虚拟仿真实验教学的探索与实践

赵铭超, 孙澄宇

(同济大学 建筑与城市规划学院， 上海 200092)

虚拟仿真实验教学的探索与实践

赵铭超, 孙澄宇

(同济大学 建筑与城市规划学院， 上海 200092)

为了继承和发扬我校建筑学专业重视实验教学的优良传统，提出新时代背景下虚拟仿真实验教学建设的新思路。结合已完成的“宋保国寺大殿仿真建构实验”和“交通流虚拟现实实验”两个模块案例的开发与教学实践和国家级虚拟仿真实验教学中心建设，在早期数字时代围绕尖端设备采购与服务的建设1.0模式基础上，通过校企合作的方式，提出以“内容建设”为中心，以数字化的虚拟仿真技术与互联网技术构筑起一系列的在线虚拟仿真实验教学资源，即2.0模式。并详细介绍了两个模块的功能设计与教学应用。

慕课; 基于互联网; 虚拟仿真; 建筑学专业

0 引 言

以“慕课”为代表的在线学习方式，基于互联网，具有交互功能，彻底改变了传统的“教”与“学”的方式，使全球各地的在线学习人群能够共享优质的教育资源[1]。根据在线行为“碎片化”的特点，国外一些高校，重新组织了教学知识群，提出了在10 min左右完成的“微课程”模块理念[2]。具体来说，除了传统的教学要素外，还提供了在线测试、在线问题、课后在线作业、演示动画、虚拟实验、讲座视频等各种补充内容。通过这些在线互动平台，激发学习者使用在线学习资源，参与到学习中，增加更多的“有效学习”。显然，高校正面临着一场变革，而这也关乎到虚拟仿真实验教学的可持续发展[3]。 我国教育部根据国际在线教育的发展要求，积极组织国内一些顶尖高校开展“慕课”以及虚拟仿真实验教学中心的建设，我校也组织专家学者进行研讨、学习国内外先进在线教学理念，积极开展在线教学改革。

国外学者早在20世纪末就提出了“网络虚拟实验(Web-based virtual experiment)”的概念，即虚拟仿真实验教学2.0[4]。因受限于当时的网络环境和技术条件不成熟，直到2010年前后才有了一定的发展。国外较为著名的2.0平台有卡耐基-梅隆大学的虚拟实验室、麻省理工学院的WebLab、加拿大的DRDC项目、伊利诺伊大学芝加哥分校的Vicher系统[5]。

国内学者在2004年也引入了在线虚拟仿真实验教学的概念[6]，国内较为成熟的2.0平台有清华大学工程力学虚拟实验室、浙江大学的虚拟电工电子网络实验室、中国科技大学的“大学物理计算机仿真实验系统”等。

2.0时代的虚拟仿真实验教学，是以基于互联网与个人移动设备的随时随地的在线使用为特点[7]。技术的成熟加上计算成本的降低，个人移动设备的计算能力已经可与专业图形工作站相当，而每位师生都有的个人移动终端(如iphone、ipad、超级笔记本等)，加上无处不在的无线宽带设施，使在线实验教学资源可以直接成为当下“慕课”的重要内容，顺应在线学习的时代趋势[8]。

1 虚拟仿真实验教学

在这一时代背景下，我校于2014年底获批成立的“国家级建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心”(后简称“中心”)，旨在依托自身的优势实验教学资源，按照已制定的实验教学建设框架，建设一批适应现代高校在线实验教学的虚拟仿真实验模块。

依靠建设交互功能完善的在线虚拟实验教学模块，使原有的一些实验教学环节，如较危险、较昂贵，或根本无法实施的一些重要的专业实验， 通过在线虚拟实验教学的模式，得以轻松实现。中心按建设总体框架，实现建筑、规划、景观专业课程的实验模块的开发，并在这一过程中总结建设、开发的经验，为后续的模块开发提供可借鉴的经验和技术支持，也为全国同类院校提供实践的经验和资源共享，以推动其他高校虚拟仿真实验教学的建设。

2 建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心建设思路

中心建设将围绕专业课教师展开，以“内容制作”为中心，应用成熟的互联网技术，遵循师生用户群体的使用习惯，顺应互联网应用的发展趋势，围绕师生的用户体验来建设实验模块，即虚拟仿真实验教学建设2.0时代。

2.1 应用具有成熟技术的解决方案

随着教育经费的大量投入，使虚拟仿真技术逐渐改进和完善，并应用在各个行业领域，为高校的虚拟仿真实验教学提供了技术成熟的解决方案。2004年学校斥资100万元采购了具有6通道的Barco立体弧幕展示系统，通过一套专用虚拟场景制作软件和3台图形工作站实现了临港新城的城市环境漫游；2013年，本科生的课外活动项目，通过购买2 000多元的6头显卡和一套普通三维建模软件，就实现了环幕演示。全球计算机软硬件的飞速发展和日趋成熟的虚拟仿真技术，也使得高校的虚拟仿真教学不断走向成熟。

在大量资本涌入和推动下，游戏产业蓬勃发展，廉价便宜的面部设备Kinect、落手操控算法Nimble、高分辨率头戴显示设备Oculus等一批虚拟仿真的交互设备，均可在在线购物网站上购买到，并且价格低廉，技术成熟，用户体验良好，使得 1.0时代那些费用高、体积大、效率低的“专业设备”逐渐被淘汰[9]。

同时，除了传统的笔记本电脑外，各种个人移动计算设备也得到了空前普及，其基于GPU的三维图形计算能力也已经可以媲美当年的专业图形站[10]。

因此，不断升级的高速互联网宽带、便宜廉价的个人移动计算设备、成熟的虚拟仿真技术及交互设备，为在线虚拟仿真实验教学提供了强大的技术支持。

2.2 以熟练应用移动设备的高校师生为用户基础

如今的互联网时代，终端设备的功能越来越强大，随处可见“低头族”，年轻的高校教师和青年学生也不例外，时刻通过功能强大的终端设备来获取信息，他们可以通过任意时间来获取知识。以“慕课”为代表的“在线学习资源”，正好符合师生的这一行为特征。

通过对互联网应用成功案例的分析总结，共同特点如下：

(1) 小型化、微型化。内容和知识点要“小型化”“颗粒化”“微型化”，尽可能使学习者在10 min内完成。

(2) 重视“搜索”功能。学习者面对大量的知识点，需有强大的搜索功能，在最短时间内找到想学的知识点，避免将时间浪费在寻找知识点上。

(3) 举一反三功能。每个知识点须具有指向相关知识点的跳转路径，便于拓展学习。

(4) 建立完善的互动机制和平台。师生之间可就知识点进行在线互动，解答疑难。

(5) 建立成熟的用户社区。在线教学中体现为，学生之间、学生与教师之间，通过系统形成了成熟的在线用户社区(user community)[11]。

通过对比较成熟的在线网站的用户行为进行研究，不难发现，皆具有以上特征。虚拟仿真教学实验资源也将遵循以上用户行为进行建设，并根据高校自身特点，定制遵循高校环境特点下的虚拟仿真实验教学资源。

2.3 虚拟仿真实验教学资源的来源和实现方法

教师是高校的教学主体，是教学资源的创造者和更新者，学校在线虚拟仿真实验教学资源的“内容”建设也一定是围绕着内容的创造者专业教师展开。

在互联网时代，可以提供虚拟仿真技术的软件开发公司，就技术来说，能够胜任的公司不少；但能够提供在线虚拟实验教学内容的设计，只有专业教师才能胜任，利用教学上的丰富经验，能设计出实验目的明确、知识点丰富、通俗易懂、由易入难、专业素材规范的虚拟仿真实验的教学内容。因此，专业教师才是在线虚拟仿真实验教学内容质量的关键所在。建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心，组织一批专业教师完成实验内容设计，交由专业公司完成开发工作，各司其职，各自发挥优势，完成虚拟仿真实验的教学实验建设。

建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心，依托国内一流的教学师资，按照教育部及学校相关部门指导意见，在现有成熟的实验教学课程基础上，拟定了3个层次6个领域的在线虚拟仿真实验教学建设框架体系(见图1)。

图1 在线虚拟仿真实验教学建设体系

针对这一体系，中心采取“校企合作”的方法进行建设，充分发挥各方所长——由教师负责实验设计，由企业进行定制软件开发，由中心负责体系协调与资源募集。

3 建筑规划景观虚拟仿真中心建设案例

“宋保国寺大殿仿真建构实验”和“交通流虚拟现实实验”两个项目是国家级建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心的首批在线实验教学模块项目。项目由建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心组织开发，校企共同合作研发。自2015年9月项目开展以来，开发公司与我校两位老师在数月间，进行了反复的学术和研发讨论，攻克了数个技术难题，目前2个模块已建成。

3.1 宋保国寺大殿仿真建构实验

保国寺，位于浙江省宁波市北的灵山，1961年被国务院公布为第一批全国重点文物保护单位[12]。保国寺大殿，是寺内现存最早的建筑，重建于北宋(公园1013)[13]，清康熙二十三年增建重檐，成为重檐歇山顶式，是现存长江以南保存最完整、历史最悠久的木结构建筑。[14]“宋保国寺大殿仿真建构实验”，是虚拟建构系列中的中国古建筑部分之一。在“宋保国寺大殿仿真建构实验”教学中，通过应用虚拟现实仿真实验进行辅助，学生可以更为有效地进行自主学习，快速掌握北宋厅堂建筑的特点；学习宋代木构建筑各个主要构件的名称、位置、和形象，了解其建造过程(见图2)。

图2 大殿木构构件认知

模块提供的自主学习功能包括：构建认知和建造过程认知的自主学习功能。同时为学生设计了相应的学习自检功能，包括：构建考核和建造过程考核(见图3)。

图3 “宋保国寺大殿仿真建构实验”模块功能界面

目前“宋保国寺大殿仿真建构实验”在线虚拟仿真实验模块的主要功能已基本实现，并可流畅操作。后续，还将应用虚拟现实中的仿真模型，加入对大殿构件的残损状态进行检测观察的功能。

3.2 交通流虚拟现实实验

本项目主要是通过将设计成果进行虚拟仿真实验，在未来的模块建设中，希望发展为专业应用与创新实验以及课题研究与创新实验。

项目选取经典居住区的设计(见图4)，包括住宅分布、道路路网、小区出入口等。通过分别调整校区交通结构(出行方式比例)与道路断面，观察小区中的交通情况以及交通结构与道路断面的相互关系[15]。

图4 经典居住区平面图

软件系统的主要功能已基本得到实现，并可流畅操作，包括：交通数据、道路断面、时段选择、查看模式和输出参数(见图5)。

(1) 交通数据。手动输入搭乘比例与出行方式比例，机动车换乘比例调整幅度在1～4之间，每种交通方式的出行方式比例调整幅度在0～100%之间，且总出行比例为100%。

(2) 道路断面。提供4种道路断面，分别为：4 m，5 m，7 m，9 m。

(3) 时段选择。分为早高峰，平时以及晚高峰3段。

(4) 查看模式。全区查看。

(5) 输出参数。主要包括两部分，另一部分是以平面图的形式显示交通流状况，一部分是输出参数显示。

图5 “交通流虚拟现实实验”模块功能界面

学生通过“交通流虚拟现实实验”的在线学习，可以针对自己的方案，利用课外时间，在交通系统方面进行模拟，对自己的方案在交通方面进行评价和感受，从而培养学生的独立研究能力。原课内学时中的实验部分将有条件转化为课外的自主学习学时，从而减少课内学时。更重要的是，学生通过实际模拟，加深了对本课程的兴趣，通过虚拟现实，可以构建理论课和设计课之间的桥梁，学生在理论学习与现实之间的困惑便可迎刃而解。

4 结 语

建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心，自2014年底获批挂牌成立以来，学院领导及中心建设班子按照教育部及学校相关部门指导意见，顺应数字时代下的实验教学要求，共同拟定了新时代背景下的虚拟仿真实验教学模块的建设思路，根据学院自身条件，循序渐进，逐步开展建设工作，将最终实现既定的建设目标。

[1] 梁林海，夏颖越. 美国高校在线教育：现状、阻碍、动因与启示[J].开放教育研究，2016(2) ：27-36.

[2] 袁 莉，斯蒂芬·鲍威尔，比尔·奥利弗．后MOOC时代：高校在线教育的可持续发展[J]．开放教育研究，2014(3)：10-15．

[3] 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．

[4] 孙澄宇，黄一如. 同济大学虚拟仿真实验教学2.0建设[J]. 城市建筑， 2015(28): 43-45.

[5] 袁学倩，邬家炜，基于协作实验模式的虚拟实验系统研究[J]．计算机与现代化，2010(6)：23-26．

[6] 江 勇，江文莉．虚拟实验室的架构原则与技术[J]．济南教育学院学报，2004(3)：56-57．

[7] 韦 林，陈荣康，杨国标，等．力学实验教学示范中心建设与发展中的探索与实践[J]．力学季刊，2008(4)：656-659．

[8] 刘 佳，徐竟成，施鼎方．环境科学与工程实验教学示范中心可持续发展与建设[J]．实验室科学，2015(2)：7-9．

[9] 张飞刚，蔡建乐，李 冰．力学虚拟实验网络多媒体课件设计与实现[J]．现代远距离教育， 2007(6)：72-74．

[10] 孙澄宇，胡 拓，德·福里斯．多出口选择中的几何影响因素定量化研究[J]．建筑科学，2011(12)：76-80．

[11] 熊 焰，姚 俊．在线仿真物理化学虚拟实验系统的开发[J]．化工高等教育， 2012(1)：26-29．

[12] 徐学敏,邱明亮.千年传奇保国寺[J]. 文化交流, 2014(1)：28-33.

[13] 何 岩,王 玥.宁波保国寺古建筑虚拟现实表现的应用——建筑动画表现[J]. 美与时代(城市版), 2016(4)：87-93.

[14] 张十庆.保国寺大殿的材栔形式及其与《营造法式》的比较[J]. 中国建筑史论汇刊, 2013(1)：37-43.

[15] 徐磊青，刘 宁，孙澄宇．广场尺度与空间品质——广场面积、高度比与空间偏好和意象关系的虚拟研究[J]．建筑学报，2012(2)：74-78．

Exploration and Practice of Pedagogy with Simulation-based Experiments

ZHAOMingchao,SUNChengyu

(College of Architecture and Urban Planning, Tongji University， Shanghai 200092, China)

This essay profiles a new perspective of simulation-based education in new era in association with the excellent and experimental tradition of the architectural discipline in Tongji University. On the basis of two recently launched projects, the “Virtual Construction of the Song Dynasty Baoguo Temple” and the “Traffic Flow Experiment”, the newly established National Center for Simulation-based Pedagogy in Architecture, Urban Planning and Landscape Architecture proposes a new way of college-corporation collaboration with a focus on “content creation.” Instead of the 1.0 mode, which revolved around hardware construction, the 2.0 mode builds a series of online resources in simulation-based education by engaging with VR and internet technologies.

MOOCs; Web-based; virtual and simulation; architeetural discipline

2016-08-15

全国工程专业学位研究生教育自选研究课题(教改项目)《在线虚拟仿真实验平台的关键能力研究》(2016ZX-169)

赵铭超(1981-),男,黑龙江青冈人，硕士,助理工程师,中心主任助理。主要从事教学科研工作。

Tel.：15901961299； E-mail：zhaomingchao@tongji.edu.cn

孙澄宇(1978-),男，上海人，博士，副教授,中心常务副主任，主要从事教学科研工作。

Tel.:13764024274； E-mail: ibund@126.com

TU 05; G 642.0

A

1006-7167(2017)04-0090-04