王玲　宋宜詳　孔丹丹　閻西康

摘? 要：為適應教育、建筑行業(yè)信息化改革發(fā)展的新趨勢，文章分析VR/MR技術應用于土木工程實踐教學改革的必要性。闡述“一平臺、五系統、多模塊”的VR/MR實踐教學中心建設思路與總體框架，中心將VR/MR技術融入到實驗實踐教學各環(huán)節(jié)中，構成互聯互通的五個系統，形成多模塊、多層次、虛擬可擴的信息化教學資源，實現多種教學指導模式和多元化考核方式，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新實踐能力，可為同類院校土木工程VR/MR中心建設提供借鑒。

關鍵詞：虛擬現實技術;土木工程;實踐中心

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）05-0018-05

Abstract： In order to adapt to the new trend of informationization reform and development in education and construction industry， this paper analyzes the necessity of applying VR/MR technology in practical teaching reform of Civil Engineering. The construction idea and overall framework of VR/MR experimental practice teaching center with "one platform， five systems and multiple modules" are systematically expounded. The center uses VR/MR technology to integrate into each link of experimental practice teaching， forming five interconnected systems， forming multi-module， multi-level， virtual and expandable information teaching resources， realizing a variety of immersive teaching guidance models and diversified assessment methods， and cultivating students' innovative spirit and innovative practical ability，which can provide reference for the construction of civil engineering VR/MR center in similar universities.

Keywords： Virtual Reality; Civil Engineering; practice center

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術利用計算機系統的仿真能力生成一種模擬場景，使用戶沉浸到該環(huán)境中。通過視覺、聽覺、觸覺和動作等方式與虛擬現實中的對象進行實時交互，由此獲得“身臨其境”的感覺和體驗?；旌犀F實（MixReality，MR）是融合現實和虛擬世界而產生的新的視覺混合現實環(huán)境。在新的視覺環(huán)境中，物理對象和數字對象共存，實時交互。VR/MR技術在創(chuàng)新教學方式方法上具有獨特的優(yōu)勢[1-3]，為學生提供了沉浸式學習的機會，讓教學全面視覺化，提高學生學習的動力，培養(yǎng)學生實踐和創(chuàng)新能力。

《教育信息化2.0行動計劃》強調通過大數據采集與分析，將人工智能切實融入到實際教學環(huán)境中，實現因材施教、個性化教學[4]。實驗實踐教學環(huán)節(jié)在培養(yǎng)土木工程專業(yè)人才實踐能力和創(chuàng)新意識中占有重要地位，為了進一步提升我校土木工程專業(yè)、土木工程卓越工程師及智能建造專業(yè)本科教育質量，基于VR/MR技術融合的創(chuàng)新實踐中心建設至關重要。本文探討VR/MR技術如何在土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中深度融合，創(chuàng)新實驗實踐教學方式與手段，介紹河北工業(yè)大學“一平臺、五系統、多模塊”的VR/MR創(chuàng)新實踐中心建設成果。中心以提高學生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質實驗教學資源為核心，以建設信息化教學資源為重點，形成了培養(yǎng)復合創(chuàng)新型土木工程人才的有效途徑，助力打造一流學科。

一、土木工程VR/MR創(chuàng)新實踐中心建設的必要性

通過虛擬現實VR/MR技術提供沉浸式的實驗實踐互動教學場景，是對傳統多媒體教學的一個升華，彌補了傳統多媒體教育互動性、體驗感不足的缺陷。VR/MR技術與教學目標和指導信息的無縫結合，可以有效地解決土木工程專業(yè)實驗過程不可逆、操作復雜危險，實驗運行困難、成本高，實習工程項目周期長、過程危險，實習深入參與度低、涉及極端環(huán)境等問題，并通過對體感互動實時數據的記錄和統計分析，實現學習全過程的量化考核[5-8]。教學手段由傳統的“以教促學”的學習方式轉變?yōu)榛訂l(fā)式、發(fā)現式、協同工作式和情境式等教學方式，向更加科學化、高效率方向發(fā)展。可見，結合大數據、人工智能等全新分析方法，將增強現實、虛擬現實等創(chuàng)新人機交互技術與土木工程人才培養(yǎng)深度融合的新一代信息化教學模式，為提供精準、個性化土木工程人才培養(yǎng)目標提供了技術基礎，是與土木工程教育創(chuàng)新融合的重要手段和必然趨勢。

二、VR/MR創(chuàng)新實踐中心總體設計

（一）VR/MR創(chuàng)新實踐中心建設思路

面向土木工程專業(yè)、土木工程卓越工程師、智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)的需求與教學規(guī)律，VR/MR創(chuàng)新實踐中心按照“一平臺、五系統、多模塊”總體框架設計，平臺實現了教學互動、實驗實踐訓練、科學考評、研究創(chuàng)新、學術交流和成果展示的綜合性教學。依據專業(yè)知識體系與工程實踐規(guī)律，將平臺劃分為專業(yè)基礎教學系統、實驗實訓系統、協同創(chuàng)新系統、資源庫管理系統與教學管理系統五個系統，每個系統包含多個模塊，形成與理論課程相結合、與實體實驗相結合、與企業(yè)實踐相結合、與科研項目相結合、與實際工程相結合的五個系統數據互通、資源共享、協同運作的一體化VR/MR平臺。

（二）VR/MR創(chuàng)新實踐中心組織架構

VR/MR創(chuàng)新實踐中心“一平臺、五系統、多模塊”的組織架構如圖1所示，實踐教學模式從“一刀切”向個性化、數字化、創(chuàng)新化轉化。硬件和軟件系統的投入既考慮當前教學和科研的需求，也考慮到可擴展性。平臺建設覆蓋建筑、結構、施工和管理等不同知識課程，滿足不同難度層次，多專業(yè)學生從基本概念提高到交互式的虛擬創(chuàng)新設計，實現認知感受、復雜交互、動手操作和多人協同等不同操作方式，促進專業(yè)間互通協作，成為服務于全院及全校的VR/MR教學科研開放平臺。

三、VR/MR創(chuàng)新實踐中心系統功能設計及特色

（一）VR/MR專業(yè)基礎教學系統

VR/MR專業(yè)基礎教學系統，旨在培養(yǎng)學生土木工程專業(yè)知識和學習能力。按照知識體系從不同實踐環(huán)節(jié)、不同深度及不同實現方式開發(fā)多個課程知識和實驗模塊。專業(yè)課程知識模塊包括：不同結構體系基本節(jié)點、構件和整體虛擬仿真模型，施工過程、設備和方法模型的拆分教學模塊。實驗儀器教學模塊包括：土木工程材料耐久性試驗、多功能電液伺服加載試驗、結構靜力試驗加載架和反力墻的三維模型操作教學模塊，學生通過鼠標或觸屏瀏覽、查看實驗室場景和設備實驗演示，實現本地和異地交互教學;同時可進入VR/MR瀏覽模式，在VR/MR場景中對模型進行位移、旋轉、縮放的基本操作，并對模型進行剖切、爆炸圖、拆解動畫的操作及查看標記點信息和實驗仿真過程，如圖2所示。該系統拓展了專業(yè)課程知識、認識實習、生產實習、結構實驗課和創(chuàng)新實踐類課，系統采用開放性的模塊化結構，便于根據課程知識對模型進行靈活地增/刪/減和重組。

（二）VR/MR實驗實踐系統

VR/MR實驗實踐系統，旨在培養(yǎng)學生“教學做一體化”的實踐能力和工程能力。利用VR/MR技術構建實驗室、施工現場和工廠的實景仿真，針對復雜實驗和工程問題開發(fā)VR/MR課程模塊：土木工程材料VR課程;結構實驗VR課程;裝配式鋼筋混凝土結構施工VR課程;盾構機施工VR課程。學生分組進行多人協同、復雜交互和場景體驗，理解專業(yè)知識，掌握專業(yè)技能。

1. 土木工程材料VR課程

土木工程材料VR課程包括三部分：（1）混凝土的配合比設計與拌合物性能、力學性能實驗。通過VR全景視頻技術展示商品混凝土廠家對混凝土質量控制的全過程，VR場景多人協同交互操作混凝土和易性、混凝土試塊養(yǎng)護、混凝土抗壓強度實驗。使學生掌握原材料（外加劑、膠凝材料、骨料）不同配合比參數（水灰比、單位用水量、砂率）對混凝土拌合物性能、抗壓強度的影響。（2）混凝土耐久性實驗。VR全景3D模型展示實驗室、實驗裝置，針對不同環(huán)境條件（凍融、氯離子、硫酸鹽），通過VR設備多人協同交互操作混凝土碳化實驗、混凝土氯離子實驗、混凝土抗?jié)B實驗和混凝土抗凍實驗，并沉浸式體驗混凝土耐久性實驗結果的變化過程，使學生掌握混凝土耐久性評價指標和影響因素。（3）預制構件生產。通過VR全景視頻技術演示工廠內預制構件生產和養(yǎng)護過程。本試驗旨在培養(yǎng)學生創(chuàng)新知識結構和創(chuàng)新能力。

2. 裝配式鋼筋混凝土結構施工VR課程

裝配式鋼筋混凝土結構施工VR課程包括兩部分：（1）根據裝配式建筑施工需求，VR設備及交互操作手柄進行裝備和設施選擇，如圖3（a）所示，包括起重設備選擇、吊具選擇、灌漿設備選擇、預制墻板斜撐體系選擇與布置、疊合板豎向支撐體系選擇與布置、安全設施選擇、專用工具和儀器選擇等。（2）VR虛擬環(huán)境下模擬預制墻板和疊合樓板的安裝過程。多人協同分別扶板及水平位置調節(jié)，鋼筋與套筒位置調節(jié)，抄平及底部墊片調節(jié)，垂直度-斜撐調節(jié)復雜交互操作完成預制墻板和疊合板安裝。通過本實驗的操作，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新知識結構和團隊協作精神。

3. 結構實驗VR課程

結構實驗VR課程，通過VR技術模擬結構力學實驗室、實驗裝置、傳感器、鋼筋及混凝土試件等，VR全景中植入3D虛擬黑板展示荷載傳感器的標定、位移傳感器的標定、鋼筋及混凝土的力學試驗全過程，如圖3（b）所示。學生沉浸式地操作試件的就位，儀器儀表的安裝，VR環(huán)境下計算界限偏心距，判定構件的破壞類型，按大偏心或小偏心受壓動畫演示在荷載作用下的試驗過程，掌握柱的裂縫發(fā)展過程（3D動態(tài)）、荷載-位移曲線（動態(tài)平面曲線）、荷載-應變曲線（動態(tài)平面曲線）的實時發(fā)展，以及最后的破壞狀態(tài)并輸出實驗數據。

4. 盾構機施工VR課程

盾構機施工VR課程包括兩部分。（1）盾構機結構介紹模塊。真實還原盾構機施工場景，模型以土壓平衡盾構機為原型設計。包括：盾體結構模塊刀盤刀具盾體管片拼裝系統，螺旋輸送機等展示爆炸圖及配備列表。（2）盾構機任務實驗模塊。包括：管片拼裝任務、管片驗收、管片涂料制作、管片的運輸、同步注漿、管片拼裝成環(huán)和管片修補等，如圖4所示。本實驗實現了隱蔽工程沉浸式的實踐環(huán)節(jié)補充。

（三）VR/MR協同創(chuàng)新系統

協同創(chuàng)新系統將土木工程與多學科技術、信息和數據有機融入實踐，通過VR/MR技術實現虛擬實踐觀摩、體驗、學習到模仿、應用和制作，最后提升到運用多學科思維、方法和手段自主探索和主動實踐，培養(yǎng)學生多學科交叉融合創(chuàng)新能力。該系統包括協同創(chuàng)新系統模塊和VR/MR編輯及瀏覽工具，如圖5所示。

1. 協同創(chuàng)新系統模塊功能

系統主要模塊：（1）建立鋼結構原理、混凝土基本原理及施工技術等課程構件和整體BIM模型，應用VR技術展示并拆分構件和節(jié)點構造關鍵知識點。（2）依托國家重大工程或者科研成果，建立建筑設計、施工和管理全壽命周期BIM+VR/MR技術融于一體的模型，實現了教學和科研的有機結合。通過三大創(chuàng)新性引擎（多元數據處理引擎、精準的運動控制引擎和算法控制引擎）將3D控制擴展至VR/MR眼鏡、仿真精準逼真。

2. VR/MR編輯工具和瀏覽工具

采用3D課程資源編輯工具感知Studio，師生協同創(chuàng)新開發(fā)教學模塊和科研成果模塊，并通過MDA代碼生成技術導出到MR/VR/PC/App/Web等多個平臺。Studio主要功能：（1）兼容FBX、OBJ、3DS、STL及BIM等多種標準3D模型文件編輯操作;（2）編輯JPG或PNG格式文件與3D模型相對位置綁定，并設置內容，包括 “頁名”“模型名”“識別圖”“封面圖”等;（3）編輯包含Skeletal Animation、Translate Animation的3D文件，分步驟播放動畫，并進行細節(jié)剖切、爆炸圖、拆解編輯; （4）實現3D模型位移、旋轉、縮放等編輯操作，在3D模型上添加文字、圖片、語音和視頻動畫等標準信息。通過VR/MR三維瀏覽協同工具感知viewer管理實訓教學場景。實現局域網環(huán)境本地或云服務遠程教學支持下的多人聯機（跨平臺VR/MR/PC）協同教學，感知多用戶在同一空間的位置、姿態(tài)與操作;場景模型拖拽操作，動畫步驟控制，語音識別，菜單的召喚，按鈕的觸發(fā)等特殊操作。

（四）資源庫管理系統

資源庫管理系統，旨在面向土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標，增強多學科多專業(yè)交叉融合，加強跨領域計算機、人工智能和機械自動化等課程實踐內容的交叉滲透，形成多維度的三維模型資源庫，為協同創(chuàng)新系統提供模型支持。

三維模型資源庫結合培養(yǎng)方案中結構力學、建筑構造、裝配式混凝土結構構造、土木工程施工、工程計量與計價、工程制圖與識圖、三維平法識圖和機械自動化等課程教學內容，開發(fā)模型資源，包括預制柱、預制墻、預制梁構件和節(jié)點、固定鉸節(jié)點構造、滑動鉸節(jié)點構造、夾心保溫外墻板構造、全灌漿套筒和半灌漿套筒等1 500余模型。主要特色：（1）模型內容虛擬可擴。教師和學生可組合、拆分和擴展、編輯等，不斷豐富模型資源，使教學得心應手。（2）專業(yè)內容豐富優(yōu)質。覆蓋教學和科研多學科交叉領域，類別全面，步驟詳盡。（3）工程驅動實踐教學。依托企業(yè)真實大型工程，BIM+VR/MR技術從多維度開發(fā)案例教學。

（五）教學平臺管理系統

教學平臺管理系統包括登錄管理、實驗實踐模塊管理、成績管理和統計管理等，如圖6所示。教師和學生分別授權專有賬號登錄。教師統一管理授課內容，并授權學生的學習內容和管理。多人實時同步同地或異地協同創(chuàng)新實踐，教師和專家在線、局域網或遠程1對1、1對多指導，VR與MR場景協同轉換，課程結束后形成學生學習時間和行為數據，分析統計個人或小組的學習過程數據和成績，實現教學過程數據管理與分析的一致性。

圖6 教學管理系統組織架構

主要特點：（1）教學效果評價科學客觀，教學資源、實踐統計、指導模式和考核模式等數據可分析，可展示;（2）人才培養(yǎng)全過程（理論到實踐再到能力測試）系統化，教學類別內容全面（專業(yè)教材、實驗實踐課程指導書、電子課件和習題庫）;（3）教學過程數據真實可靠，實驗實踐過程數據自動化采集記錄、量化和追蹤。形成了特色數字資產，真實教學數據的長期積累沉淀，為教師的教學效果評估和教學水平提升提供有效支撐，助力一流學科建設。

四、結束語

河北工業(yè)大學土木工程VR/MR創(chuàng)新實驗實踐中心，是河北省首家將VR/MR等信息化技術應用于教學實踐環(huán)節(jié)，具有高度真實感、直觀性和精確性的沉浸式實驗實踐教學平臺。平臺打破了時間和空間限制，場景內容可擴展、可配置，多系統互連互通、功能聚合，多樣化教學模式、考核模式，信息化教學資源豐富、共享，實現了教學智慧化，全過程數據可視化，拓展了土木工程實驗實踐教學的深度和廣度，推動了VR/MR技術與土木工程專業(yè)深度融合的實踐教學創(chuàng)新體系改革，有效提高了教學效果和質量。

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基金項目：河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“面向新工科的校企合作土木工程專業(yè)實踐教學模式研究”（2019GJJG048）;河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的土木工程實驗教學示范中心建設研究”（2018GJJG040）;河北省研究生示范課程和專業(yè)學位教學案例項目“建筑與土木工程領域工程碩士《案例教學》課程資源庫建設研究”（KCJSZ2020015）

作者簡介：王玲（1976-），女，漢族，河北邯鄲人，博士，副教授，VR實訓中心負責人，研究方向為智能建造信息化技術。