河南大学是省部共建高校,也是河南省重点发展的高校。土木建筑各专业的真实实验教学中存在诸多问题,如:岩土实验周期长、结构抗震试验费用高、不可逆,工程施工实习环境高危、安全隐患大,古建园林建造过程实验不可逆,实验设备投入大等。

    针对这些问题,学校于2008年成立建筑虚拟现实实验室、2010年成立虚拟现实技术研究所、2013年依托一个国家级和两个省级教学示范中心成立了河南大学土木建筑虚拟仿真实验教学中心。中心现已形成了由15名教授为核心,21名副教授为主力的教学、研发团队,是目前河南省唯一获批的省级土木建筑类虚拟仿真实验教学中心。

教学资源及实验项目

    中心借助校虚拟现实技术研究所技术研发能力和产学研合作平台,秉承“立足土木建筑专业、注重学科交叉融合、突出实验过程互动性、着眼工程技术新热点”的指导思想开展中心的建设工作。已陆续开发了低周往复荷载实验、古建筑建造、古园林复原设计、岩土力学、工程施工、土木工程结构、工程规划设计、建筑设备8套虚拟仿真系统。每个系统包含若干实验项目,每个实验项目按照各学科专业教学规律和要求开展虚拟仿真实验教学,形成了涵盖土木、建筑、园林等多学科交叉的虚拟仿真实验教学资源体系。虚拟仿真实验教学分为教学和模拟实验两大模块,学生可在教学模块中学习实验操作流程,在模拟模块中仿真操作,增强了教学的直观性,降低了实验成本。

    “低周往复荷载虚拟仿真实验教学项目”是由密排柱结构抗震性能研究项目成果转化而成。主要包括剪力墙结构受荷实验、砌体结构受荷实验、框架结构受荷实验、梁柱节点受荷实验、半刚接钢框架受荷实验。

    “岩土力学虚拟仿真实验教学项目”是由黄泛区粉土力学特性研究项目成果转化而成。包括土的标准固结、土的直接剪切、土的三轴压缩、土的无侧限抗压强度、土的界限含水率5个虚拟仿真实验。

    “古园林复原设计虚拟仿真实验教学项目”是由艮岳园林复原设计研究项目成果转化而成,主要包括皇家园林复原实验和私家园林复原实验。利用虚拟仿真技术,对园林设计中山体走势、水系流向、道路布置、景植搭配、建筑布设进行互动展示,虚拟还原古园林的历史风貌。

    “古建筑建造过程虚拟仿真实验教学项目”是由开封朱仙镇关帝庙复原研究项目成果转化而成,主要包括古建筑建造过程、古建筑斗拱建造过程、古建筑屋顶建造过程三个虚拟仿真实验。

    “工程施工虚拟仿真实验教学项目”,包括:工程场地平整放线、基坑开挖、主体施工、网架施工等环节,通过三维实景操作,能够帮助优化工程施工工艺和流程。

    “土木工程结构虚拟仿真实验教学项目”以ansys为计算内核,涵盖剪力墙、框架、框架-剪力墙、网架、钢结构厂房、斜拉桥、隧道开挖等实验。

    建筑与规划虚拟仿真实验教学系统包括:建筑风环境虚拟仿真实验、日照分析虚拟仿真实验、城乡规划城市设计虚拟仿真实验。

特色与创新

(1) 虚拟与现实相结合的教学形式

    针对传统实践教学存在的问题,将虚拟仿真实验教学与原有实体实践教学相结合,创建了“以实为本、虚实结合”满足认知实习、专业实验、专业实训、专业实习等要求的综合实践教学体系,形成了以“仿真实验”拓展“真实实验”的“绿色实践教学”特色。

(2)历史文化与科学对接教学内涵

    本虚拟仿真教学中心融历史文化与现实为一体,对古园林复原过程进行模拟,将设计、建造、实施等过程的顺序实施动态呈现,强化传统文化传承与科学的融合,打通科技与历史文化的壁垒。

(3)“交互式、体验式、自主性、探究性”实践教学方法

    依托虚拟仿真实验教学平台,学生根据课程要求和工程实际,自主设计实验,进行实验全过程的操作和体验,甚至可以有意进行“试错”实验,感受实验结果,从而促进学生自主学习与探究学习。

(4) 形成“产学研用”循环的教学体系

    中心陆续取得相关专利45项,完成了郑汴一体化、开封朱仙镇、艮岳园林复原等为代表的一大批重大、有影响的实际工程项目。科研反哺教学,实现成果的教学项目转化,形成了“产学研用”良性循环。

基础条件

    中心现有3通道环幕立体投影、3D影像渲染集群、3D影像拍摄平台等硬件设施;拥有Unity3D、Virtools、VRP、3DMax、ANSYS、ABAQUS、FLASH、Revit等虚拟现实软件研发平台。软硬件总值1134余万元。

资源共享

    教学资源共享是中心建设的核心。中心教学系统与资源部署在校园网的云计算平台之上,学生只要输入中心网址和用户名,就可以通过平台进行实验。

    目前已建成的8套虚拟仿真实验教学系统,可满足本校11个专业91个实验项目的教学,近三年参加实验教学总人次已达22.7万。并辐射濮阳工学院、安阳工学院、南阳理工学院、开封大学等高校。

管理体系

    中心实行主任负责制,拥有一支由教学名师、教授、博士、高级实验师等52人组成的实验教学与管理队伍,已形成16个虚拟仿真科研教学团队。中心主任鲍鹏教授是学校虚拟现实技术研究所主任,多年从事虚拟现实教学及研发工作,完成500强企业浙江八达建设集团等单位的多项BIM项目。

    中心与济南科明、上海鲁班和深圳斯维尔等多家企业强强联合,形成了共建、共管、共赢的校企合作新模式。

应用效果

    本中心承担了众多虚拟仿真科研课题与教学任务,也产生了一定的影响力,天津大学姜忻良教授认为本中心是河南省最强土建类虚拟仿真教学基地;同济大学叶爱君、王君杰教授认为本中心软硬件条件已达到国内先进水平;河南省建筑设计院孔杰院长已与本中心签订实验培训长期合作协议;中心已经开展的仿真实验课程更是深受院内外学生喜爱,彻底改变了普通实验教学“让我做”的被动局面,开创了“我要做”、“我要问”的实验虚拟教学新局面。

中心展望

    下一步,我们将继续充分发挥学校土建类专业优势,加大实验教学信息化建设力度,继续完善土木建筑各类教学资源建设,不断改革与创新,将中心建设成为全国知名、辐射土木建筑行业的实验教学示范性中心。