物业管理虚拟仿真实验平台的设计与实现

陈丽丽，周建群

21 世纪以来，房地产行业逐步发展成为我国国民经济的一个重要增长点，作为房地产的配套服务，物业管理行业也获得迅猛发展.物业管理由最初的“房屋修缮、设备维护”的1.0 时代发展到“物的管理和人的服务相齐并重”的2.0 时代，随着物联网时代的到来，物业管理正步入智能化时代［1］.十九大报告提出，支持传统产业优化升级，加快发展现代服务业［2］，在政策导向和行业转型升级背景下，市场对高层次的物业管理专业人才的需求将会与日俱增.

在此背景下，高校物业管理专业将着重培养学生的实践能力，而实验教学是培养学生实践能力的有效途径，虚拟仿真实验教学是实体实验教学的延伸、拓展、补充和提升［3-4］.WANG J 等利用虚拟现实软件Unity 3D 建立了交互式火星探测车虚拟训练系统［5］；英国开放大学从2006 年开始，应用基于互联网的三维虚拟世界“第二人生”开展教学［6］.国外学者ALKHALDI T 经过实证研究，证实了虚实结合的实训平台对于学生掌握知识和技能方面具有优势［7］.我国在 1998 年首次提出“信息技术与课程整合”.近几年教育部相继发文大力支持和鼓励各地高校建设虚拟仿真中心和申报项目，教育部《关于2017—2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》要求“深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用”［8-9］，各高校已经相继开展相关的探索和建设.

福建江夏学院近年来依托省级应用型示范本科和工商管理专业群实验教学中心，积极建设模块化、系列化物业管理虚拟仿真实验平台，平台以“虚实结合”为总体思想，基于Unity 3D 技术，把虚拟仿真技术运用到物业管理法律纠纷案例中，开发了具有交互性和沉浸式的虚拟仿真实验平台.在今年疫情特殊时期，该平台发挥了应有的实验教学功能并实现了开放共享，有效提升了物业管理专业教学理念，改进了教学方式和方法，丰富了教学内容，扩展了实验的时间与空间，逐步形成教学成效显著、运行良好和开放共享的实验教学体系，为物业管理专业培养应用型人才提供了一条新途径.

1 物业管理虚拟仿真实验平台设计

物业管理虚拟仿真实验平台在软件实现上以3D 效果为主，主要分为：①基于Unity 3D技术进行网页设计；②在场景的设计中运用3DS Max 软件进行建模，再将两者结合起来进行专业的实训系统设计.系统设计坚持以学生为主体，兼顾功能性、人性化、兼容性、可扩展性、稳定性和安全性的原则，在此基础上整合教学资源、数据资源和系统资源，构建多样化、自主性的虚拟仿真平台，物业虚拟仿真实验平台设计分为平台管理、软件架构、核心代码和平台功能四个模块.

1.1 平台管理

平台管理提供统一的实验入口，包含教务管理、教师管理、用户管理和学生管理.平台管理的搭建可为师生提供全方位的无缝对接的学习路径，图1 为物业管理虚拟仿真实验平台管理功能［10］.

图1 物业管理虚拟仿真实验平台功能

平台用户分为教务、教师、学生和管理者四个角色，不同的角色对应不同的子系统.教务模块是连接校内教学事务的桥梁，包括与校内教务计划对接、开课对接，各类教务信息的查询等；教师是教学活动的发起者，与实验教学相关的任务发布、作业管理、互动答疑，以及成绩管理均在教师模块发布；学生是参与实验最直接的体验者，学生模块与教师模块功能相似，针对教师所发布的任务进行实验，提交实验报告；管理员是平台的维护人员，基本不涉及教学任务，主要负责后台的资源管理、账号管理等事务［11-12］.

1.2 软件架构

平台使用虚拟仿真技术，采用Unreal Engine 4虚拟现实开发引擎，以“Html5+WebGL”相结合的网页一体化开发方式，构建B/S 模式虚拟仿真平台，其功能实现主要分为服务端和客户端，这种部署方式有别于传统的B/S 模式，网页展示具有较强的3D 图形效果（用户只需要安装Flash 插件即可），具体实现如图2.

服务端.负责对服务、数据的集中管理.对教师、学生上课数据进行存储，同时提供数据通信服务、云端部署和软件版本的维护.服务器程序和IIS 服务都需要服务端来管理，相应的通信协议有：Http、WebSocket、Web API等.

图2 软件架构图

客户端.客户端的开发是基于JavaScript脚本，只需要通过浏览器和通信配置即可完成访问工作，在需要展示3D 处理的图形效果时安装浏览器的插件WebGL.B/S 模式的客户端访问方法相对简单，也基本能满足3D 效果要求，比传统的虚拟仿真软件的客户端软件（C/S 模式）维护简单、方便.

1.3 平台核心代码

镜头切换是网页3D 编程中的核心内容，在一个网页中构建三维物体时一般是构建三维向量（x，y，z）来表示一个点，为了方便矩阵描述这种三维变换，通常是再增加一维w即（x，y，z，w）表示一个向量点，多数实现上使用（x/w，y/w，z/w）来表示，即不改变三维定义又可以提升三维变换程序实现的方便性.所有的变换组合起来就是一个3D 变换设计的过程，常用变换有以下三种.

平移变换.分别用movex、movey、movez表示向量点（x/w，y/w，z/w）在X轴、Y轴、Z轴方向上各自移动的距离，因此各维平均变换后的点为(x/w+movex,y/w,z/w)、(x/w,y/w+movey,z/w) 、(x/w,y/w,z/w+movez) ，同理三维一起变换后的点为move，参看公式（1）.

缩放变换.分别用sizex、sizey、sizez表示向量点（x/w，y/w，z/w）在X轴、Y轴、Z轴观察方向上缩小或放大的倍数，因此各维缩放变换后的点为 (x/w×sizex,y/w,z/w) 、(x/w,y/w×sizey,z/w)、(x/w,y/w,z/w×sizez)，同理三维缩放变换后的点为size=(x/w×sizex,y/w×sizey,z/w×sizez) ，根据多项式相等的原理，求得缩放矩阵点也可以表示为

旋转变换.旋转变换由于受到旋转轴、旋转方向、旋转角度等不同旋转方式的影响，因此这种变换比上述平移和缩放变换复杂.具体旋转的参数为：旋转轴（X轴、Y轴、Z轴）、旋转方向（左、右）和旋转角度（0°～90°）.旋转变换主要是根据一个旋转轴进行操作，正常没有多个一起旋转.以X轴为旋转轴向左旋转30°为例，即X轴正半轴沿着X轴正方向进行观测，Y轴和Z轴都围绕X轴转，而X轴不变则旋转矩阵分别如下：

网页中浏览一个3D 场所景时，需要提供以上平移、缩放和旋转的交互操作，而这些组合就构成了3D 模型变换的效果.在图形学的范畴当中，仿射变换分为了刚体变换（平移变换、旋转变换）和线性变换（缩放变换、旋转变换），仿射变换也可以看成投影变换，即形成3D 旋转、线性运动、镜头切换等完整的流程.以下为当前视角经上述组合变换后的镜头切换的程序实现：

输入

Inputs：view：当前视角，

change：组合变换.

输出

Outputs：Camera：变换后的镜头.

过程

var pos=link.getPointAt（view）；

workflowSphere.p（pos）；

billboard.p（pos.clone（）.add（new mono.Vec3（change）））；

var camera=main.sceneManager.3d.getCamera（）；

camera.lookAt（pos）；

return Camera；

1.4 平台功能

平台功能设计.在物业管理虚拟仿真实验平台中，实验教学是核心，平台功能设计坚持以教学大纲为准则，以实验脚本为基石，兼顾实验课程功能性、实用性、互动性和趣味性，包含事件演练设计——基于对案例事件的还原.学习模式设计——对于知识点的回顾与学习.隐患整改设计——对于管理问题的整改，以及法律法规的掌握程度.训练考核设计——对学生实验过程的掌握情况，以及实验结果的呈现.

事件演练设计.事件的演练设计是为了让学生更直观地发现问题.比如将火灾出现的起因（如某嫌疑人故意纵火导致火灾）、经过（由于感应器年久老化且未按时检修，业主错过最佳逃离时间，当致电求救时，消防通道却因为被改建而受阻，消防员徒步到17 楼才取得消防栓去救援）、结果（因物业管理种种漏洞，导致业主被吞没在火海里）等进行三维立体展示，梳理出因物业管理疏忽及漏洞所导致的安全隐患和物业纠纷.

图3 上图呈现的是整个事件所发生的背景：某小区发生火灾，由于物业缺乏规范管理，比如消防救援通道被堵、物业消防人员无证上岗、物业公司未按要求巡检等；图3 下图呈现的是由于某嫌疑人纵火而导致的火灾，小区内报警出险请求救援，却由于消防通道改造成绿化带导致救援受阻.通过事件演练的设计，将整个物业安全隐患及纠纷案例呈现在师生面前，将不可逆事件回归还原，让学生在3D 立体环境中体验现实无法实验的场景.

图3 事件演练图

学习模式设计.实验的最终目的是让学生学到知识，并学以致用.学习模式设计的饱满程度关系到学生是否能够吸收完整的知识点.通过事件演练还原暴露出的物业管理问题，并根据该问题所涉及的法律法规，针对性地学习训练，可以达到事半功倍的效果.例如小区楼道内的消防栓被封堵于大理石墙内，消防员耗费一定时间才取出消防栓，导致救援被拖延.这一事例违反了《中华人民共和国消防法》第16 条和第28 条明确规定：任何单位、个人不得损坏、挪用或者擅自拆除、停用消防设施、器材等；必须落实消防安全责任制，定期组织检验、维修，确保消防设施完好有效等.通过该学习模式的设计与呈现，学生将更直观地获取到法律知识.

图4 上图展现的是在小区的四个方位（消控室、小区全景、小区通道、房间），因为物业管理不当所发生的问题并触及相关法律法规；图4 下图具体展现的是房间内大火迅速蔓延开来，是由于室内装饰材料的防火性未达到国家标准及行业标准.学习模式的设计，可以将知识点系统化、模块化，让学生能够全面快速地掌握实验要求.

图4 学习模式图

隐患整改设计.在对纠纷事件进行还原并了解其所触及的法律法规的基础上，完成对纠纷事件中所暴露的安全隐患的整改.安全隐患整改设计是对学生物业纠纷法律法规运用能力、技能掌握情况的考核，检验学以致用所达到的效果.比如小区楼道内的消防栓，因为水泵接合器生绣无法接水，导致救援被延迟，根据整改要求，物业公司必须定期检修小区内所有消防设备设施、实行定期巡检制度，确保设施能够正常使用.隐患整改是解决物业管理漏洞的有效途径，也是完善物业管理的必要路径.

图5 上图展现的是从小区场景中找出1处隐患——消防通道被改造成绿化带后导致消防车道受阻，需严格按照规定，留出消防通道，以水泥或更适宜的材质建设消防通道；图5 下图展现的是在消控室找出2 处隐患——消防中心值班员没有消防证书，以及物业公司未按要求对消防设施进行日常巡检，需替换有证人员，并要求物业公司严格进行每日巡检.隐患整改的设计，是对学生实验效果的检验，对于物业管理和法律法规知识点的考核应全面合理.

图5 隐患整改图

训练考核设计.为了更科学地检验学生对于物业管理漏洞的分析能力，以及对所涉及的法律法规知识的学习效果，并及时、在线给出相关反馈信息，需要设计实验训练考核评价体系（见图6）.评价体系建立在注重过程、结果可比、客观分析的原则上，内容涉及学生对于事件演练的考察能力、物业管理和法律纠纷知识点的掌握能力和隐患整改的处理能力的考核，评分细则的分数权重包括：①过程评价（60%）.包括原理检验、问题处理能力、应急处理能力和整改方案评价等.②终极评价（40%）.包括实验考核测试和实验报告完整性.老师可以随时提取和掌握学生实验数据，进行实验效果分析与教学反馈.

图6 实验训练考核评价体系

平台各个功能具有层层递进的关系，首先让学生在虚拟现实环境中发现问题，接着进行知识点的梳理，最后去解决问题.训练考核模块是对各个功能学习效果的检测.

2 物业管理虚拟仿真实验平台效果分析

2.1 平台运行情况

物业管理虚拟仿真实验平台是省级虚拟仿真实验教学平台，服务全校3 个院部、5 个本科专业、近2 000 余名本科生.平台建设以来，以提升学生能力为目标，利用信息化手段，推进实验云端化、交互可视化，促进物业、法学学科的建设，推进实验中心的发展［13-14］.表1 是平台近年来部分学生实验记录.

2.2 平台使用评价

针对使用过该平台的师生发放调查问卷，发放问卷调查150 份，收回有效问卷148份，其中2 份不完整作废.分别从交互性、考核模式、平台功能、能动学习方面进行评价，大部分师生认为平台对于学生实验技能方面有明显的提升作用（见表2）.

从表2 可以看出，师生们对物业管理虚拟仿真实验平台及教学效果的认可度较高，普遍反馈平台在对于知识点的展现、学生掌握内容的考核上较新颖，平台的使用让学生不再枯燥地体验物业管理及法律纠纷知识点，比如通过“找茬”“通关”的交互方式、增强互动效果，提高了学生的学习积极性.当然平台还需要进一步完善，比如师生们反馈平台在实验报告的设计上较单薄、报告内容呈现得不够充分，另外物业法律纠纷只局限于火灾事件，还未涉及到人事纠纷事件等，仍需不断完善.

表1 部分学生实验记录表

表2 师生对物业虚拟仿真平台的评价

2.3 平台效果分析

物业管理虚拟仿真实验平台再现了物业管理事件中发生但不可再现的场景，目前该实验项目已经在校内、校际实现了共享，其在人才培养、学科进步和资源共享等方面具有显著的效果.

提高了人才培养质量.通过虚拟仿真实验场景的交互，增强了学生对物业管理的理解和对法律法规的敬畏，提升了对法律法规基本知识点的理解和运用，提高了学生的学习兴趣，强化了学习效果.特别在今年疫情特殊时期，响应了教育部提倡的“停课不停学”的号召，学生在家利用该教学资源参与实验活动，在教学效果上获得了良好评价.

进一步促进教学相长.专业教师积极参与平台开发，并将研究成果用于虚拟仿真教学，丰富了实验教学内容.教师积极开展多项实验教学改革项目；学生踊跃参与各类技能赛事.仅在2019 年，学生参与的各类学科和技能竞赛中，获得国家级奖项的有18 项，省级奖项的有8 项，促进了学生技能培养.

促进资源共享和成果推广.虚拟仿真实验每年为学校法学和物业管理专业学生提供直接实验，同时，为其他法学与物业管理专业高级本科生及广大企业从业人员提供优质线上课程资源共享，课程质量和水平获得了认可；在原有专业应用的基础上，学校正以此教学成果来推动更多专业实现实验教学改革，以促进实验教学资源的开发和推广.

3 结语

虚拟仿真实验是应用型高校人才培养的需要，是与现代信息技术深度融合的产物，是未来实验教学改革的趋势.物业管理虚拟仿真实验平台的建设，不仅降低了实验教学成本，解决了突发事件不可复原的困难，更重要的是通过对物业管理纠纷案例传统教学模式、方法和手段的改革，使学生足不出户就能了解物业管理问题及法律纠纷，增加了学生自主学习的空间，提高了学生的学习兴趣和实践能力，提升了学生的信息化应用能力和综合素质，提高了应用型人才培养成效，同时也推动了物业管理和法学等专业融合培养，有效提升了这些专业的教学水平.下一阶段，平台将重点进行提升实验教学质量和虚拟实验项目的共享程度方面的研究，努力建成案例完备、情景逼真、开放共享的实验平台.