虛擬仿真實驗教學(xué)的探索與實踐

趙銘超, 孫澄宇

(同濟(jì)大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院， 上海 200092)

虛擬仿真實驗教學(xué)的探索與實踐

趙銘超, 孫澄宇

(同濟(jì)大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院， 上海 200092)

為了繼承和發(fā)揚(yáng)我校建筑學(xué)專業(yè)重視實驗教學(xué)的優(yōu)良傳統(tǒng)，提出新時代背景下虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)的新思路。結(jié)合已完成的“宋保國寺大殿仿真建構(gòu)實驗”和“交通流虛擬現(xiàn)實實驗”兩個模塊案例的開發(fā)與教學(xué)實踐和國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)，在早期數(shù)字時代圍繞尖端設(shè)備采購與服務(wù)的建設(shè)1.0模式基礎(chǔ)上，通過校企合作的方式，提出以“內(nèi)容建設(shè)”為中心，以數(shù)字化的虛擬仿真技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)筑起一系列的在線虛擬仿真實驗教學(xué)資源，即2.0模式。并詳細(xì)介紹了兩個模塊的功能設(shè)計與教學(xué)應(yīng)用。

慕課; 基于互聯(lián)網(wǎng); 虛擬仿真; 建筑學(xué)專業(yè)

0 引 言

以“慕課”為代表的在線學(xué)習(xí)方式，基于互聯(lián)網(wǎng)，具有交互功能，徹底改變了傳統(tǒng)的“教”與“學(xué)”的方式，使全球各地的在線學(xué)習(xí)人群能夠共享優(yōu)質(zhì)的教育資源[1]。根據(jù)在線行為“碎片化”的特點，國外一些高校，重新組織了教學(xué)知識群，提出了在10 min左右完成的“微課程”模塊理念[2]。具體來說，除了傳統(tǒng)的教學(xué)要素外，還提供了在線測試、在線問題、課后在線作業(yè)、演示動畫、虛擬實驗、講座視頻等各種補(bǔ)充內(nèi)容。通過這些在線互動平臺，激發(fā)學(xué)習(xí)者使用在線學(xué)習(xí)資源，參與到學(xué)習(xí)中，增加更多的“有效學(xué)習(xí)”。顯然，高校正面臨著一場變革，而這也關(guān)乎到虛擬仿真實驗教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展[3]。 我國教育部根據(jù)國際在線教育的發(fā)展要求，積極組織國內(nèi)一些頂尖高校開展“慕課”以及虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)，我校也組織專家學(xué)者進(jìn)行研討、學(xué)習(xí)國內(nèi)外先進(jìn)在線教學(xué)理念，積極開展在線教學(xué)改革。

國外學(xué)者早在20世紀(jì)末就提出了“網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗(Web-based virtual experiment)”的概念，即虛擬仿真實驗教學(xué)2.0[4]。因受限于當(dāng)時的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和技術(shù)條件不成熟，直到2010年前后才有了一定的發(fā)展。國外較為著名的2.0平臺有卡耐基-梅隆大學(xué)的虛擬實驗室、麻省理工學(xué)院的WebLab、加拿大的DRDC項目、伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的Vicher系統(tǒng)[5]。

國內(nèi)學(xué)者在2004年也引入了在線虛擬仿真實驗教學(xué)的概念[6]，國內(nèi)較為成熟的2.0平臺有清華大學(xué)工程力學(xué)虛擬實驗室、浙江大學(xué)的虛擬電工電子網(wǎng)絡(luò)實驗室、中國科技大學(xué)的“大學(xué)物理計算機(jī)仿真實驗系統(tǒng)”等。

2.0時代的虛擬仿真實驗教學(xué)，是以基于互聯(lián)網(wǎng)與個人移動設(shè)備的隨時隨地的在線使用為特點[7]。技術(shù)的成熟加上計算成本的降低，個人移動設(shè)備的計算能力已經(jīng)可與專業(yè)圖形工作站相當(dāng)，而每位師生都有的個人移動終端(如iphone、ipad、超級筆記本等)，加上無處不在的無線寬帶設(shè)施，使在線實驗教學(xué)資源可以直接成為當(dāng)下“慕課”的重要內(nèi)容，順應(yīng)在線學(xué)習(xí)的時代趨勢[8]。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)

在這一時代背景下，我校于2014年底獲批成立的“國家級建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實驗教學(xué)中心”(后簡稱“中心”)，旨在依托自身的優(yōu)勢實驗教學(xué)資源，按照已制定的實驗教學(xué)建設(shè)框架，建設(shè)一批適應(yīng)現(xiàn)代高校在線實驗教學(xué)的虛擬仿真實驗?zāi)K。

依靠建設(shè)交互功能完善的在線虛擬實驗教學(xué)模塊，使原有的一些實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，如較危險、較昂貴，或根本無法實施的一些重要的專業(yè)實驗， 通過在線虛擬實驗教學(xué)的模式，得以輕松實現(xiàn)。中心按建設(shè)總體框架，實現(xiàn)建筑、規(guī)劃、景觀專業(yè)課程的實驗?zāi)K的開發(fā)，并在這一過程中總結(jié)建設(shè)、開發(fā)的經(jīng)驗，為后續(xù)的模塊開發(fā)提供可借鑒的經(jīng)驗和技術(shù)支持，也為全國同類院校提供實踐的經(jīng)驗和資源共享，以推動其他高校虛擬仿真實驗教學(xué)的建設(shè)。

2 建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)思路

中心建設(shè)將圍繞專業(yè)課教師展開，以“內(nèi)容制作”為中心，應(yīng)用成熟的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，遵循師生用戶群體的使用習(xí)慣，順應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展趨勢，圍繞師生的用戶體驗來建設(shè)實驗?zāi)K，即虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)2.0時代。

2.1 應(yīng)用具有成熟技術(shù)的解決方案

隨著教育經(jīng)費的大量投入，使虛擬仿真技術(shù)逐漸改進(jìn)和完善，并應(yīng)用在各個行業(yè)領(lǐng)域，為高校的虛擬仿真實驗教學(xué)提供了技術(shù)成熟的解決方案。2004年學(xué)校斥資100萬元采購了具有6通道的Barco立體弧幕展示系統(tǒng)，通過一套專用虛擬場景制作軟件和3臺圖形工作站實現(xiàn)了臨港新城的城市環(huán)境漫游；2013年，本科生的課外活動項目，通過購買2 000多元的6頭顯卡和一套普通三維建模軟件，就實現(xiàn)了環(huán)幕演示。全球計算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展和日趨成熟的虛擬仿真技術(shù)，也使得高校的虛擬仿真教學(xué)不斷走向成熟。

在大量資本涌入和推動下，游戲產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，廉價便宜的面部設(shè)備Kinect、落手操控算法Nimble、高分辨率頭戴顯示設(shè)備Oculus等一批虛擬仿真的交互設(shè)備，均可在在線購物網(wǎng)站上購買到，并且價格低廉，技術(shù)成熟，用戶體驗良好，使得 1.0時代那些費用高、體積大、效率低的“專業(yè)設(shè)備”逐漸被淘汰[9]。

同時，除了傳統(tǒng)的筆記本電腦外，各種個人移動計算設(shè)備也得到了空前普及，其基于GPU的三維圖形計算能力也已經(jīng)可以媲美當(dāng)年的專業(yè)圖形站[10]。

因此，不斷升級的高速互聯(lián)網(wǎng)寬帶、便宜廉價的個人移動計算設(shè)備、成熟的虛擬仿真技術(shù)及交互設(shè)備，為在線虛擬仿真實驗教學(xué)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。

2.2 以熟練應(yīng)用移動設(shè)備的高校師生為用戶基礎(chǔ)

如今的互聯(lián)網(wǎng)時代，終端設(shè)備的功能越來越強(qiáng)大，隨處可見“低頭族”，年輕的高校教師和青年學(xué)生也不例外，時刻通過功能強(qiáng)大的終端設(shè)備來獲取信息，他們可以通過任意時間來獲取知識。以“慕課”為代表的“在線學(xué)習(xí)資源”，正好符合師生的這一行為特征。

通過對互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用成功案例的分析總結(jié)，共同特點如下：

(1) 小型化、微型化。內(nèi)容和知識點要“小型化”“顆?；薄拔⑿突?，盡可能使學(xué)習(xí)者在10 min內(nèi)完成。

(2) 重視“搜索”功能。學(xué)習(xí)者面對大量的知識點，需有強(qiáng)大的搜索功能，在最短時間內(nèi)找到想學(xué)的知識點，避免將時間浪費在尋找知識點上。

(3) 舉一反三功能。每個知識點須具有指向相關(guān)知識點的跳轉(zhuǎn)路徑，便于拓展學(xué)習(xí)。

(4) 建立完善的互動機(jī)制和平臺。師生之間可就知識點進(jìn)行在線互動，解答疑難。

(5) 建立成熟的用戶社區(qū)。在線教學(xué)中體現(xiàn)為，學(xué)生之間、學(xué)生與教師之間，通過系統(tǒng)形成了成熟的在線用戶社區(qū)(user community)[11]。

通過對比較成熟的在線網(wǎng)站的用戶行為進(jìn)行研究，不難發(fā)現(xiàn)，皆具有以上特征。虛擬仿真教學(xué)實驗資源也將遵循以上用戶行為進(jìn)行建設(shè)，并根據(jù)高校自身特點，定制遵循高校環(huán)境特點下的虛擬仿真實驗教學(xué)資源。

2.3 虛擬仿真實驗教學(xué)資源的來源和實現(xiàn)方法

教師是高校的教學(xué)主體，是教學(xué)資源的創(chuàng)造者和更新者，學(xué)校在線虛擬仿真實驗教學(xué)資源的“內(nèi)容”建設(shè)也一定是圍繞著內(nèi)容的創(chuàng)造者專業(yè)教師展開。

在互聯(lián)網(wǎng)時代，可以提供虛擬仿真技術(shù)的軟件開發(fā)公司，就技術(shù)來說，能夠勝任的公司不少；但能夠提供在線虛擬實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計，只有專業(yè)教師才能勝任，利用教學(xué)上的豐富經(jīng)驗，能設(shè)計出實驗?zāi)康拿鞔_、知識點豐富、通俗易懂、由易入難、專業(yè)素材規(guī)范的虛擬仿真實驗的教學(xué)內(nèi)容。因此，專業(yè)教師才是在線虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容質(zhì)量的關(guān)鍵所在。建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實驗教學(xué)中心，組織一批專業(yè)教師完成實驗內(nèi)容設(shè)計，交由專業(yè)公司完成開發(fā)工作，各司其職，各自發(fā)揮優(yōu)勢，完成虛擬仿真實驗的教學(xué)實驗建設(shè)。

建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實驗教學(xué)中心，依托國內(nèi)一流的教學(xué)師資，按照教育部及學(xué)校相關(guān)部門指導(dǎo)意見，在現(xiàn)有成熟的實驗教學(xué)課程基礎(chǔ)上，擬定了3個層次6個領(lǐng)域的在線虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)框架體系(見圖1)。

圖1 在線虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)體系

針對這一體系，中心采取“校企合作”的方法進(jìn)行建設(shè)，充分發(fā)揮各方所長——由教師負(fù)責(zé)實驗設(shè)計，由企業(yè)進(jìn)行定制軟件開發(fā)，由中心負(fù)責(zé)體系協(xié)調(diào)與資源募集。

3 建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真中心建設(shè)案例

“宋保國寺大殿仿真建構(gòu)實驗”和“交通流虛擬現(xiàn)實實驗”兩個項目是國家級建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實驗教學(xué)中心的首批在線實驗教學(xué)模塊項目。項目由建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實驗教學(xué)中心組織開發(fā)，校企共同合作研發(fā)。自2015年9月項目開展以來，開發(fā)公司與我校兩位老師在數(shù)月間，進(jìn)行了反復(fù)的學(xué)術(shù)和研發(fā)討論，攻克了數(shù)個技術(shù)難題，目前2個模塊已建成。

3.1 宋保國寺大殿仿真建構(gòu)實驗

保國寺，位于浙江省寧波市北的靈山，1961年被國務(wù)院公布為第一批全國重點文物保護(hù)單位[12]。保國寺大殿，是寺內(nèi)現(xiàn)存最早的建筑，重建于北宋(公園1013)[13]，清康熙二十三年增建重檐，成為重檐歇山頂式，是現(xiàn)存長江以南保存最完整、歷史最悠久的木結(jié)構(gòu)建筑。[14]“宋保國寺大殿仿真建構(gòu)實驗”，是虛擬建構(gòu)系列中的中國古建筑部分之一。在“宋保國寺大殿仿真建構(gòu)實驗”教學(xué)中，通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實仿真實驗進(jìn)行輔助，學(xué)生可以更為有效地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，快速掌握北宋廳堂建筑的特點；學(xué)習(xí)宋代木構(gòu)建筑各個主要構(gòu)件的名稱、位置、和形象，了解其建造過程(見圖2)。

圖2 大殿木構(gòu)構(gòu)件認(rèn)知

模塊提供的自主學(xué)習(xí)功能包括：構(gòu)建認(rèn)知和建造過程認(rèn)知的自主學(xué)習(xí)功能。同時為學(xué)生設(shè)計了相應(yīng)的學(xué)習(xí)自檢功能，包括：構(gòu)建考核和建造過程考核(見圖3)。

圖3 “宋保國寺大殿仿真建構(gòu)實驗”模塊功能界面

目前“宋保國寺大殿仿真建構(gòu)實驗”在線虛擬仿真實驗?zāi)K的主要功能已基本實現(xiàn)，并可流暢操作。后續(xù)，還將應(yīng)用虛擬現(xiàn)實中的仿真模型，加入對大殿構(gòu)件的殘損狀態(tài)進(jìn)行檢測觀察的功能。

3.2 交通流虛擬現(xiàn)實實驗

本項目主要是通過將設(shè)計成果進(jìn)行虛擬仿真實驗，在未來的模塊建設(shè)中，希望發(fā)展為專業(yè)應(yīng)用與創(chuàng)新實驗以及課題研究與創(chuàng)新實驗。

項目選取經(jīng)典居住區(qū)的設(shè)計(見圖4)，包括住宅分布、道路路網(wǎng)、小區(qū)出入口等。通過分別調(diào)整校區(qū)交通結(jié)構(gòu)(出行方式比例)與道路斷面，觀察小區(qū)中的交通情況以及交通結(jié)構(gòu)與道路斷面的相互關(guān)系[15]。

圖4 經(jīng)典居住區(qū)平面圖

軟件系統(tǒng)的主要功能已基本得到實現(xiàn)，并可流暢操作，包括：交通數(shù)據(jù)、道路斷面、時段選擇、查看模式和輸出參數(shù)(見圖5)。

(1) 交通數(shù)據(jù)。手動輸入搭乘比例與出行方式比例，機(jī)動車換乘比例調(diào)整幅度在1～4之間，每種交通方式的出行方式比例調(diào)整幅度在0～100%之間，且總出行比例為100%。

(2) 道路斷面。提供4種道路斷面，分別為：4 m，5 m，7 m，9 m。

(3) 時段選擇。分為早高峰，平時以及晚高峰3段。

(4) 查看模式。全區(qū)查看。

(5) 輸出參數(shù)。主要包括兩部分，另一部分是以平面圖的形式顯示交通流狀況，一部分是輸出參數(shù)顯示。

圖5 “交通流虛擬現(xiàn)實實驗”模塊功能界面

學(xué)生通過“交通流虛擬現(xiàn)實實驗”的在線學(xué)習(xí)，可以針對自己的方案，利用課外時間，在交通系統(tǒng)方面進(jìn)行模擬，對自己的方案在交通方面進(jìn)行評價和感受，從而培養(yǎng)學(xué)生的獨立研究能力。原課內(nèi)學(xué)時中的實驗部分將有條件轉(zhuǎn)化為課外的自主學(xué)習(xí)學(xué)時，從而減少課內(nèi)學(xué)時。更重要的是，學(xué)生通過實際模擬，加深了對本課程的興趣，通過虛擬現(xiàn)實，可以構(gòu)建理論課和設(shè)計課之間的橋梁，學(xué)生在理論學(xué)習(xí)與現(xiàn)實之間的困惑便可迎刃而解。

4 結(jié) 語

建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實驗教學(xué)中心，自2014年底獲批掛牌成立以來，學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)及中心建設(shè)班子按照教育部及學(xué)校相關(guān)部門指導(dǎo)意見，順應(yīng)數(shù)字時代下的實驗教學(xué)要求，共同擬定了新時代背景下的虛擬仿真實驗教學(xué)模塊的建設(shè)思路，根據(jù)學(xué)院自身條件，循序漸進(jìn)，逐步開展建設(shè)工作，將最終實現(xiàn)既定的建設(shè)目標(biāo)。

[1] 梁林海，夏穎越. 美國高校在線教育：現(xiàn)狀、阻礙、動因與啟示[J].開放教育研究，2016(2) ：27-36.

[2] 袁 莉，斯蒂芬·鮑威爾，比爾·奧利弗．后MOOC時代：高校在線教育的可持續(xù)發(fā)展[J]．開放教育研究，2014(3)：10-15．

[3] 王衛(wèi)國．虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)思考與建議 [J]．實驗室研究與探索，2013，32(12)：5-8．

[4] 孫澄宇，黃一如. 同濟(jì)大學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)2.0建設(shè)[J]. 城市建筑， 2015(28): 43-45.

[5] 袁學(xué)倩，鄔家煒，基于協(xié)作實驗?zāi)Ｊ降奶摂M實驗系統(tǒng)研究[J]．計算機(jī)與現(xiàn)代化，2010(6)：23-26．

[6] 江 勇，江文莉．虛擬實驗室的架構(gòu)原則與技術(shù)[J]．濟(jì)南教育學(xué)院學(xué)報，2004(3)：56-57．

[7] 韋 林，陳榮康，楊國標(biāo)，等．力學(xué)實驗教學(xué)示范中心建設(shè)與發(fā)展中的探索與實踐[J]．力學(xué)季刊，2008(4)：656-659．

[8] 劉 佳，徐竟成，施鼎方．環(huán)境科學(xué)與工程實驗教學(xué)示范中心可持續(xù)發(fā)展與建設(shè)[J]．實驗室科學(xué)，2015(2)：7-9．

[9] 張飛剛，蔡建樂，李 冰．力學(xué)虛擬實驗網(wǎng)絡(luò)多媒體課件設(shè)計與實現(xiàn)[J]．現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育， 2007(6)：72-74．

[10] 孫澄宇，胡 拓，德·福里斯．多出口選擇中的幾何影響因素定量化研究[J]．建筑科學(xué)，2011(12)：76-80．

[11] 熊 焰，姚 ?。诰€仿真物理化學(xué)虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)[J]．化工高等教育， 2012(1)：26-29．

[12] 徐學(xué)敏,邱明亮.千年傳奇保國寺[J]. 文化交流, 2014(1)：28-33.

[13] 何 巖,王 玥.寧波保國寺古建筑虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)的應(yīng)用——建筑動畫表現(xiàn)[J]. 美與時代(城市版), 2016(4)：87-93.

[14] 張十慶.保國寺大殿的材栔形式及其與《營造法式》的比較[J]. 中國建筑史論匯刊, 2013(1)：37-43.

[15] 徐磊青，劉 寧，孫澄宇．廣場尺度與空間品質(zhì)——廣場面積、高度比與空間偏好和意象關(guān)系的虛擬研究[J]．建筑學(xué)報，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

全國工程專業(yè)學(xué)位研究生教育自選研究課題(教改項目)《在線虛擬仿真實驗平臺的關(guān)鍵能力研究》(2016ZX-169)

趙銘超(1981-),男,黑龍江青岡人，碩士,助理工程師,中心主任助理。主要從事教學(xué)科研工作。

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

孫澄宇(1978-),男，上海人，博士，副教授,中心常務(wù)副主任，主要從事教學(xué)科研工作。

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

TU 05; G 642.0

A

1006-7167(2017)04-0090-04