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摘 要：虚拟现实技术作为当下最前沿的高新技术，已经在教育领域得到了初步应用，并显示出巨大优势。本文探索基于虚拟现实技术的《房屋建筑学》课程教学改革 , 在课程内容体系安排上制定了课程主线，有机地结合了理论和实践部分的内容，并对实践环节和考核方式等方面进行了改革和实践 , 突破传统课堂以讲为主的授课模式 , 激发学生学习兴趣 , 提高课堂教学效率，提高了学生的创造能力、分析和解决问题的能力。
关键词：虚拟现实；教学改革；房屋建筑学
本文引用格式： 韦武昌， 蒋玉莲 . 基于虚拟现实技术的《 房屋建筑学》 教学改革与实践 [J]. 教育现代化 ,2021,8(41):61-64.
The Teaching Reform and Practice of Building Architecture based on Virtual Reality Technology
WEI Wuchang, JIang Yulian(School of architecture and Electrical Engineering, Hezhou University, Hezhou guangxi)
Abstract: As the most advanced technology, virtual reality technology has been preliminarily applied in the field of education and has shown great advantages. This article explores the building architecture based on virtual reality technology course teaching reform, the arrangement of the curriculum content system developed in this course, organically combines the theoretical and practical part of the content, and the practice and the inspection way and so on has carried on the reform and practice, break through the traditional classroom mainly about teaching mode, stimulate students interest in learning, improve the efficiency of classroom teaching, improve the students’ creative ability, the ability to analyze and solve problems.
Keywords: virtual reality; reform in education; building construction
一 引言
虚拟现实技术（Virtual Reality，以下简称 VR） 应用于教育教学是教育信息化发展的一个重大飞跃， 它通过运用计算机技术对客观现实世界进行可视化仿真设计，营造了“自主学习”的环境，特别是在土木工程类专业的教学过程中，将 VR 技术融入到教学当中，利用 VR 技术搭建逼真的建筑施工场景， 以三维可视化虚拟仿真技术为依托，能够有效解决真实实验过程中常见的材料、器械损耗及操作不可逆等问题，具有降低实验成本，保障实验安全，增加实验次数，提升实验教学效率和成果等显著优点 [1]。能够让学生在校内即可实现“零危险”的真实施工过程体验，激发学生学习兴趣。
本项目以我院已开设的《房屋建筑学》专业课程为试点，融合“建筑工程识图与构造”“BIM 装配化建筑 VR 施工技术”“VR 施工安全教育”等仿真实训模块，对虚拟场景环境中的建筑三维模型进行模型优化方法与策略的研究，并应用于教学活动。以提高课堂教学质量为切入点，把加强内涵建设和提高建筑教育教学质量、增强建筑人才的综合素养作为重点， 提升教师课程改革和教学资源开发能力，进而促进课程教学的整体提升和发展。本文从课程内容体系安排和教学方式等方面进行了一定的探索和研究 [2]。
二 当前《房屋建筑学》教学过程中存在的问题分析
（一） 课堂理论教学比较抽象，内容枯燥
传统的房屋建筑学授课方式中，主要侧重于书本上的理论内容，涉及到房屋建筑的平面、立面和剖面设计，还会介绍房屋的梁、板、柱及变形缝等建筑构造 [3]。学生缺乏工地施工经验，对房屋涉及到的工程结构没有直观的认识，难以理解抽象的建筑构造和相关的力学理论，课堂的教学效果往往依赖于学生们空间想象力。然而，不同的学生对于同样的授课方式会有不同的接受能力，学生的理解能力参差不齐，教学效果就比较难把控，从而导致上课效果不佳 [4]。
（二） 现场实践的机会较少，难以达到教学效果
在一般的教学模式中，房屋建筑学这门课程包括课堂理论教学和实践教学环节。实践环节又分为课程设计和工地见习两个部分。安排课程设计主要目的是提高学生房屋建筑设计能力，加深对建筑构造和各建筑构件的认识，使学生能把教材中的理论知识运用到具体实践中去 [5]。但是，在学生做课程设计的过程当中，往往会遇到许多问题。例如，不能理解建筑构造之间的相互搭接和受力关系，对很多构件不熟悉， 理解起来很抽象，又想象不出来在空间中如何衔接。因此，在课程设计过程中学生动手能力相对较弱。
而在工地现场实习的过程中，往往由于建筑物的施工进度与理论授课进度不一致，很多施工环节学生无法看到、接触到。由于受到课程安排的课时数以及可供学生见习的场地资源所限制，学校的教师们在给学生安排现场实习时，往往难以找到处于不同施工阶段的项目工地进行课程相关内容的现场实习 [6]。因此，到工地现场的实践环节只是让学生体验到建筑工地的环境氛围，学生课堂上所学习的理论内容并没有与一个具体的施工现场结合起来。未能真正提升学生在建筑施工现场发现问题和运用所学知识解决问题的能力。
（三） 实验室建设费用高昂，实验内容难以更新
传统的实验教学主要依赖费用高昂的实验设备， 存在前期投入大、后期维护、更新费用高，开展过程受时间、地点、人力、物力、财力限制等问题， 致使实验教学无法有效开展，严重影响教学质量。实验教学依附于理论教学，一般都是老师讲、学生听的传统灌输式的教学模式，且验证性实验和孤立的单元性操作实验多，设计性、综合性、创新性实验少，大大抑制了学生的创新思维，使学生的创造能力得不到培养，个性得不到发展。在科学、经济飞速发展的今天，传统的实验教学内容往往跟不上新知识和新技术的产生，不能让学生及时了解前沿的知识和技术，学生仅仅是机械地按照教材上的实验流程在走，自身的思维得不到拓宽 [7]。
三 虚拟现实技术应用于课程教学内容体系改革
本项目研究以适应高校人才培养模式、课程体系、教学内容、教学方法和教学手段等改革的基本要求，依据《房屋建筑学》课程的教学内容和教学安排要求，结合学生的实际需求与行业企业共同合作开发课程资源，选取典型课程内容构建基于虚拟现实技术的教育教学信息化课程体系。在授课中突出重点，理论与实践并重，在课程教学内容安排上进行了一定整合 [8]。
（一） 积极探索虚拟现实技术教学模式
在《房屋建筑学》具体授课过程中，将根据本学院土木类专业教学的实际情况，结合当前装配式建筑的发展趋势，以装配式房屋建筑为蓝本构建三维模型教学资源，探索出一系列切实可行的 VR 教学方案。在教学过程中需要将理论教学与实践操作紧密结合，相辅相成，学生在掌握理论基础的同时， 利用实践技能操作进行锻炼，使其真正理解原理、掌握技术。
充分利用好我院现有的 VR 教学硬件设备， 完善软件使用功能，开发及制作出适合课程改革要求的教学资源。通过与建筑行业企业深度合作，利用相关软件与企业共同开发 VR 教学资源。通过 VR 技术，将较远的装配式建筑工程案例或车间，“搬到”课堂上，学生可通过 VR 等头显设备，足不出户了解知名装配式建筑工程的生产、运输、施工等环节。彻底打破了空间与时间的限制。
（二） 开发 VR 教学资源，改革课程教学方式
围绕课程教学内容，依据虚拟现实技术的沉浸性和交互性特点，以真实的装配式房屋建造过程为题材，开发若干个典型教学案例。案例设计的实验方法与步骤要求学生交互性操作步骤应不少于 10 步，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演相应的角色，全身心地投入到学习环境中，提高学生掌握知识、技能的效率，达到优化教学过程，提高教学质量的目的。教学方法采用理论与混合实践（BIM+VR+ 动手），弥补在传统教学中实践与理论的脱节，利用 VR 技术搭建逼真的建筑施工场景。如下图 1 所示为学生课堂上实际操作。
首先，教师在 15 分钟内通过课堂传授，利用传统的平、立、剖二维图纸向学生解释一栋简单的三层办公楼的构件名称和装配式建造过程；然后在 25 分钟内，学生进行建筑信息模型（BIM）设计，完成装配式建筑标准化设计，以及各种构件如预制楼板、预制楼梯等。
其次，模型导出，通过虚拟现实技术（VR），综合应用智能 VR 虚拟头显、多媒体、网络等技术， 教师可在建筑 VR 实训实验室中给学生展现在传统的教学模式中无法实现的教学过程。解决装配式建筑无法实现真实实训的困难，观摩时长 8 分钟。学生通过 VR 设备，真实模拟装配式施工过程， 包括预制外墙吊装 VR 训练，预制外墙拼装和支撑固定 VR 训练、套筒灌浆 VR 训练，时长 12 分钟。
模拟叠合楼板吊装和拼装 VR 训练、预制楼梯和休息平台吊装VR训练、现浇节点绑扎支模VR训练（含T 型、L 型、一字型）、装配式建筑混凝土浇筑 VR 训练、外墙接缝处理 VR 训练等内容。时长 10 分钟。
最后，学生分为 3 人小组，进入装配式建筑实训区，摆放有按照比例缩放的建筑预制构件实体， 学生根据记忆，动手或使用机器人装配这栋简单的三层办公楼建筑模型，时长 20 分钟。
（三） 实践环节的教学改革
《房屋建筑学》课程涉及的内容比较广泛，构件复杂多样，不同构件之间的构造方式又繁杂多变。传统的教学模式很难从多个维度去描述建筑构件之间的空间关系，学生在刚开始学习时非常吃力。在实践教学过程中，改革实践课程的授课方式，运用VR 技术构建虚拟的工程施工环境，教师在虚拟空间中对学生进行教学。
装配式建筑施工 VR 实操系统将房屋建筑的各个类型构件进行拆分，每种类型构件的施工对应相应的软件操作模块，主要包括吊装准备 VR 实操实训、预制墙板吊装 VR 实操实训、预制楼梯吊装 VR 实操实训、叠合板吊装 VR 实操实训、套筒灌浆 VR 实操训、现浇节点绑扎 VR 实操实训、外墙接缝质量验收与施胶 VR 实操实训等。让学生通过 VR 设备进行沉浸式、交互式操作体验，犹如身处真实的施工现场， 能够详细了解房屋建筑的每一个构件的构造，通过互动，学生可以来到每一个构造节点面前，将其拆解组装，实现对房屋建筑结构的深入学习。如表 1所示，为 VR 实训课程内容图例及相应的操作模块。
四 教学效果
通过运用虚拟现实技术，能形象生动地表现教学内容，有效地营造一个跟随技术发展的教学环境。房屋的建造过程存在着大量的机械设备的运用、实体构件的吊装、高空施胶作业等危险性较大、操作难度较高的环节。通过 VR 技术沉浸性和交互性，学生可以在虚拟的工程环境中扮演一个角色，安全便捷地完成施工的各个环节。完善 VR 课程资源内容建设，建立“全媒体资源包”，资源包以专业课程的理论教学为主，通过多样化的表现形式（多媒体课件， 包括 PPT、视频、图片、动画、VR 教学软件、知识模拟软件、模型等），让整个教学过程更生动具象，避免视觉疲劳，使教学过程不再枯燥无味。
通过对房屋建筑学的教学内容设计和教学实践环节改革，学生在课堂教学中参与度很高，积极主动融入教学各个环节，对理论学习和实践操作都充满了兴趣，能够在教师的引导下主动构建虚拟现实技术的概念、意义和流程。学生在学习过程中发挥了主体作用，提高了综合分析能力和创新能力。丰富的课件资源也将老师从繁琐的备课压力中解放出来，进行教学组织和创新教育教学研究，从而提升教学效率与教学质量。
五 结 束 语
学生是课堂的主体，在课程改革实施过程中， 更应该时刻关注学生的反应和需求，根据学生的反馈不断改进教学方法。将虚拟现实技术应用于教学改革过程，围绕激发学生学习兴趣和潜能深化，调动学生的好奇心和求知欲，对于提高土建类教育信息化水平、丰富教学资源和改善教学过程，具有十分重要的意义 [9]。如何将 VR 实验教学项目与土木类专业课程对应衔接起来，避免与人才培养的模式相互脱节， 设计出更多更接近企业现实需求的教学情景，让学生学会解决工程实际遇到的复杂问题，还有待今后在教学和实践过程中不断探索，进一步完善。
参考文献
[1]欧 晓 林 . 虚 拟 仿 真 在 房 屋 建 筑 学 中 的 应 用 [J]. 绿 色 科技 ,2016,16(8):227-228.
[2]张欣宇 , 王毅 . 基于虚拟现实技术的《房屋建筑学》课程教学改革探究 [J]. 消费导刊 ,2019,(21)：97-98,100.
[3]杨加 . 虚拟现实技术在教学改革中的应用研究 [J]. 无线互联科技 ,2019,16(3):138-139.
[4]廖 荣 . 房 屋 建 筑 学 课 程 教 学 探 索 [J]. 高 等 建 筑 教 育 , 2013,22(05):99-101.
[5]陈彦博 .《房屋建筑学》课程教学改革探索与实践 [J]. 科技视界，2019,36(64)：141-142.
[6]刘应扬 .《房屋建筑学》教学改革探讨 [J]. 教育教学论坛 ,2020,12(14):154-155.
[7]卢红霞 . 房屋建筑学“案例 + 项目”教学模式探索 [J]. 安徽建筑 ,2018,05(122):283-285.
[8]高代兵 . 让“虚拟现实”技术更好地服务生物教学——谈校企联合开发课程资源 [J]. 教育与装备研究，2020,(11):86-88.
[9]任国灿，周贤波 . 基于翻转课堂的高职院校生活技能培养在线学习平台研究与建设 [J]. 教育现代化，2019，6(57)：162-166.
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