高学生的创新实践能力。图 2 CAD 实验室图 3 虚拟仿真与大数据实验室（四）平台建设机制1.组织保障。为保证虚拟仿真实验教学平台的高效运行和教学质量，中心配备了结构合理和经验丰富的师资队伍，由学院分管实验教学副院长担任主任，实验技术人员主要负责实验的宣传、管理、课程指导、系统维护等，并鼓励具有丰富教学经验、专业技术水平较高的教授、副教授和讲师负责平台建设和优化升级11，以及联合建筑类其他院系如土木学院、交通运输工程学院、城市建设学院等教师共同参与，依托校企协同育人项目和建筑类专业创新实践基地挂牌工程，联合相关企业将建筑行业先进工程项目融入虚拟仿真实验教学平台。平台实行多部门联动，学校实验室建设与管理处承担平台定位、考核机制等政策制定和协调工作；学校信息管理中心负责平台服务器的托管和数据库的安全监管，同时在虚拟仿真实验教学平台上线前须组织安全渗透检测，保障网络安全；学校教务处承担师生信息录入、信息维护、课程安排、成绩查询、教学评价等任务。通过部门联动和职能互补，可确保虚拟仿真实验教学平台的高效运行和实验教学质量。这种协同工作模式有助于高校充分利用资源为学生学习提供全面支持并促进校内各部门之间紧密沟通与合作，推动虚拟仿真实验教学平台的高效建设和优质教学环境的形成。2.经费统筹。平台建设与维护的经费具有“多通道、多主体、多元化”特点，一是通过校企合作、协同育人等方式与企业进行合作，在立项阶段可获取相应经费支持。目前，平台已经与多家企业合作开展多项协同育人项目，获得企业经费投入约 100 万元。二是根据学科发展和实验教学需求情况，每学年向学校实验室建设与管理处申报相关人才培养条件建设经费（教学设备费）。三是统筹利用中央与地方共建高等院校专项资金。通过与企业的合作，建筑类专业可以充分利用资源，本着互惠互利、合作共赢的原则，获得经费、技术支持和行业合作机会，进一步提升虚拟仿真实验教学平台的建设质量，并促进建筑类专业学生的全面发展。此外，产学研结合还能提高建筑类专业在产业界的影响力和声誉，促进区域经济的发展和学生创新能力的提升。3.评估机制。评估工作包括内部评估和外部评估两部分12，各自具有不同的职责和内容。内部评估方面，由中心专职实验管理人员负责平台的评估工作，关注平台的教学内容和方法创新、学生综合能力提高、师资队伍建设等多个方面，主要通过学生问卷调查、课程观摩等方式，收集学生和教师的反馈意见，对平台实验教学效果进行评估。外部评估方面，由学校教务处、实验室建设与管理处等部门联合开展，主要评估平台的开放共享程度、多学科交叉融合发展等方面，调查校内外联合毕西部素质教育2023 年 10 月第 9 卷第 19 期设、校企协同育人等建设成效。评估报告将提供客观、独立的意见和建议，为平台的发展提供指导和改进方向。教师将内部评估和外部评估相结合，能够全面了解虚拟仿真实验教学平台的教学质量和发展情况，并为平台的教学改革和发展方向准确定位提供重要依据。三、建筑类专业虚拟仿真实验教学平台建设成效（一）实验教学信息化水平大幅提高平台建成之后，突破了部分传统建筑类专业实验无法开展的困境，部分实验由理论课堂上扁平化的PPT、视频等内容转变为立体化、网络化和信息化的人机交互虚拟场景，学生可以在模拟的建筑环境中进行实际操作和科研探索，更深入地理解设计、结构、施工等要点，提高实践技能和专业水平。平台丰富的实验资源、真实场景模拟、自主和个性化学习选择、实时交流与反馈等信息化教学功能，为学生提供了更多的学习机会和优质的实验体验。自 2019 年以来，平台的信息化与智能化帮助全国各地的建筑类专业学生全时空完成实验教学和科研创新任务。调查数据显示，建筑类专业学生在此期间对线上实验教学的满意度上升到 90%以上，其中平台的信息化建设发挥出至关重要的作用。（二）学生创新实践能力显著提升通过平台模拟的实验场景，学生可以全面参与建筑工程设计和施工过程，发散创新思维和训练实际操作能力，以及思考自主探索解决现实建筑问题的方法，不断尝试不同的方案和方法验证实验猜想，打破思维束缚的实验模式，这对培养建筑类专业学生的问题解决能力和独立思考能力训练起到重要作用。近年来，建筑类专业学生依托平台在国内外学科竞赛和学术研究中取得优异的成绩，如 HKDADC 香港数字艺术设计大赛、WUPENiCity 城市设计国际竞赛、中国人居环境设计学年奖、“憧憬 美丽中国”艺术设计大赛、“互联网+”大学生创新创业大赛等，并在 科学技术与工程 城市发展研究 生态学报 等核心期刊上发表高水平学术论文 20 余篇。（三）建筑类专业学科联系更加紧密平台不仅能够提供实践环境和操作机会，还能够将各个学科知识有机地融合在一起。学生在进行建筑设计、施工模拟等实验过程中，需要综合运用建筑原理、结构、材料科学、计算机技术等多个学科的知识。由此，学生不再把建筑视为单一学科，而是将其视为一个综合的学科体系，能够运用不同学科的知识解决复杂的建筑问题。学生在实验中能感受到建筑学科之间的相互联系和逻辑关系，从而提高了对整个建筑学科体系的理解和把握能力。此外，通过平台上的实时交流与反馈功能，学生可以与教师和其他同学进行讨论与合作，共同探索建筑领域的前沿问题。这种开放式的合作与交流进一步强化了学科之间的联系，有效促进了知识和经验的分享。四、结语在建筑类专业实验教学中，虚拟仿真实验教学平台的应用和推广有着广阔的前景，它不仅可以提供安全、可控的实验环境，降低实验成本和难度，还能够拓展实验的规模和深度。通过虚拟仿真实验教学平台，学生可以进行多次实验操作和模拟实践，突破传统实验存在的时间和空间限制。“三方向、三层次”虚拟仿真实验教学平台通过建内容、讲方法、组空间、定制度的举措，以社会经济发展对人才的需求为导向，训练建筑类专业学生的创新实训实践能力和协同创新设计能力。在建设“三方向、三层次”虚拟仿真实验教学平台的过程中，我校在取得一定成效的同时也发现了不足之处，如不同学科的虚拟仿真实验教学平台之间缺乏联系和交叉融合，对此，希望不同专业的专家、学者从不同视角出发，针对虚拟仿真实验教学平台建设与实践提出更好的建议和方案，从而为社会培养出更多优秀的应用型、复合型、创新型建筑类专业人才。参考文献：1 张敏,文福安,刘俊波.高校虚拟仿真教学环境构建逻辑探讨J.实验技术与管理,2023,40(3):1-6.2 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议J.实验室研究与探索,2013,32(12):5-8.3 熊宏齐.虚拟仿真实验教学助推理论教学与实验教学的融合改革与创新J.实验技术与管理,2020,37(5):1-4.4 张敏,文福安,刘俊波.高质量虚拟仿真实验教学课程内涵和特征J.实验技术与管理,2022,39(3):1-4.5 朱敏敏.基于 BIM 与 VR 技术装配式建筑与虚拟仿真技术的设计与实现J.工业建筑,2022,52(3):265.6 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