山东建筑大学是一所以土木建筑为特色、工科为主的多科性大学,实验教学中存在较多真实实验不具备或难以完成的情况。建筑工程施工过程长、建筑物内部结构不易观察,学生在工程施工现场实践存在诸多安全隐患;而实验室中的真实实验,又存在施工实验方式少、模型比例小、实验过程不可逆、学生参与程度低等问题。像桩基灌装、结构吊装、起重机防倾覆等实验,实验教学效果很不理想。

针对以上实验教学中存在的难题,山东建筑大学在2004年成立了虚拟现实实验室,开始在建筑学科部分专业采用虚拟现实、仿真、多媒体、人机交互及网络通信等信息技术进行实验教学,良好的实验教学效果开始显现。随着学校多学科、可持续发展需要,土木、建筑、机械、交通等学科对虚拟仿真实验教学的需求不断扩大,学校于2006年初又成立了山东建筑大学虚拟现实技术研究所,深入研究虚拟仿真实验教学技术,并开始通过校企合作等方式探索虚拟仿真实验教学系统的自主研发等工作。2009年依托土木工程国家级实验教学示范中心先进的网络化实验教学和管理平台,虚拟仿真实验教学项目快速增加,服务专业越来越广。

以建筑工程相关学科现有虚拟仿真实验教学单元为基础,进行资源深度整合,依托土木工程国家级实验教学示范中心和机械基础山东省实验教学示范中心,成立了山东建筑大学建筑工程及装备虚拟仿真实验教学中心。按照“立足专业教学规律、注重学科交叉融合、突出工程建设全过程、着眼建筑行业新趋势”的建设思路,构建建筑工程及装备虚拟仿真实验教学体系,持续推进实验教学信息化建设和实验教学改革与创新,力争通过3-5年将中心建设成为绿色建筑特色显著,服务建筑工程各专业,全过程、多层次、系统化的虚拟仿真实验教学基地。建设思路如图1所示。

中心建设经历了三个阶段:

第一阶段:初步探索、规划建设。2004年成立了虚拟现实实验室,启动虚拟仿真技术的研究与应用工作,逐步探索基于虚拟仿真技术的实践教学方法与手段改革,并在学校的大力支持下,于2006年成立了虚拟现实技术研究所,制定了长期发展规划、建设目标。学校先后投入150余万元,进行软硬件建设。

第二阶段:重点投入、全面建设。2007-2010年,依托土木工程国家级实验教学示范中心与机械基础山东省实验教学示范中心,成立了虚拟仿真实验教学中心。学校先后投入350余万元增添了虚拟现实设备,并对中心实验环境进行了改造。同时,中心制定了一系列规章制度,加强软环境建设与实验教学改革。

第三阶段:加强改革、发展提升。2011-2013年,山东省财政专项资金投入200余万元。另外,中心与企业深度合作,联合投入400余万元。中心软硬件环境得到极大改善,实验教学体系进一步完善,教学特色日渐突出,教学效果明显、成果丰硕。

建设现状:

中心借助山东建筑大学虚拟现实技术研究所雄厚的技术研发实力和良好的产学研合作平台,以建筑工程为核心,利用虚拟现实、人机交互等信息化技术,构建了建筑工程、建筑装备、机械化施工和绿色建筑等四大虚拟仿真实验教学平台,规划建设20个教学模块,多个实验项目,形成了“4-7-20-X”虚拟仿真实验教学网络体系,如图2所示。

2 4-7-20-X”虚拟仿真实验教学网络体系(简图)

该实验教学体系由建筑工程、建筑装备、机械化施工、绿色建筑等相互支撑的四大平台为基础(4横),以建筑工程平台所包含的规划设计、土方工程、结构工程、配套设施、内外装修、建筑环境和道桥工程等七个过程紧密衔接的专业模块为主线(7纵),在建筑装备、机械化施工等平台中,按照各学科专业教学规律和要求,开展虚拟仿真实验教学模块建设(20个模块),每个模块包含若干实验项目(X),从而形成了条块分明、点面结合的“4-7-20-X”虚拟仿真实验教学网络体系。体系构建中突出学校在绿色建筑技术及其理论博士人才培养项目、山东省绿色建筑协同创新中心建设中形成的学科特色与优势,将各实验教学模块中有关“绿色建筑”的内容整合优化,进一步促进学校学科特色建设。

中心在近十年的持续建设过程中,依靠校企深度合作,创新产学研用循环,形成了“科研反哺教学”资源建设模式;发挥团队技术优势,创新资源共享模式,满足了多学科、多专业、不同层次的“教---考”实验教学要求。中心已建设完成的16套拥有自主知识产权的虚拟仿真实验教学系统,服务于土木、建筑、机电、交通等7个学院14个专业的63个实验项目,年实验教学工作量81551人时,并逐年增加,虚拟仿真实验教学可靠、安全、经济的优势日益明显,已成为真实实验教学的有益补充和拓展。