殷復(fù)鵬，鄧曉紅，張 雷

（山東建筑大學(xué) 管理工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

近年來(lái)，伴隨著虛擬仿真技術(shù)的進(jìn)步，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展迅速，已成為課堂教學(xué)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要手段之一[1]。這種教學(xué)方式在環(huán)境復(fù)雜、操作不可逆、危險(xiǎn)性高、成本消耗大的大型或綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。許多院校都在規(guī)劃或建設(shè)具有學(xué)科特色的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室不具備的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)功能，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作能力和創(chuàng)新發(fā)展意識(shí)。一些學(xué)者針對(duì)不同領(lǐng)域或?qū)I(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了研究，如吳涓等針對(duì)機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，構(gòu)建了多層次、模塊化的虛擬仿真課程體系[2]；馬文頂?shù)葘?duì)采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行了研究[3]；朱勝雪等針對(duì)交通運(yùn)輸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)相關(guān)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了探討[4]；王勇等針對(duì)經(jīng)管類(lèi)專(zhuān)業(yè)，提出了專(zhuān)業(yè)集群虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)[5]。這些研究為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建及實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，然而由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念發(fā)生的重大轉(zhuǎn)變，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?shí)驗(yàn)手段都發(fā)生了深刻的變革，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過(guò)程中，往往存在諸如實(shí)驗(yàn)平臺(tái)單一、資源共享率低、可擴(kuò)展性差等問(wèn)題[6-10]，大部分院校存在重投資、輕維持的情況，缺少頂層規(guī)劃，靈活性差[11]。

工程管理是一個(gè)綜合性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)踐教學(xué)是其重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)建設(shè)工程項(xiàng)目全過(guò)程進(jìn)行模擬與仿真是工程管理專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)的重要特點(diǎn)[12-13]，基于建筑信息模型（building information modeling，簡(jiǎn)稱(chēng)BIM）和虛擬仿真技術(shù)，建立工程管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)或仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，已成為工程管理專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的主要方向之一[14-16]。當(dāng)前工程管理專(zhuān)業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在建設(shè)過(guò)程中也存在規(guī)劃不足，平臺(tái)不完善等問(wèn)題[17]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室不僅是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要場(chǎng)所，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和操作能力的重要場(chǎng)所。對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合理的規(guī)劃，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研等方面的優(yōu)勢(shì)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真資源的共享和使用效率，是實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。本文以山東建筑大學(xué)國(guó)家級(jí)建筑工程管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)為基礎(chǔ)，結(jié)合建筑工程管理類(lèi)專(zhuān)業(yè)建設(shè)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的需要，研究基于模塊化理念的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)問(wèn)題。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)總體規(guī)劃

1.1 建設(shè)目標(biāo)

山東建筑大學(xué)建筑工程管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，于2014 年獲批國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。多年來(lái)，實(shí)驗(yàn)室在建設(shè)過(guò)程中，形成了具有專(zhuān)業(yè)特色的建設(shè)目標(biāo)，即建設(shè)“面向建設(shè)工程領(lǐng)域，突出數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化特色，服務(wù)于教學(xué)、科研和社會(huì)的開(kāi)放、共享、可持續(xù)的綜合實(shí)踐平臺(tái)”。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)內(nèi)容包括方法、資源和應(yīng)用三個(gè)方面（見(jiàn)圖1）。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)依托專(zhuān)業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)、科研院所和合作企業(yè)，基于教學(xué)需求構(gòu)建實(shí)驗(yàn)體系，從工程項(xiàng)目實(shí)踐中獲取實(shí)驗(yàn)案例，以建設(shè)項(xiàng)目全生命周期為主線(xiàn)，應(yīng)用于校內(nèi)外工程管理相關(guān)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)和企業(yè)培訓(xùn)等方面，實(shí)現(xiàn)多專(zhuān)業(yè)、跨地區(qū)、多層次的資源共享。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)內(nèi)容

1.2 建設(shè)思路

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)堅(jiān)持“總體規(guī)劃，分步實(shí)施，資源共享，持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想，遵循適應(yīng)性、可擴(kuò)展性、共享性、可持續(xù)性和共建共享的基本原則，秉承“立足創(chuàng)新人才培養(yǎng)、面向建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化、依托產(chǎn)學(xué)研深度融合、覆蓋建設(shè)項(xiàng)目全壽命、實(shí)現(xiàn)資源高度共享”的建設(shè)思路。既要適應(yīng)當(dāng)前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)要求，又要考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，便于實(shí)驗(yàn)?zāi)K、實(shí)驗(yàn)手段、實(shí)驗(yàn)方法等方面的擴(kuò)展和軟硬件的后續(xù)開(kāi)發(fā)；既要構(gòu)建統(tǒng)一的虛擬仿真平臺(tái)，又要區(qū)分不同專(zhuān)業(yè)特色，能夠基于平臺(tái)構(gòu)建多種專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室和科研實(shí)驗(yàn)室；既要堅(jiān)持根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)建設(shè)，又要構(gòu)建校企、校校合作接口，促使企業(yè)、其他高校參與建設(shè)，實(shí)現(xiàn)共建共享。

2 基于模塊化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

2.1 基本架構(gòu)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心從教學(xué)資源、共享平臺(tái)、人員構(gòu)成、管理體系等4 個(gè)方面著手建設(shè)，4 個(gè)方面缺一不可，基于模塊化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室基本架構(gòu)如圖2 所示。該實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)由綜合管理平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行管理體系、人才隊(duì)伍及實(shí)驗(yàn)室資源等部分構(gòu)成。其中基于互聯(lián)網(wǎng)的綜合管理平臺(tái)支持實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和管理、在線(xiàn)自主學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)、教學(xué)資源上傳下載及手機(jī)電腦等多種終端，是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心門(mén)戶(hù)網(wǎng)站和共享平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)室人才隊(duì)伍由多學(xué)科、多專(zhuān)業(yè)教師組成，并引入建筑企業(yè)、軟件公司等科研人員參與。實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行管理體系是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)合理組織的制度保障和管理規(guī)范。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的最終目的是實(shí)現(xiàn)為教學(xué)、科研和社會(huì)服務(wù)提供良好的支撐。

2.2 資源模塊構(gòu)成

建筑工程管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室資源由仿真平臺(tái)、仿真實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)課程構(gòu)建平臺(tái)三個(gè)維度構(gòu)成，每一個(gè)維度都是按照模塊化設(shè)計(jì)的思路，由相應(yīng)的模塊構(gòu)成。

2.2.1 仿真平臺(tái)

仿真平臺(tái)是支撐實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研、社會(huì)服務(wù)的綜合平臺(tái)，按照功能模塊可以劃分為建筑工程BIM 平臺(tái)、建筑工程智慧建造平臺(tái)、建筑工程虛擬仿真平臺(tái)、虛擬仿真資源開(kāi)發(fā)平臺(tái)等。建筑工程BIM 平臺(tái)是進(jìn)行BIM 相關(guān)理論教學(xué)、軟件操作的基礎(chǔ)，該平臺(tái)以多專(zhuān)業(yè)、多角色、多單位協(xié)同運(yùn)用為特色，實(shí)現(xiàn)建筑工程管理全壽命的仿真模擬。建筑工程智慧建造平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用虛實(shí)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)建筑工程全過(guò)程的動(dòng)態(tài)展示，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)體模型與虛擬仿真模型的聯(lián)動(dòng)，有利于教師對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的講解和學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。虛擬仿真平臺(tái)采用VR/AR、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，使參與者沉浸到三維動(dòng)態(tài)視景環(huán)境中，創(chuàng)建和體驗(yàn)建筑施工全過(guò)程，并能夠通過(guò)眼睛、手勢(shì)或其他人體行為動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，展示施工過(guò)程中的質(zhì)量、進(jìn)度、成本等相關(guān)信息，讓學(xué)生通過(guò)虛擬環(huán)境體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)，增強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的認(rèn)識(shí)。資源開(kāi)發(fā)平臺(tái)從教學(xué)、科研與社會(huì)服務(wù)等多方面需要出發(fā)，幫助師生構(gòu)建建筑BIM 模型，將其作為畢業(yè)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)的資源，并從成本管理、進(jìn)度管理、安全管理、工程現(xiàn)場(chǎng)布置等方面，將BIM 模型轉(zhuǎn)換為能夠在虛擬環(huán)境中模擬的虛擬仿真資源，用于教學(xué)和科研。

圖2 基于模塊化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室基本架構(gòu)

仿真平臺(tái)是構(gòu)建專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)，基于此可以構(gòu)建不同專(zhuān)業(yè)不同需求的實(shí)驗(yàn)室，并根據(jù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或?qū)嶒?yàn)課程。根據(jù)虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，以及教學(xué)、科研、企業(yè)等對(duì)虛擬仿真的需求，采用模塊化的思想，可構(gòu)建其他類(lèi)型的仿真平臺(tái)。

2.2.2 仿真實(shí)驗(yàn)室

仿真實(shí)驗(yàn)室是根據(jù)專(zhuān)業(yè)特色，在仿真平臺(tái)基礎(chǔ)之上，通過(guò)配置相應(yīng)的其他軟硬件資源構(gòu)成的用于教學(xué)和科研的實(shí)驗(yàn)室。根據(jù)其主要用途分為教學(xué)型仿真實(shí)驗(yàn)室和科研型仿真實(shí)驗(yàn)室。教學(xué)型仿真實(shí)驗(yàn)室主要用于學(xué)生教學(xué)，根據(jù)功能不同可分為BIM 綜合實(shí)訓(xùn)室、沙盤(pán)模擬實(shí)訓(xùn)室、案例研討室、工作算量坊等?？蒲行头抡鎸?shí)驗(yàn)室主要為廣大師生科研服務(wù)，如BIM 建模研究實(shí)驗(yàn)室、智慧建造實(shí)驗(yàn)室、智慧國(guó)土模擬仿真實(shí)驗(yàn)室、建筑工業(yè)化實(shí)驗(yàn)室等。仿真實(shí)驗(yàn)室根據(jù)學(xué)科發(fā)展要求或科研方向的動(dòng)態(tài)變化而動(dòng)態(tài)增減。仿真實(shí)驗(yàn)室為BIM 和虛擬仿真相關(guān)理論教學(xué)、BIM 和虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)際操作、技術(shù)培訓(xùn)、各種大賽、各類(lèi)考試、學(xué)生創(chuàng)新開(kāi)放實(shí)驗(yàn)等教學(xué)和服務(wù)提供了重要場(chǎng)所，是教學(xué)改革的示范窗口。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)課程構(gòu)建平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)課程構(gòu)建平臺(tái)是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方式的改革需要，在當(dāng)前仿真平臺(tái)和仿真實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，為專(zhuān)業(yè)教師提供實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)支持的平臺(tái)。專(zhuān)業(yè)教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容及課程特點(diǎn)，構(gòu)建不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群，用于本科教學(xué)和研究生教學(xué)。如建筑工程造價(jià)實(shí)驗(yàn)課程、建筑工程管理實(shí)驗(yàn)課程、建筑工業(yè)化管理實(shí)驗(yàn)課程、建筑工程數(shù)據(jù)挖掘?qū)嶒?yàn)課程等，緊扣教學(xué)大綱的要求和當(dāng)前建筑工程領(lǐng)域的迫切需求，以建設(shè)項(xiàng)目全生命周期為主線(xiàn)，形成完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，同時(shí)面向建設(shè)行業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了“教—學(xué)—練—考—用”的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

3 實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行與管理支撐平臺(tái)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的運(yùn)行效果由其支撐平臺(tái)決定，支撐實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行與管理的平臺(tái)主要由虛擬仿真共享平臺(tái)、管理體系、人才團(tuán)隊(duì)等構(gòu)成。

共享平臺(tái)包括虛擬仿真中心門(mén)戶(hù)網(wǎng)站和實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)。其中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心門(mén)戶(hù)網(wǎng)站主要包括新聞發(fā)布、站內(nèi)信息檢索、中心建設(shè)概況、管理體系、建設(shè)理念、中心團(tuán)隊(duì)、中心資源、校企合作、成果展示、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目簡(jiǎn)介等模塊，具有良好的可擴(kuò)展性和兼容性。該門(mén)戶(hù)網(wǎng)站主要用于發(fā)布虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的相關(guān)信息和新聞通告，便于教師和學(xué)生更為全面地了解建筑工程管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)和應(yīng)用情況。實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)主要用于輔助學(xué)生開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)效果的考核。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶(hù)的分級(jí)管理，可以設(shè)置不同的系統(tǒng)角色，主要包括系統(tǒng)管理員、教師和學(xué)生，不同級(jí)別用戶(hù)享有不同的使用權(quán)限，提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。學(xué)生既可以在平臺(tái)中申請(qǐng)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也可以通過(guò)平臺(tái)申請(qǐng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的管理體系需要從組織保障、制度保障、管理規(guī)范、運(yùn)行機(jī)制等方面著手建設(shè)。實(shí)驗(yàn)室人才隊(duì)伍應(yīng)該由多學(xué)科、多專(zhuān)業(yè)教師以及建筑企業(yè)、軟件公司等科研人員組成，形成不同的教學(xué)、科研和社會(huì)服務(wù)團(tuán)隊(duì)，從而促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在總結(jié)了大量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用模塊化的思想，提出了基于模塊化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路，并將其應(yīng)用于我校建筑工程管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)應(yīng)依托學(xué)科優(yōu)勢(shì)，遵循適應(yīng)性、可擴(kuò)展性、共享性、可持續(xù)性和共建共享的基本原則，所構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)仿真平臺(tái)、仿真實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)課程等不同維度上模塊的擴(kuò)展。仿真實(shí)驗(yàn)室服務(wù)于我校工程管理、工程造價(jià)、信息管理與信息系統(tǒng)、房地產(chǎn)經(jīng)營(yíng)與管理、土地資源管理和工業(yè)工程等多個(gè)本科專(zhuān)業(yè)和研究生的教學(xué)，并為教師的科研和校企合作提供了平臺(tái)。