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面向建筑、工程与施工(AEC)行业教育与培训的增强现实与虚拟现实(AR/VR)研究与应用:系统性综述

期刊:BuildingsDOI:10.3390/buildings12101529

根据以上提供的文本,可以判断这是一篇发表在学术期刊上的系统性综述文章。它并非报告一项单一的原创性研究,而是对现有研究文献的总结、分析和评估。因此,该文档属于类型b。下面将根据类型b的要求,为您生成一份详细的学术报告。

本文是一篇由Tan, Y.; Xu, W.; Li, S.; Chen, K. 合作撰写的系统性综述,题为《Augmented and Virtual Reality (AR/VR) for Education and Training in the AEC Industry: A Systematic Review of Research and Applications》。作者单位包括深圳大学的滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室、土木与交通工程学院、中澳BIM与智慧建造联合研究中心,以及海南大学的土木建筑工程学院。该文发表于2022年9月25日的《Buildings》期刊(2022年第12卷第1529期)。

这篇论文的核心主题是对增强现实(AR)和虚拟现实(VR)技术在建筑、工程与建造(AEC)行业的教育与培训领域的应用与研究现状进行一次全面的、系统性的回顾与分析。其目的在于梳理该领域的发展脉络、归纳主要应用类别、量化评估AR/VR技术的实际效果,并识别当前面临的挑战与未来发展趋势,从而为该领域的研究者、教育机构及企业提供有价值的参考。

文章的主要观点和内容可以归纳为以下几个部分:

第一,研究现状与发展态势。 文章通过系统的文献筛选流程,从Scopus和Web of Science两大数据库中,最终确定了1997年至2021年间发表的82篇相关研究文献作为分析对象。通过对这些文献的年份、期刊分布进行统计分析,发现自2013年起,相关研究数量显著增长,并在2020年达到峰值,这表明AR/VR技术在AEC教育领域正受到越来越广泛的关注。其中,《Automation in Construction》和《Professional Issues in Engineering Education and Practice》是发表相关研究最多的期刊。此外,作者利用VOSviewer软件对82篇文献的摘要进行了共现分析,揭示了该领域研究主题的多样性,并明确指出,应用AR/VR技术的根本目的是为了提高AEC行业教育与培训的有效性。

第二,应用领域的分类与详述。 文章采用定性分析方法,借助NVivo 11软件,将82项研究按应用领域进行了细致的分类。在教育领域的55项研究中,被进一步划分为四个子类别:1) 沉浸式AR/VR学习:通过创建虚拟的、无风险的施工环境,帮助学生理解施工流程、设备操作(如起重机、挖掘机)、安全知识以及复杂空间约束,有效弥补了学生缺乏实地经验的不足。例如,利用VR模拟桥梁施工序列、混凝土压缩实验,或通过AR将远程施工现场视频引入课堂。2) 用于结构分析的AR/VR:针对结构工程中抽象、复杂的知识点(如受力分析、连接细节、有限元分析),AR/VR技术能够将隐含的结构知识可视化,帮助学生直观地理解构件在荷载下的变形、内力传递路径等。相关系统允许学生从多角度观察三维结构模型,甚至将传感器实测数据或有限元分析结果叠加在真实物体上。3) 视觉辅助设计工具:相对于传统的二维图纸,AR/VR能够将学生沉浸于三维设计环境中,用于建筑外观设计、室内设计、城市规划等教学,使学生能更主动地评估和修改设计方案,激发设计灵感。4) 基于AR/VR的教具:将AR/VR技术作为传统教材或教具的增强手段。例如,开发AR增强课本,当学生用移动设备扫描二维图纸时,屏幕上会叠加生成交互式的三维建筑信息模型(BIM),从而帮助学生建立二维与三维的空间关联,提升空间想象能力。在培训领域的27项研究中,被分为两个子类别:1) AR/VR虚拟操作指南:主要用于模拟昂贵、危险或难以设置的设备操作培训场景,如水平定向钻井、钢结构安装、起重机路线规划等。研究表明,基于AR/VR的引导操作培训相比传统方法,能实现更好的操作性能。2) 安全培训:这是AR/VR技术在AEC培训中最受关注的领域之一。通过构建高度沉浸和交互的虚拟环境,让工人在无实际风险的情况下识别施工现场隐患(如高空坠落、物体打击)、学习安全规程和应急措施。多项研究表明,VR安全培训在提高工人的危害识别能力和管理绩效方面,比传统的讲座式培训更为有效。

第三,AR/VR应用效果的量化评估。 这是本综述的一个重要贡献。为了回答“AR/VR是否对AEC行业的教育与培训有效性产生了影响”这一核心问题,作者对82篇文献进行了进一步筛选,最终选取了17篇符合严格纳入标准(如包含实验组与对照组、提供均值与标准差等充分数据)的研究进行荟萃分析(Meta-analysis)。使用Review Manager 5.4软件进行分析后,结果显示这些研究存在高度异质性(I² = 87%)。采用随机效应模型计算得到的合并效应量(SMD)为0.39(95% CI: 0.16–0.62),整体效应值为0.44。根据科恩效应值标准(0.2为小效应,0.5为中等效应,0.8为大效应),该结果表明AR/VR技术对AEC行业的教育与培训具有积极但并非非常显著的正向影响(介于小效应与中等效应之间)。这一发现提示,虽然AR/VR技术有潜力,但其在当前实际应用中的效果提升可能有限,背后存在一些制约因素。

第四,当前应用面临的主要挑战。 基于对82项研究的总结,文章深入剖析了限制AR/VR技术在AEC教育中发挥更大效能的三个关键挑战:1) AR/R设备的用户友好性:无论是基于智能手机/平板电脑的移动AR,还是基于头戴式显示器(HMD)的沉浸式AR/VR,都存在各自的局限。移动设备屏幕尺寸有限、会产生眩光、需要手持占用双手;而HMD则存在视野受限、设备笨重导致颈部负担、电池续航短、对近视用户不友好、户外使用易受阳光干扰等问题。不佳的用户体验直接影响学习或培训的舒适度和持续性。2) AR/VR系统的可及性:开发和部署AR/VR系统涉及复杂的三维建模、格式转换、交互功能编程等,对仅有AEC或教育背景的教师而言门槛较高。同时,现有系统的人机交互(HCI)通常只能实现拾取、移动等简单操作,与真实施工现场复杂多样的操作相比仍有差距,手势或语音命令的精确性要求也给未经系统训练的用户带来了学习成本。3) AR定位的精确性:AR的核心功能是将虚拟物体准确叠加到真实世界。无论是基于标记(Marker-based)还是无标记(Markerless)的定位技术,都存在精度或实用性问题。基于标记的方法容易因视角、距离产生漂移和错位,且需要前期准备;无标记技术如GPS室内精度差,Wi-Fi、蓝牙、UWB(超宽带)等技术则对信号覆盖有要求,或需要额外设备,在复杂多变的施工现场环境中难以稳定、高精度地实现定位。

第五,研究的价值与未来展望。 文章在结论部分强调了本研究的价值。在COVID-19疫情对传统教育模式造成冲击的背景下,探索更具创造性和灵活性的教育范式显得尤为迫切。本文通过系统性综述,不仅清晰描绘了AR/VR在AEC教育领域的应用全景,更重要的是通过严谨的荟萃分析,客观地评估了其实际效果,并深刻指出了当前技术在实际落地中遇到的核心瓶颈。这为后续研究者指明了方向:未来的工作不仅需要继续探索新的应用场景,更应着力于提升设备的用户体验、降低系统开发门槛、开发更精准鲁棒的定位技术,以及设计更符合教育学和认知科学原理的交互模式。本文为学术界和工业界提供了一份关于AR/VR在AEC教育领域发展的“现状诊断书”和“未来路线图”,对于推动该领域从技术演示走向大规模、高效能的实际应用具有重要的参考意义。

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