基于BIM 与VR 技术的建筑结构实验教学沉浸式学习模式构建与实践

引言

随着建筑教育与工程实践的不断发展，传统的结构实验教学逐渐暴露出实验条件受限、教学直观性不足以及安全性不高等问题。以往的教学主要依赖实验室有限的试验设备和缩尺模型，学生难以全面直观地理解复杂的结构受力规律和构件工作机理。而现代信息技术的快速发展，尤其是 BIM 与 VR 的应用，为建筑教育提供了新的突破口。BIM 能够实现建筑结构的三维信息化建模与精细化表达，VR 则能构建沉浸式交互环境，让学生以第一人称的方式进入虚拟实验场景进行探索。二者结合，不仅能够弥补传统教学的不足，还能实现虚拟与现实的有机融合，从而建立全新的沉浸式实验教学模式。本文将从“虚”的建模与虚拟交互、“实”的物理实验与验证、虚实结合的教学路径、模式实施的成效及面临的挑战等方面展开探讨，力求为建筑结构教学改革提供切实可行的路径。

一、BIM 建模与VR 交互环境的构建

在沉浸式实验教学模式中，BIM 是构建虚拟实验环境的核心工具。通过如Revit 等 BIM 软件，可以创建高精度的建筑结构模型，例如一座桥梁、一个框架节点或一段桁架体系。这些模型不仅包括几何尺寸与构件形态，还涵盖材料属性、荷载参数与节点连接信息，确保模型的真实性与科学性。在完成建模后，需要将模型导出并导入 VR 开发平台如 Unity3D 或 Unreal Engine。在 VR 平台中，模型被赋予交互属性与动态响应，使得学生能够以沉浸式的方式进入结构内部进行学习。在虚拟环境中，学生不仅可以观察结构整体形态，还能够任意拆解、组装构件，了解各部分在结构体系中的作用。通过加载模拟功能，学生还可以设置外部荷载，实时观察结构变形与应力云图的变化，这种动态的反馈极大地增强了学习的直观性。与传统二维图纸与静态实验相比，VR 环境打破了时空限制，让学生以探索者的身份全面理解结构行为，从而加深对建筑力学的认知。

二、虚拟实验在教学中的应用

虚拟实验作为“虚”的部分，不仅提供了高自由度的交互体验，也能让学生在安全、低成本的环境中反复进行实验。通过 VR 设备，学生可以“走进”结构内部，清晰观察梁柱节点的应力分布，或者在桥梁模型上施加不同的车辆荷载，分析结构在各种工况下的响应情况。在这个过程中，BIM 提供了精确的模型数据，VR 提供了沉浸式的感官体验，两者结合形成高度真实的实验场景。虚拟实验不仅有助于学生直观地掌握结构的受力机理，也能激发他们的学习兴趣和探索欲望。同时，虚拟实验为教师提供了可控、可重复的教学资源，教师可以在课堂上根据教学目标灵活选择不同的实验情境，例如模拟地震荷载下结构的破坏模式，或展示施工过程中的构件安装逻辑，从而提升教学的针对性与效率。

三、真实实验的验证与补充

尽管虚拟实验具有诸多优势，但仅停留在虚拟环境中的学习仍存在一定的局限。因此，在沉浸式学习模式中，还必须加入“实”的部分，即在实验室进行真实的物理加载实验。学生在完成 VR 虚拟实验后，可以进入实验室操作真实的加载设备，对缩尺模型进行物理实验。在这一过程中，学生将 VR 中观察到的应力分布、裂缝发展与破坏模式，与实际物理实验中的现象进行对比与验证。这种虚实结合不仅有助于学生认识虚拟环境的合理性与局限性，还能培养他们的科学态度与批判性思维能力。通过真实实验，学生能够感受到材料的非线性行为、加载设备的操作过程以及实验误差的存在，从而将理论与实践更加紧密地结合起来。虚拟与现实的双重体验相辅相成，使得学生能够在安全与高效的前提下全面提升实验技能与工程素养。

四、虚实结合的教学路径与模式实施

在教学模式的设计中，“虚”与“实”的结合不仅仅是先虚拟后实体的简单叠加，而应形成系统化的教学路径。首先，在课堂教学阶段，教师通过 BIM与 VR 向学生介绍实验的基本原理与操作流程，让学生在虚拟环境中自由探索与模拟，从而建立起对结构受力过程的整体认识。通过沉浸式操作，学生能够在 VR 中逐步形成对构件间相互作用和整体结构力学性能的认知，这一阶段为后续真实实验打下坚实的理论与感性基础。其次，在实验教学阶段，学生进入实验室完成缩尺模型的物理加载实验，并将其与虚拟实验结果进行对照与分析。这不仅是检验虚拟实验合理性的重要环节，也是学生理解实验误差、材料非线性特征和施工工艺差异的关键过程。再次，在课后阶段，学生通过实验报告与小组讨论，总结虚拟与真实实验的异同，深化对知识的理解，并在讨论中学会表达观点与交流经验。教师在此过程中扮演的角色逐渐转向学习的引导者与反馈的提供者，其主要任务是帮助学生建立从虚拟到现实的认知链条，促使学生能够将理论模型与工程实践紧密结合。该模式不仅能够提升学生的学习主动性，还能通过虚拟与真实的对照培养学生的综合分析与工程判断能力。此外，该模式还能提高实验资源的利用率，虚拟实验能够减轻实验室的压力，使更多学生在有限的实验条件下获得充分的学习机会，同时还可以根据不同学习层次的学生特点，灵活调整虚拟实验与真实实验的比重，以达到分层教学和因材施教的目的。

五、结论

基于 BIM 与 VR 技术的建筑结构实验教学沉浸式学习模式，以虚拟实验与真实实验的有机结合为核心，突破了传统教学的局限。通过 BIM 建模与 VR 交互，学生能够在虚拟环境中获得沉浸式的学习体验，并通过真实实验加以验证与补充，从而实现理论与实践的深度融合。研究表明，该模式不仅提升了学生的学习兴趣与理解深度，还培养了他们的创新能力与团队协作能力。与此同时，该模式在教学效率和资源利用率方面也展现出明显优势，虚拟实验的重复性和灵活性与真实实验的真实性和严谨性相辅相成，形成了一个闭环式的学习体系。未来，随着 VR 硬件的进一步普及与 BIM 技术的不断完善，这种沉浸式学习模式将有望在更多高校推广应用。值得关注的是，若能结合人工智能与大数据技术，未来可以实现针对学生个体的个性化学习路径设计与实时学习效果评估，使教学反馈更加精准高效。此外，该模式还有潜力拓展到工程设计、施工模拟与安全教育等更多领域，为建筑教育与行业实践提供系统化支持。可以预见，随着技术发展与教育理念的转型，建筑结构实验教学将在沉浸式与智能化的方向上迎来更为广阔的发展前景。

参考文献

[1] 李黔粤 .AR/VR 技术在高中地理实验教学中的优化设计探究 [J]. 贵州教育 ，2025，（07）：34-36.

[2] 贺俊莲 .“新工科”背景下服装设计与工程专业核心课程数字化教学模式改革与实践 [C]// 河南省民办教育协会 .2025 年高等教育发展论坛思政分论坛论文集（上册）. 陕西服装工程学院 ;，2025：203-205.DOI：10.26914/c.cnkihy.2025.026336.

[3] 陈丽娟 .VR 技术赋能初中化学高危实验教学的可复制路径研究——以“金属活动性顺序”探究实验为例 [J]. 中学教学参考 ，2025，（20）：59-62+66.