基于虚拟现实的新工科建筑类专业多学科融合创新平台构建

巩文斌

（西南民族大学建筑学院，成都 610040）

0 引言

2017 年2 月以来，教育部积极推进新工科建设，先后发布了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等通知文件，其中强调：“面向工业界、面向世界、面向未来，主动应对新一轮科技革命和产业变革挑战，服务制造强国等国家战略，紧密对接经济带、城市群、产业链布局，以新工科建设为重要抓手，持续深化工程教育改革，加快培养适应和引领新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才”。建筑设计类专业，历来更为重视实践应用，重视学生的实际操作能力培养。虚拟现实技术、沉浸式仿真实训模式、体验式教学等新模式能够有效与新工科建设需求接轨，为广大专业教师提供研究、实践的高校环境。

现以西南民族大学建筑学院建筑学科为研究对象，针对现有实践教学建设基础及现状主要问题，结合新工科背景，基于虚拟现实技术，构建建筑类专业多学科融合创新平台。通过创新平台实践，融合虚拟现实技术与传统教学方式，探索多学科融合人才培养模式，推动学校、企业、社会多方产学合作协同育人，促进民族文化传承与创新，探索新工科背景下建筑类专业多学科融合创新平台实施路径。

1 建筑专业建设情况

1.1 卓越人才培养与协同育人实践基地建设

建筑学专业2013 年成为四川省普通本科高等学校卓越工程师教育培养计划立项专业，2018 年通过住房和城乡建设部、教育部的专业教育评估，2020 年初列入四川省首批一流本科专业建设支持。学院近年来构建“数字测绘+数字设计+数字建构”一体化虚拟现实数字化教学创新平台，服务于学科实践与科研创新。通过校企合作协同育人与光辉城市、谷雨时代、超图、润尼尔等科技企业建立集VR、BIM、GIS、虚拟仿真等技术为一体的专业实验室，目前已完成了VR 虚拟现实技术、无人机航拍技术、AI 人工智能建模技术等一系列全新技术的教学融合，平台形成“数据留存—信息加工—综合研究”的技术集成与综合应用，基本达到“基础条件+课程拓展+校企合作+人才培训”工作闭环，实现了虚拟仿真实验项目与VR 体验式教学的高效融合，全面驱动人才培养模式创新发展，对学校建筑类学科建设水平、教育质量、办学效益和综合实力起到积极推动作用。

1.2 现有教学多专业交叉融合

（1）构建层次分明，体系完整，课程教学体系。建筑学专业包括学科基础教育、专业基础教育、综合训练教育三个阶段，学年时间5 年分配为2 +2 +1。学科基础阶段（一、二年级）重点进行通识教育和学科基础教育，强调空间设计基本能力和思维能力的培养和训练，初步掌握中小型建筑单体的类型特点和设计方法；专业基础阶段（三、四年级）注重建筑学理论、建筑设计方法的学习和训练；综合训练阶段（五年级）注重职业综合素质的培养和社会实践能力的训练；注重团队协作能力和规划统筹意识培养。知识体系形成“一主二辅”的结构，以建筑设计课程为主干，以建筑技术课程和社会人文课程为辅助。在分阶段课程安排中植入“民族性与本土性”的特色地域建筑教学线索，各阶段转换上注意相关课程的衔接，循序渐进、逐步深入拓展，确立了由设计、表达、技术、理论、修养、实践等6 大课程体系，注重对学生在实践过程中综合能力的培养（见图1）。

图1 建筑学专业教学体系示意

（2）结合应用型人才培养需要，强化建筑学专业综合素质的训练。注重实践创新平台的建设，鼓励学生参与学科竞赛、创新项目、实验性教学活动，参与跨学科、跨年级协作的重要工程实践，培养专业能力突出、专业素养良好、思维活跃、视野开阔的优秀学生。课程教学中强调建筑学工作能力的综合培养，包括表现能力、调研能力、协作能力、表达能力等，以进一步提高学生的职业素养。注重培养学生熟悉建筑学的工作程序，掌握“调查—分析—设计”的工作方法；加强建筑学的职业道德教育，了解建筑学对社会各方面的影响；通过社会调查实践、建筑设计等课程中的社会实践环节进一步培养学生的社会责任感（见图2）。

图2 建筑设计课程体系

（3）依托学校的特色优势学科，探索“地域”和“民族”教学特色。充分发挥学校在民族经济、民族旅游、民族文化研究等方面的学科优势，建立以建筑学核心理论为支撑、相关学科理论为补充的多元化知识体系。学校所处的西南地区在生态环境、地域要素、民族文化上具有多样性特点，在课程体系、教学内容组织和选题上，积极涉猎民族地区村寨的保护与设计、民居更新与传承等领域，努力探索教学的地域特色。在民族地区建设教学和科研实践基地，通过测绘、社会调查、科研服务等途径实现人才培养与社会服务的统一。

2 新工科下建筑类专业多学科融合创新平台构建

（1）结合新工科背景，优化发展建筑教育。建筑学专业立足西南民族地区城乡建设需要，依托西南地区人居环境中民族及其聚落众多的重要特征，基于新工科建设理念，针对当前学科专业现状及存在的教育教学理念观念更新、学科专业之间交叉融合、面向复杂工程能力提高等问题，通过校企共建协同育人合作模式，构建形成“建筑学+多学科交叉融会+跨学科组织机构+跨学科课程+跨学科团队+跨学科平台”的多学科交叉融合创新平台，开展体现学校优势与特色的专业集群建设。

（2）多学科融合，驱动人才培养模式改革。突破学科专业定势，探索建筑学多学科专业交叉融合，优化人才培养方案，推进课程体系和教学模式改革，构建面向复杂工程问题的课程群，组建面向建筑学跨学科专业教学团队和项目平台，实现以学生为主体的开放教学平台和培养机制，形成“新工科+建筑学+多学科交融”的平台模式，全面驱动人才培养模式创新发展。

（3）校企合作，推进人才培养途径优化。建筑学院近3 年通过协同育人产学研积极融合，与多家科技企业建立了建筑类专业新技术教学应用实践基地。在此基础上，项目将进一步探索多学科创新平台长效运行机制，通过产教融合、协同育人等校企合作方式整合实训实践资源，共建一批高水平的工程实践创新教育基地。同时围绕人才培养、科研创新、社会服务三个方面相互合作，推动教育链、人才链、知识链和产业链深度融合，形成具有良好示范和带动效应的产学研“多学科融合创新平台”。

（4）虚拟现实与体验式教学高效融合。面向多专业、多层次人才培养需求，突出以学生为中心的实验教学理念、结合虚拟现实新技术特点，与教学课程融合，通过创新教学内容、教学方法、教学环节实现特色内容构建。全面试点虚拟现实体验式教学、翻转课堂等全新的教学模式，持续改进实验效果评价体系，快速提升学生综合设计能力。

3 新工科下建筑类专业多学科融合创新平台实践

3.1 融合多学科、多平台、多途径的教学支撑体系

（1）多学科、多课堂。学院结合专业建设的总体思路，基于“多学科、多课堂”统筹跨学科教学团队，多专业参与，多方面积极推进虚拟课程建设，带动整体课程建设。构建“设计认知+理论提升+实践应用”的多元化贯穿式的课程体系，创新拓展多方联合的教学方法，体现多维关注视角、多方利益诉求、多元价值判断。

（2）多实践平台。针对建筑学专业教学中存在的弊端、学校教学与市场需求脱节、跨学科学习环境缺乏等问题，创新平台尝试以“实践教学体系+信息技术管理+学校社会联动”的方式，通过资源有效整合、教学和科研有机结合、实验成果向教学内容有效转化、双创项目联合发展等途径、强化教学内容方法的学习，实践教学应用价值。同时通过校企合作为学生建立多层次的实践创新平台，使学生在课堂之外拥有更广阔的开放式课堂。①建立稳定的校外实习基地，以保证实践性教学环节的正常进行及实践教学的质量。②产学研结合，让学生参与到教师的科研课题中，培养学生分析问题、解决问题的实践能力。③积极组织学生参加各种专业竞赛，并定期在校内举办相关学术竞赛，营造校内外学术与实践氛围。④结合专业课程到民族地区开展社会实践和社会调研。

（3）多途径。针对建筑学专业实践性强的特点，引进一线工程师与校内师资紧密结合形成教学团队，拓展设计课程的教学手段与方法，及时了解行业动向，加强新技术在教学中的应用，并引领学生及时了解和把握学科领域的前沿问题。此外，在毕业设计、专业课程设计中，邀请设计院的专家评图，多途径引入设计资源共同教学，建设多主体、多平台、多途径融合的协同育人机制。

3.2 以新工科为主导的建筑设计类人才培养

（1）开展以设计为核心的建筑类专业新工科建设。以设计为核心的建筑类专业新工科是以建筑学、城市规划及风景园林专业为体系，同时专业延伸至环境设计、产品设计，形成当代包豪斯设计特质的设计新工科大类。学院将开展的建筑类大类招生与教学，即在建筑学、城市规划和风景园林专业新生入学的起始阶段进行通识教学，到了高年级再根据学生个人的兴趣划分专业。这种做法将建筑设计类的专业打通，形成较好的设计类人才培养机制。

（2）强调多学科交叉融合的人才培养模式。以民族高校行业优势为特色的学科交叉体系，以“三强一实”（责任心强、专业素养强、动手能力强、工作作风踏实）为建筑类专业新工科办学思想，打造具有“大设计观”的创意工科教育模式，融合“通识教育”与“创新教育”的学科交叉模式，构建多民族交融开放、富有特色的学科交叉教学体系，坚持产学研用相结合的学科交叉应用体系。

3.3 基于虚拟现实技术的创新实践平台

（1）建设虚拟现实核心教学创新平台。基于虚拟现实技术带来的沉浸式交互体验，配套一系教学功能模块、表现模块、交互模块等，打造虚拟现实核心教学创新平台，见图3～6。

图3 材质编辑、表现

图4 场景内模型库配景模型任意摆放

图5 配有丰富信息的植物模型库

图6 动态物体运动轨迹自定义

（2）建设增强现实及无人机技术创新驱动实验平台。打造集无人机制式图片人工智能识别、定点位置偏移轨迹计算智能建模、模型智能输出、远程照片/模型管理等功能为一体的无人机技术实验系统，同时协同打造集制作与表现功能为一体的增强现实实验系统。上述两项，作为虚拟现实核心教学创新平台的技术补充和新兴技术应用实践科研方向，协同发展，见图7、8。

图7 无人机航拍建模

图8 AR增强现实效果表现

（3）全流程数字设计实训课。借助虚拟现实技术，基于课程模块，实现全流程虚拟数字设计实训课，实现提质增效，强化专业综合素质的训练，见表1。

表1 全流程虚拟数字设计实训课重点模块

（4）虚拟现实实验教学资源库。用虚拟现实与建筑教育相结合的方式，通过新软件、新平台的研发，形成有效的内容制作、管理指导体系，自主制作教学资源。从课堂教学到毕业设计到学科竞赛分阶段构建“互联网+”的OR系统，建设数字化的教学案例库，强化系统的协同性和整合度。见图表2。

表2 虚拟现实实验教学资源库

4 结语

基于虚拟现实的新工科建筑类专业多学科融合创新平台，目前已得到学校的高度重视并开展研究与实践。创新平台结合校内外学科实践多元拓展，已完成“新工科理念下的建筑类专业多学科交叉融合人才培养模式构建”“基于虚拟现技术及沉浸式体验教学新模式的泛建筑设计新技术教学应用实践基地”“西南民族建筑BIM研究应用基地”“四川藏羌传统建筑数字建造实验项目”等5 项教育部产学研协同育人项目，完成四川省省级虚拟仿真实验教学项目1 项，“基于虚拟现实的新工科建筑类专业多学科融合创新平台构建”入选教育部第二批新工科研究与实践项目，平台组织大学生设计创新团队，参加各类学科竞赛及社会服务实践活动，举办首届“未建成”数字作品展，已完成相关教改科研项目多项，获得国家省级奖项多项，积累了一定的研究成果和工作经验。此外学院通过产学研积极融合，成立区域联盟中心，与多家企业建立建筑类专业新技术教学应用实践基地，优化教学模式及人才培养方案，形成校企协同项目的持续良性发展。

通过虚拟现实的新工科建筑类专业多学科融合创新平台构建和实践，强调多学科交叉融合。创新平台融合虚拟现实与体验式教学，突出体验感知，延伸传统教学，形成全新教学模式体系的创新应用。同时，通过校企协同共享资源，推进人才培养途径优化，形成建筑学创新人才培养模式、提高人才培养质量。