建筑专业虚拟仿真实验教学平台的构建

　　随着社会的飞速发展，信息技术在各领域的应用更加广泛，与此同时，教育领域也发生了前所未有的变革，教育方式、教育手段及工具都出现了质的变化。建筑专业以培养具有丰富理论知识与实际操作能力的建筑类人才为目标，其涉及的学科内容十分繁杂。传统的建筑专业教学以理论教学为主，多通过开展理论课程来帮助学生扎实掌握建筑设计、施工制造及工程项目管理等知识，实践教学课程比例则相对较少，且多以实体模型和现场实习为主。随着社会的发展，这一教学模式已逐渐难以满足日益增长的教学需求，将人工智能、云计算、大数据等新兴前沿技术引入建筑专业实践教学成为必然。

　　建筑学涉及风景园林、土木工程、室内设计及生态学等多个专业的内容，是一门实践性极强的学科，注重学生设计思维、实际操作能力的培养，但建筑专业实体教学环境建设受到场地资源的限制，工期长、成本高，存在一定的安全风险，这些因素一直是建筑专业实验教学中难以逾越的障碍。随着线上教学模式的发展，人们对建筑专业实验教学的需求逐渐发生变化，构建更加智能化、自主化、强交互性的实验教学平台成为该专业教学工作的重要任务之一，虚拟仿真技术的引入便可帮助人们有效解决这一问题。可以说，构建虚拟仿真实验教学平台是推动建筑教育现代化、智能化，提高建筑类专业教学质量的关键途径。

　　对建筑专业教学而言，构建虚拟仿真实验教学平台具有突出优势，具体表现如下。一是降低成本与风险。虚拟仿真实验教学平台主要利用虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)、增强现实技术(Augmented Reality，简称AR)等构建一个现实与虚拟空间高度融合的虚拟仿真教学环境，学生可以在模拟环境中完成建筑规划与设计、工程项目施工及流程管理等学习任务，无需真正参与建筑工程建造与施工，如此可以减少实际建材消耗，有效降低建筑专业实践教学成本，减少可能发生的安全隐患。二是增强互动体验感。在实验教学中，学生可沉浸式体验虚拟环境，通过不同视角审视建筑工程项目设计效果，从而对其空间布局、色彩、光影效果等进行优化，这一环境甚至可模拟不同气候条件下的建筑表现，为学生提供更全面的指导，大大增强学生与建筑设计的互动性与直观性。三是突破教学时空限制。传统的实体模型与现场实习对师生学习时间与空间的限制较多，学生难以自由选择教学地点与时间;构建虚拟仿真实验教学平台后，学生可以根据自己的意愿、时间安排等随时进行学习，虚拟环境下的教学活动再也不受时空的约束。这一平台的引入也大大提高了教育资源的均衡分配性，即便是教育资源不太丰富的地方，高校也可通过构建平台来为学生提供服务。四是培养学生的创新能力。学生可在虚拟环境中大胆尝试一些独特、新颖的设计理念与方案，即便效果不理想，也可通过数次调整优化来使其更加接近预想，可见虚拟仿真实验教学平台可为建筑类专业学生的实践学习提供更多的试错机会，培养学生创造力与问题解决能力。

　　目前，虚拟仿真实验教学平台已在很多高校中获得了大力推广，如清华、北大等高校均建设了国家级虚拟仿真实验室;华南理工大学建立了建筑全生命周期管理虚拟仿真(BIM)中心，利用计算机技术完成建筑工程的建造实验教学，可帮助学生完成常规实验教学中难以完成的任务，是对虚拟仿真、数据采集及性能模拟等项目的有效强化和内容扩展，充分体现了华南理工大学建筑专业的特色和技术优势。但对大部分高校而言，构建建筑专业虚拟仿真实验教学平台面临较大的阻碍与困境，结合其他高校平台建设的普遍经验，可发现困境主要表现为以下几点。

　　一是技术与成本较高。开发高质量的虚拟仿真实验平台并不是一件简单的事，不仅需要成熟的软件技术和硬件设施，而且需要高昂的成本投入，且信息技术更新十分迅速，高校需不断投入资源以保持平台技术的先进性与兼容性，这对普通高校而言具有一定挑战。二是平台内容开发难度较大。为满足建筑专业学生学习需求，虚拟仿真实验平台建设要高度还原各种真实建筑场景，这便需要将建筑结构设计、建材属性、不同施工方案与过程等更具体的细节引入系统，这对开发者技术能力要求较高，如此复杂的内容也会导致平台建设周期更长。三是师资培训缺乏。受到平台技术先进性的影响，教师也需不断进行学习以确保自身及时掌握新的技术工具，从而改善教学方法，以指导学生更好地完成虚拟实验项目。但一些高校很难及时跟进技术发展，导致师资培训存在滞后。四是学生接受度与学习效果评估错位。部分学生的学习能力较差，对虚拟仿真实验的接受程度也较差，且如何准确评估学生在虚拟实验项目中的教学效果也较难。五是平台资源的整合与共享难度较大。为丰富平台教学内容，部分高校会对虚拟实验资源进行跨学科、跨校乃至跨行业的整合与共享，但这一共享机制还未成熟，导致该平台很难被广泛应用于各高校建筑专业教学过程。

　　在构建虚拟仿真实验教学平台时，高校应重视以下要点。第一，平台构建的关键技术整合。虚拟仿真实验教学平台的构建包括模型搭建、模块设计、资源引入与整合，以及平台建设等内容，需要利用多种信息技术手段方可实现。如利用三维建模及云计算、大数据分析、建筑信息模型(Building Information Modeling，简称BIM)等技术，可对虚拟环境的控制系统、场景模型进行设计，引入有关建筑材料、设备等虚拟物品的相关数据，确保虚拟环境中此类物品的参数及性能指标与现实中相一致，再参考现实中不同建筑工程项目案例，构建虚拟环境下的工程案例，模拟真实的工作流程、环境条件及可能发生的应急处理情景等。利用VR、AR、机器学习等技术可开发设置高度逼真的互动环节，满足学生对不同实验教学场景的需求。此外，平台还应利用接口协议实现CAD、PS、ID等多种建筑设计软件的接入，确保这一平台的兼容性与灵活性，力求打造一个高度逼真、功能丰富、强交互性的虚拟教学环境。

　　第二，课程体系与内容设计。建筑专业教学课程体系设计应遵循教学大纲，合理设计基础理论与实践教学的课程比例，如将理论与实验教学课程占比调整为1:1，让学生在学习理论的同时也能参与实验教学，从而加深学生对课程内容的理解。以建筑工程项目设计与施工管理等教学课程为例，教师也应结合每堂课的理论教学内容来制定相应的虚拟仿真实验项目，以确保学生更好地融会贯通理论知识与实践技能。

　　第三，教师技能培训。虚拟仿真实验教学平台对教师专业技能要求较高，为确保虚拟仿真实验教学能够成功实施，高校需要聘请对虚拟仿真实验教学理解更深的人员开展专业教学，或对本校教师进行技术培训，提升教师在虚拟实验教学环境下的教学指导能力与教学效果，培养建筑专业人才。培训内容应涵盖关于虚拟仿真实验教学理念的理解、虚拟仿真实验平台的基本操作技能、虚拟仿真实验教学策略与方法、教师如何利用平台创建新的虚拟实验场景用于教学，以及如何整合多媒体教学资源、如何集成虚拟仿真实验平台与学校现有教学管理系统等内容。

　　第四，建立教学评价体系。引入虚拟仿真实验教学项目后，高校应构建更加科学合理的教学评价体系，如构建多维度评价指标，制定定量或定性评价方案，建立定期评估机制，实时分析平台反馈结果等方法，可对学生理论知识掌握情况进行评估，并对学生在虚拟实验中的学习成果进行评估，从而激励、敦促学生更好地提升创新思维、问题解决能力及团队合作能力。

　　总之，构建虚拟仿真实验教学平台是顺应时代发展的必然选择，能够推动建筑学科、行业实现创新发展与深刻变革。利用这一平台，高校能够培养出实践能力更强、更加适应未来行业发展需求的专业人才。但实际应用中，高校仍需不断克服技术、经济、政策、师资培训等多个方面的挑战，方可确保虚拟仿真实验教学平台真正发挥作用。随着现代信息技术水平的不断进步，社会教育理念也在持续更新，建筑专业中虚拟仿真实验教学平台的构建将发挥越来越突出的作用，带领中国建筑专业教育与行业发展实现升级。

        （作者李志超系广西城市职业大学工程师）