建筑學(xué)虛擬實驗室的設(shè)計范文
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1建筑學(xué)實驗室發(fā)展現(xiàn)狀
高校特色建筑實驗室的設(shè)立具有一定的地域性，或者具有一定學(xué)科優(yōu)勢，進(jìn)而在高校建立特色建筑實驗室。但近幾年隨著我國高校擴(kuò)招的不斷進(jìn)行，各大高校學(xué)生數(shù)量不斷增加，建筑學(xué)專業(yè)逐漸成為熱門專業(yè)，每年建筑類專業(yè)招生志愿填報呈現(xiàn)爆滿狀況，但高校建筑學(xué)科相應(yīng)實驗室的建設(shè)并未與建筑學(xué)專業(yè)招生情況同步的發(fā)展。例如我國高校在2000年的擴(kuò)招人數(shù)為220萬，到2013年擴(kuò)招人數(shù)發(fā)展為657萬，而我國高校實驗室的建設(shè)仍保留原來狀態(tài)，即使改造速度也相對緩慢。建筑學(xué)科實驗室還存在性質(zhì)單一、設(shè)備老化、教學(xué)器材損耗、設(shè)備不全、場地有限、管理不善等問題。我國綜合發(fā)展水平較低，學(xué)院規(guī)模發(fā)展較小的高校，其建筑學(xué)科實驗室不能滿足學(xué)生的實驗教學(xué)需求，而且建筑學(xué)科實驗項目類型較少，或者只有單一性質(zhì)的實驗室，完全不適應(yīng)建筑學(xué)科的特點，設(shè)備老化，學(xué)生的正常建筑設(shè)計實踐教學(xué)難以進(jìn)行。為了更好地改善高校建筑學(xué)科實驗室建設(shè)，國內(nèi)外綜合型較強(qiáng)或者建筑學(xué)科優(yōu)勢較強(qiáng)的學(xué)校，開始結(jié)合數(shù)字化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等多方面的知識，研究虛擬實驗室，通過計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)，讓學(xué)生進(jìn)行建筑設(shè)計實踐。
2建筑學(xué)虛擬實驗室的特點
通過建立虛擬實驗室，針對建筑學(xué)專業(yè)實踐教學(xué)實驗室短缺的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行改善，其中虛擬實驗室和傳統(tǒng)的建筑學(xué)實驗室相比具有以下特征:
2.1成本低建筑學(xué)虛擬實驗室的建立和傳統(tǒng)的實驗室建設(shè)相比，在成本上有非常大的優(yōu)勢，虛擬實驗室的建立需要購置的設(shè)備器材和傳統(tǒng)實驗室建設(shè)購置的器材設(shè)備數(shù)量相比，非常的少，這將建筑學(xué)的實驗教學(xué)成本大大的降低。傳統(tǒng)的建筑學(xué)實驗室在實踐教學(xué)過程當(dāng)中會出現(xiàn)器材耗損、損壞等情況，這將使實驗教學(xué)的成本增加。而虛擬實驗室的建立不僅不需要購置過多的實驗器材和設(shè)備，還可以將建筑實踐教學(xué)中出現(xiàn)的設(shè)備損耗現(xiàn)象進(jìn)行消除，在降低實驗教學(xué)成本的過程中還可以保證學(xué)生的安全。
2.2實驗教學(xué)不受時間和空間的限制傳統(tǒng)的建筑學(xué)實驗室在實踐的教學(xué)過程中，會受到空間和時間上的限制，例如某高校建筑學(xué)科的學(xué)生非常多，而配套的建筑實驗室相對少，此時學(xué)生的建筑實踐教學(xué)就會分開進(jìn)行，或者是分組進(jìn)行，這周第一組的學(xué)生上實驗教學(xué)課，下周第二組的學(xué)生上實驗教學(xué)課，交叉輪流上課的教學(xué)方法并不利于學(xué)生的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，輪不上實驗教學(xué)課的學(xué)生心里著急，正在上實驗課的學(xué)生時間比較趕而無法探索創(chuàng)新，真正體驗到實際操作的樂趣。而虛擬實驗室的建設(shè)并無空間和時間上的限制，學(xué)生、教師、研究人員可以在任何時間、任何地點進(jìn)行實驗，充分發(fā)揮虛擬實驗儀器的優(yōu)勢，其儀器連網(wǎng)之后，就可以自行的設(shè)計建筑或者進(jìn)行其他相關(guān)設(shè)備的安裝和添置，讓學(xué)生能更加立體地感受到建筑學(xué)的魅力所在。
2.3不受客觀條件影響虛擬實驗室建立能克服傳統(tǒng)實驗室受到的各種客觀條件影響，例如設(shè)備損壞，無法進(jìn)行實驗，操作程序比較復(fù)雜，難以真正讓學(xué)生獨立操作。虛擬實驗室受到客觀條件的影響的幾率極小，可以在相同的條件下完成各項建筑設(shè)計試驗，克服設(shè)備接觸不良，場地受限，空間不足、機(jī)器損耗等相關(guān)不良現(xiàn)場的發(fā)生。
2.4具有開放性虛擬實驗室網(wǎng)絡(luò)實在計算機(jī)配套的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，因此具有開放性。計算機(jī)和其他部件之間的連接適應(yīng)性好，具有便捷等性能。建筑學(xué)專業(yè)虛擬實驗室的建立通過計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)將當(dāng)代教學(xué)環(huán)境改善，同時實現(xiàn)教學(xué)資源的共享，提升實驗教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生可以充分的利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)而將實驗室建設(shè)的成本降低，實現(xiàn)實驗教學(xué)資源的優(yōu)化配置。虛擬實驗室的優(yōu)點不言而喻，并在未來的實驗教學(xué)中，虛擬實驗室將和傳統(tǒng)實驗室對接，實現(xiàn)聯(lián)合教學(xué)，將我國高校教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平提升，為學(xué)生提供更加便利的學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)資源，實現(xiàn)學(xué)生隨時隨進(jìn)行實驗操作，方便探索與創(chuàng)新研究。未來虛擬實驗室的建設(shè)將向著立體3D的方向發(fā)展，為學(xué)生提供一個虛擬的真實環(huán)境，讓學(xué)生在實驗教學(xué)中產(chǎn)生一種真實感受，更加真切的體會建筑設(shè)計的魅力所在。
3建筑學(xué)虛擬實驗室的重要性和作用
虛擬實驗室是結(jié)合仿真技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)等諸多因素為一體，并能為學(xué)生營造一個可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗，完成操作中各個環(huán)節(jié)的模擬操作環(huán)境，而這種虛擬的操作環(huán)境就是我們的虛擬操作實驗室。通過互聯(lián)網(wǎng)能為學(xué)生營造一個三維環(huán)境，讓學(xué)生通過計算機(jī)的立體3D效果進(jìn)行虛擬實驗。建筑學(xué)是技術(shù)和藝術(shù)的結(jié)合體，是一個重要的學(xué)科，和我們的生活息息相關(guān)。我國建筑業(yè)的發(fā)展非常迅猛，急需各種建筑設(shè)計人才，而“出口帶動進(jìn)口”，近年的建筑專業(yè)報考人數(shù)逐漸上升，使得高校的建筑學(xué)科也得到了快速的發(fā)展。建筑學(xué)科具有非常強(qiáng)的動手實踐性，該學(xué)科主要是為國家培養(yǎng)更多的建筑學(xué)人才，讓學(xué)生掌握建筑學(xué)的基本理論，了解建筑學(xué)科的特色，并投身到建筑學(xué)設(shè)計行業(yè)，參與國家各大項目建設(shè)中區(qū)。建筑學(xué)具有非常強(qiáng)的邏輯思維和形象思維，需要結(jié)合制圖、測量、結(jié)構(gòu)設(shè)計等課程逐步推進(jìn)。而傳統(tǒng)的建筑學(xué)教學(xué)，仍停留在校園里尋找更多的空間完善實驗室的建設(shè)，配備實驗人員為學(xué)生的實驗操作服務(wù)，而當(dāng)前我國高校中建筑學(xué)科實驗室完善受到資金、人員、場地等諸多因素的限制，無法滿足建筑學(xué)科實踐教學(xué)的需要，為此需要從不同的角度進(jìn)行分析，為學(xué)生尋找一個利于操作，結(jié)合現(xiàn)代科技，利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，降低實驗成本，讓高校跨越空間、人力、資金等各種障礙的雙贏方法，虛擬實驗室就此應(yīng)運而生。建筑學(xué)虛擬實驗室，可以為建筑學(xué)科的學(xué)生提供更多實踐的機(jī)會，幫助學(xué)生提升建筑實踐能力，同時，建筑學(xué)虛擬實驗室的設(shè)計也是提高建筑教學(xué)質(zhì)量的一種手段。
虛擬實驗室的設(shè)計能為學(xué)生提供一個仿真的實驗環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬實驗環(huán)境中使用計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)完成各項設(shè)計的課程任務(wù)，建筑設(shè)計模型庫、元件庫進(jìn)行任意的組合搭配，設(shè)計出自己構(gòu)想的建筑結(jié)構(gòu)。通過計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的虛擬建設(shè)設(shè)計，整個過程均采取的是實時仿真，實驗元件、儀器全是仿真的，以此進(jìn)行建筑設(shè)計。虛擬實驗室通過使用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，將傳統(tǒng)教學(xué)中的不足進(jìn)行彌補(bǔ)和完善，將實踐與理論相結(jié)合，使實驗教學(xué)的實踐效益提升，為學(xué)生營造一個可靠的實驗環(huán)境。虛擬實驗室，通過虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺為學(xué)生設(shè)計試驗內(nèi)容，讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境中完成建筑設(shè)計，呈現(xiàn)一個真實而唯美的3D建筑世界，將傳統(tǒng)實驗室無法解決的問題進(jìn)行解決，減低實驗教學(xué)成本，提高實驗教學(xué)效率。建筑學(xué)虛擬實驗室的整體框架設(shè)計為建筑學(xué)科的發(fā)展提供一個平臺，學(xué)生和教師通過這個平臺進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，幫助學(xué)生掌握建筑學(xué)專業(yè)屬性和相關(guān)知識，并提升學(xué)生的實踐能力，促進(jìn)建筑學(xué)科的發(fā)展。虛擬實驗室能促進(jìn)建筑學(xué)科的發(fā)展主要體現(xiàn)在建筑學(xué)科知識的創(chuàng)新，建筑學(xué)研究擴(kuò)展等，虛擬實驗室的設(shè)計需要學(xué)科技術(shù)，這就要求科研人員不僅具有科學(xué)技術(shù)，還需要不斷的強(qiáng)化服務(wù)，開展科學(xué)研究項目，將產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合在一起，為學(xué)生服務(wù)。
4基于傳統(tǒng)建筑學(xué)虛擬實驗室的整體框架設(shè)計的策略
4.1設(shè)立完善的虛擬實驗室系統(tǒng)虛擬實驗室的設(shè)立為建筑學(xué)專業(yè)的學(xué)生提供一個資源共享的平臺，學(xué)生可以通過虛擬實驗室系統(tǒng)平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)。虛擬實驗室的建立為建筑學(xué)的實踐教學(xué)提供了方便，為學(xué)生、老師、實驗人員提供了一個交流的平臺，實現(xiàn)建筑設(shè)計技術(shù)交流、建筑研究等，建筑學(xué)虛擬實驗室的建設(shè)包含環(huán)節(jié)較多，例如，框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計、軟件系統(tǒng)的設(shè)計、硬件的購置等，本文針對建筑學(xué)科虛擬實驗室的整體框架設(shè)計為中心進(jìn)行研究設(shè)計。建筑學(xué)虛擬實驗室的整體框架設(shè)計，需要將傳統(tǒng)實驗室中的不足進(jìn)行彌補(bǔ)，同時需要學(xué)生、教師、研究人員等掌握相關(guān)的實驗技能和計算機(jī)操作技能。虛擬實驗室的設(shè)計可以空間、時間、客觀條件等方面的限制進(jìn)行擺脫，更加方便學(xué)生學(xué)習(xí)，進(jìn)行技術(shù)和設(shè)計上的交流，將教學(xué)資源節(jié)約。當(dāng)然建筑學(xué)虛擬實驗室的整體框架設(shè)計需要和傳統(tǒng)實驗室結(jié)合，為信息技術(shù)的使用提供實踐環(huán)境。隨著計算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，一些建筑設(shè)計程序、結(jié)構(gòu)等均可以在虛擬實驗室中，通過計算機(jī)以及相關(guān)的軟件完成］。建筑學(xué)學(xué)科虛擬實驗室的整體框架設(shè)計為學(xué)生提供了一個計算機(jī)信息技術(shù)實踐環(huán)境，將到建筑工地上了解建筑工程的環(huán)節(jié)省掉，通過軟件就可以對各項工程進(jìn)行認(rèn)識和了解。建筑學(xué)科虛擬實驗室的設(shè)計的整體模型如圖1:
4.2根據(jù)學(xué)生的個性及層次定制及優(yōu)化實驗課程建筑學(xué)學(xué)科虛擬實驗室的整體框架設(shè)計分為四個部分:實驗管理、實驗中心、師生互動、控制平臺，每個部分報包含不同的內(nèi)容，具體建筑學(xué)虛擬實驗室的整體框架設(shè)計如下圖2。建筑學(xué)虛擬實驗室的整體框架設(shè)計中涉及到的建筑學(xué)科實驗內(nèi)容的設(shè)計分為:建筑模型制作案例庫、建筑材料典型樣板圖片庫、建筑工程典型效果圖三維動畫庫、建筑工程結(jié)構(gòu)案例庫，通過以上這幾種建筑學(xué)虛擬實驗內(nèi)容、建筑美學(xué)等，幫助學(xué)生進(jìn)行建筑學(xué)的學(xué)習(xí)。從以上建筑學(xué)實驗內(nèi)容的設(shè)計中可以知道，其中為學(xué)生的建筑設(shè)計提供了實際案例庫、典型建筑工程動畫庫、建筑結(jié)構(gòu)實際案例等，通過讓學(xué)生對實際案例進(jìn)行學(xué)習(xí)和了解，建立建筑結(jié)構(gòu)模型，在建筑結(jié)構(gòu)動畫中從不同的角度進(jìn)行建筑模型的了解。例如通過計算機(jī)系統(tǒng)和鼠標(biāo)進(jìn)行顯示的構(gòu)件選擇，幫助學(xué)生了解建筑結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件組成，通過動態(tài)模型，了解建筑的樓層結(jié)構(gòu)等，在操作的過程中也對學(xué)生的軟件操作技能進(jìn)行了訓(xùn)練。建筑學(xué)科實驗內(nèi)容分為不同的等級，不同的難度，實驗內(nèi)容的設(shè)計是根據(jù)學(xué)生的個性和掌握的知識程度進(jìn)行設(shè)計的，學(xué)生可以根據(jù)自己的能力和技能水平進(jìn)行選擇性的建筑學(xué)科實驗內(nèi)容，完成實驗內(nèi)容設(shè)計之后，可以提交實驗報告，可以進(jìn)行再次的實驗探索，對前一次實驗設(shè)計中存在的不足進(jìn)行完善和改進(jìn)。虛擬實驗室是一個開放性的學(xué)習(xí)平臺，學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，多次的進(jìn)行同一個實驗內(nèi)容的設(shè)計，直到自己完全掌握這個建筑設(shè)計為止。虛擬實驗室將傳統(tǒng)實驗室教學(xué)的統(tǒng)一實驗內(nèi)容，統(tǒng)一實驗時間等不足之處進(jìn)行彌補(bǔ)，還將實驗內(nèi)容，實驗課程等進(jìn)行優(yōu)化，幫助學(xué)生根據(jù)自身知識的掌握水平進(jìn)行選擇性的階段實驗。在建筑學(xué)虛擬實驗室的整體框架設(shè)計的過程中，以學(xué)生全面的掌握建筑整體結(jié)構(gòu)知識為目的，進(jìn)行虛擬實驗室整體框架的設(shè)計，對實驗內(nèi)容的設(shè)計結(jié)合一些實際案例，讓學(xué)生了解建筑工程的設(shè)計、結(jié)構(gòu)、組成等在其中的作用和重要性，增強(qiáng)學(xué)生在建筑設(shè)計中的責(zé)任心。讓學(xué)生通過我國建筑工程中的一些典型案例，對建筑工程的設(shè)計模型、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行認(rèn)識，通過虛擬實驗室中的操作系統(tǒng)選擇建筑結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生了解建筑構(gòu)件的組成，然后進(jìn)行建筑學(xué)科實驗內(nèi)容的設(shè)計。建筑學(xué)科具有非常強(qiáng)的實踐性，學(xué)生可以通過對實際案例的學(xué)習(xí)和認(rèn)識，了解建筑結(jié)構(gòu)以及其構(gòu)成，然后利用虛擬實驗室進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計，虛擬實驗室的設(shè)計為學(xué)生提供建筑工程實踐設(shè)計的平臺，提升學(xué)生的建筑設(shè)計實踐能力。
4.3建立科學(xué)的管理方式雖然當(dāng)前我國高校的實驗室的建設(shè)并未根據(jù)學(xué)生的數(shù)量的增長同步進(jìn)行，但我國各大高校從不同的角度對其建筑學(xué)科的實驗教學(xué)進(jìn)行研究，希望盡快將建筑學(xué)學(xué)實驗教學(xué)的完善。隨著互聯(lián)網(wǎng)、計算機(jī)、數(shù)字化等技術(shù)的發(fā)展，人們通過網(wǎng)絡(luò)就可以直觀的感受建筑，因此我國各大高校開始進(jìn)行建筑學(xué)學(xué)科的虛擬化實驗的教學(xué)設(shè)計，進(jìn)而逐步建立了建筑學(xué)虛擬實驗室，學(xué)生通過虛擬實驗室可以隨時隨地的進(jìn)行建筑學(xué)實驗學(xué)習(xí)，也將傳統(tǒng)實驗室教學(xué)中的不足進(jìn)行了彌補(bǔ)。而建筑學(xué)學(xué)科虛擬實驗室的整體框架設(shè)計，只是將建筑的虛擬化呈現(xiàn)出來，通過三維技術(shù)對建筑的三維空間處理和數(shù)據(jù)的采集，幫助學(xué)生進(jìn)行建筑學(xué)科知識的學(xué)習(xí)。虛擬實驗室為學(xué)生提供一個開放性的學(xué)習(xí)平臺，采用科學(xué)的管理方式促進(jìn)虛擬實驗室的管理，學(xué)生進(jìn)入到虛擬實驗室系統(tǒng)中，需要將自己的姓名和學(xué)號輸入登陸平臺，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)論壇，分享教學(xué)資源，這便學(xué)生和教師、研究人員進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，拉近師生之間的關(guān)系，促進(jìn)學(xué)術(shù)研究的進(jìn)一步探索，同時對學(xué)生的實驗成果進(jìn)行權(quán)益保護(hù)。在虛擬實驗室系統(tǒng)中設(shè)置有成績管理、權(quán)限管理、系統(tǒng)流程管理等，這些管理環(huán)節(jié)的設(shè)立不僅提升教學(xué)師兄啊，同時將傳統(tǒng)實驗室管理中的不足進(jìn)行改善和彌補(bǔ)，傳統(tǒng)實驗室設(shè)計中學(xué)生參與的設(shè)計內(nèi)容和時間相同，為了盡快完成實驗作業(yè)，學(xué)生可以投機(jī)取巧模仿其他同學(xué)的設(shè)計，這樣不僅是對自己的建筑設(shè)計不負(fù)責(zé)，還是對其他同學(xué)的建筑設(shè)計抄襲和不尊重。虛擬實驗室的設(shè)立結(jié)合了先進(jìn)的學(xué)科技術(shù)和管理方法，不僅對學(xué)生的建筑設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行保護(hù)，好促進(jìn)學(xué)生獨立的完成建筑設(shè)計，鍛煉自己的建筑設(shè)計思維和能力。虛擬實驗室和傳統(tǒng)實驗室進(jìn)行結(jié)合教學(xué)，不僅可以實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，提高實驗教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平，同時鍛煉學(xué)生的動手能力和思維能力、技能操作能力等，促進(jìn)建筑學(xué)科整體提升和全面發(fā)展。
5小結(jié)
建筑學(xué)是一門實踐操作性較強(qiáng)的專業(yè)，是結(jié)構(gòu)、測量、設(shè)計、制圖等結(jié)合為一體的學(xué)科，是結(jié)構(gòu)與藝術(shù)結(jié)合的展覽品，具有較強(qiáng)的邏輯思維和形象思維，需要學(xué)生在實驗過程中掌握相關(guān)知識，了解結(jié)構(gòu)框架，熟悉操作流程。但因?qū)嶒炇以O(shè)備的不足，影響建筑學(xué)科的實踐教學(xué)，于是需要建立虛擬實驗室，為學(xué)生提供一個仿真的操作環(huán)境，進(jìn)而提升學(xué)生的實踐能力。2013年，惠州學(xué)院建筑學(xué)實驗教學(xué)中心獲得省級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)項目立項。創(chuàng)建虛擬實驗室的理念將為實驗示范中心的建設(shè)提供有益的借鑒。
作者：陳智慧單位：惠州學(xué)院建筑與土木工程系
