基于VR/MR技术融合的土木工程创新实践中心建设

摘  要：为适应教育、建筑行业信息化改革发展的新趋势，文章分析VR/MR技术应用于土木工程实践教学改革的必要性。阐述“一平台、五系统、多模块”的VR/MR实践教学中心建设思路与总体框架，中心将VR/MR技术融入到实验实践教学各环节中，构成互联互通的五个系统，形成多模块、多层次、虚拟可扩的信息化教学资源，实现多种教学指导模式和多元化考核方式，培养学生的创新精神和创新实践能力，可为同类院校土木工程VR/MR中心建设提供借鉴。

关键词：虚拟现实技术;土木工程;实践中心

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：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

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术利用计算机系统的仿真能力生成一种模拟场景，使用户沉浸到该环境中。通过视觉、听觉、触觉和动作等方式与虚拟现实中的对象进行实时交互，由此获得“身临其境”的感觉和体验。混合现实（MixReality，MR）是融合现实和虚拟世界而产生的新的视觉混合现实环境。在新的视觉环境中，物理对象和数字对象共存，实时交互。VR/MR技术在创新教学方式方法上具有独特的优势[1-3]，为学生提供了沉浸式学习的机会，让教学全面视觉化，提高学生学习的动力，培养学生实践和创新能力。

《教育信息化2.0行动计划》强调通过大数据采集与分析，将人工智能切实融入到实际教学环境中，实现因材施教、个性化教学[4]。实验实践教学环节在培养土木工程专业人才实践能力和创新意识中占有重要地位，为了进一步提升我校土木工程专业、土木工程卓越工程师及智能建造专业本科教育质量，基于VR/MR技术融合的创新实践中心建设至关重要。本文探讨VR/MR技术如何在土木工程专业人才培养过程中深度融合，创新实验实践教学方式与手段，介绍河北工业大学“一平台、五系统、多模块”的VR/MR创新实践中心建设成果。中心以提高学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化教学资源为重点，形成了培养复合创新型土木工程人才的有效途径，助力打造一流学科。

一、土木工程VR/MR创新实践中心建设的必要性

通过虚拟现实VR/MR技术提供沉浸式的实验实践互动教学场景，是对传统多媒体教学的一个升华，弥补了传统多媒体教育互动性、体验感不足的缺陷。VR/MR技术与教学目标和指导信息的无缝结合，可以有效地解决土木工程专业实验过程不可逆、操作复杂危险，实验运行困难、成本高，实习工程项目周期长、过程危险，实习深入参与度低、涉及极端环境等问题，并通过对体感互动实时数据的记录和统计分析，实现学习全过程的量化考核[5-8]。教学手段由传统的“以教促学”的学习方式转变为互动启发式、发现式、协同工作式和情境式等教学方式，向更加科学化、高效率方向发展。可见，结合大数据、人工智能等全新分析方法，将增强现实、虚拟现实等创新人机交互技术与土木工程人才培养深度融合的新一代信息化教学模式，为提供精准、个性化土木工程人才培养目标提供了技术基础，是与土木工程教育创新融合的重要手段和必然趋势。

二、VR/MR创新实践中心总体设计

（一）VR/MR创新实践中心建设思路

面向土木工程专业、土木工程卓越工程师、智能建造专业人才培养的需求与教学规律，VR/MR创新实践中心按照“一平台、五系统、多模块”总体框架设计，平台实现了教学互动、实验实践训练、科学考评、研究创新、学术交流和成果展示的综合性教学。依据专业知识体系与工程实践规律，将平台划分为专业基础教学系统、实验实训系统、协同创新系统、资源库管理系统与教学管理系统五个系统，每个系统包含多个模块，形成与理论课程相结合、与实体实验相结合、与企业实践相结合、与科研项目相结合、与实际工程相结合的五个系统数据互通、资源共享、协同运作的一体化VR/MR平台。

（二）VR/MR创新实践中心组织架构

VR/MR创新实践中心“一平台、五系统、多模块”的组织架构如图1所示，实践教学模式从“一刀切”向个性化、数字化、创新化转化。硬件和软件系统的投入既考虑当前教学和科研的需求，也考虑到可扩展性。平台建设覆盖建筑、结构、施工和管理等不同知识课程，满足不同难度层次，多专业学生从基本概念提高到交互式的虚拟创新设计，实现认知感受、复杂交互、动手操作和多人协同等不同操作方式，促进专业间互通协作，成为服务于全院及全校的VR/MR教学科研开放平台。

三、VR/MR创新实践中心系统功能设计及特色

（一）VR/MR专业基础教学系统

VR/MR专业基础教学系统，旨在培养学生土木工程专业知识和学习能力。按照知识体系从不同实践环节、不同深度及不同实现方式开发多个课程知识和实验模块。专业课程知识模块包括：不同结构体系基本节点、构件和整体虚拟仿真模型，施工过程、设备和方法模型的拆分教学模块。实验仪器教学模块包括：土木工程材料耐久性试验、多功能电液伺服加载试验、结构静力试验加载架和反力墙的三维模型操作教学模块，学生通过鼠标或触屏浏览、查看实验室场景和设备实验演示，实现本地和异地交互教学;同时可进入VR/MR浏览模式，在VR/MR场景中对模型进行位移、旋转、缩放的基本操作，并对模型进行剖切、爆炸图、拆解动画的操作及查看标记点信息和实验仿真过程，如图2所示。该系统拓展了专业课程知识、认识实习、生产实习、结构实验课和创新实践类课，系统采用开放性的模块化结构，便于根据课程知识对模型进行灵活地增/删/减和重组。

（二）VR/MR实验实践系统

VR/MR实验实践系统，旨在培养学生“教学做一体化”的实践能力和工程能力。利用VR/MR技术构建实验室、施工现场和工厂的实景仿真，针对复杂实验和工程问题开发VR/MR课程模块：土木工程材料VR课程;结构实验VR课程;装配式钢筋混凝土结构施工VR课程;盾构机施工VR课程。学生分组进行多人协同、复杂交互和场景体验，理解专业知识，掌握专业技能。

1. 土木工程材料VR课程

土木工程材料VR课程包括三部分：（1）混凝土的配合比设计与拌合物性能、力学性能实验。通过VR全景视频技术展示商品混凝土厂家对混凝土质量控制的全过程，VR场景多人协同交互操作混凝土和易性、混凝土试块养护、混凝土抗压强度实验。使学生掌握原材料（外加剂、胶凝材料、骨料）不同配合比参数（水灰比、单位用水量、砂率）对混凝土拌合物性能、抗压强度的影响。（2）混凝土耐久性实验。VR全景3D模型展示实验室、实验装置，针对不同环境条件（冻融、氯离子、硫酸盐），通过VR设备多人协同交互操作混凝土碳化实验、混凝土氯离子实验、混凝土抗渗实验和混凝土抗冻实验，并沉浸式体验混凝土耐久性实验结果的变化过程，使学生掌握混凝土耐久性评价指标和影响因素。（3）预制构件生产。通过VR全景视频技术演示工厂内预制构件生产和养护过程。本试验旨在培养学生创新知识结构和创新能力。

2. 装配式钢筋混凝土结构施工VR课程

装配式钢筋混凝土结构施工VR课程包括两部分：（1）根据装配式建筑施工需求，VR设备及交互操作手柄进行装备和设施选择，如图3（a）所示，包括起重设备选择、吊具选择、灌浆设备选择、预制墙板斜撑体系选择与布置、叠合板竖向支撑体系选择与布置、安全设施选择、专用工具和仪器选择等。（2）VR虚拟环境下模拟预制墙板和叠合楼板的安装过程。多人协同分别扶板及水平位置调节，钢筋与套筒位置调节，抄平及底部垫片调节，垂直度-斜撑调节复杂交互操作完成预制墙板和叠合板安装。通过本实验的操作，培养了学生的创新知识结构和团队协作精神。

3. 结构实验VR课程

结构实验VR课程，通过VR技术模拟结构力学实验室、实验装置、传感器、钢筋及混凝土试件等，VR全景中植入3D虚拟黑板展示荷载传感器的标定、位移传感器的标定、钢筋及混凝土的力学试验全过程，如图3（b）所示。学生沉浸式地操作试件的就位，仪器仪表的安装，VR环境下计算界限偏心距，判定构件的破坏类型，按大偏心或小偏心受压动画演示在荷载作用下的试验过程，掌握柱的裂缝发展过程（3D动态）、荷载-位移曲线（动态平面曲线）、荷载-应变曲线（动态平面曲线）的实时发展，以及最后的破坏状态并输出实验数据。

4. 盾构机施工VR课程

盾构机施工VR课程包括两部分。（1）盾构机结构介绍模块。真实还原盾构机施工场景，模型以土压平衡盾构机为原型设计。包括：盾体结构模块刀盘刀具盾体管片拼装系统，螺旋输送机等展示爆炸图及配备列表。（2）盾构机任务实验模块。包括：管片拼装任务、管片验收、管片涂料制作、管片的运输、同步注浆、管片拼装成环和管片修补等，如图4所示。本实验实现了隐蔽工程沉浸式的实践环节补充。

（三）VR/MR协同创新系统

协同创新系统将土木工程与多学科技术、信息和数据有机融入实践，通过VR/MR技术实现虚拟实践观摩、体验、学习到模仿、应用和制作，最后提升到运用多学科思维、方法和手段自主探索和主动实践，培养学生多学科交叉融合创新能力。该系统包括协同创新系统模块和VR/MR编辑及浏览工具，如图5所示。

1. 协同创新系统模块功能

系统主要模块：（1）建立钢结构原理、混凝土基本原理及施工技术等课程构件和整体BIM模型，应用VR技术展示并拆分构件和节点构造关键知识点。（2）依托国家重大工程或者科研成果，建立建筑设计、施工和管理全寿命周期BIM+VR/MR技术融于一体的模型，实现了教学和科研的有机结合。通过三大创新性引擎（多元数据处理引擎、精准的运动控制引擎和算法控制引擎）将3D控制扩展至VR/MR眼镜、仿真精准逼真。

2. VR/MR编辑工具和浏览工具