基于個人沉浸式虛擬環(huán)境的模擬建造再評估
——以浙江寧波保國寺為例

許迪瓊，孫澄宇

（同濟大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092）

1 研究背景

隨著世界范圍內(nèi)“慕課（MOOC）”等在線教育資源在各個專業(yè)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的建筑教育也迎來了“在線”時代。如何應(yīng)用虛擬技術(shù)，構(gòu)建起在線的虛擬實驗課件，彌補那些在傳統(tǒng)建筑實驗教學(xué)中難以開展的教學(xué)過程，來提高教學(xué)成效？這是目前上述在線資源建設(shè)者們面臨的重要問題之一。“在線虛擬實驗”由國外學(xué)者于20世紀末提出[1]，并在MIT等頂尖高校初具發(fā)展[2]。它可以輕易地實現(xiàn)真實世界中，由于距離遠、操作危險、成本高昂、空間局促、或者根本不可能開展的各種實驗，是建筑教育中對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的重要補充，亦為部分傳統(tǒng)實驗走向“在線”提供了途徑。

自2015年起，同濟大學(xué)建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實驗教學(xué)中心圍繞“三橫六縱”的在線虛擬實驗建設(shè)計劃，已有多個在線虛擬實驗?zāi)K上線運行。繼2016年對《虛擬建筑認知與建造模擬實驗系列（中國古建筑I）》即保國寺模擬建造PC版展開的教學(xué)成效評估實驗后，本研究將對原有技術(shù)應(yīng)用方案存在的問題予以優(yōu)化，基于個人沉浸式虛擬環(huán)境的模擬建造進行再評估。

2 相關(guān)工作

2.1 古建筑模擬建造實驗的建設(shè)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在古建筑模擬建造中的應(yīng)用最初可追溯到1995年在英國巴斯舉行的虛擬遺產(chǎn)會議（Virtual Heritage’95）[3]清華大學(xué)周寧等選擇圓明園為對象開發(fā)了虛擬重建系統(tǒng)，為使用者提供了自由漫游、受限漫游、導(dǎo)游漫游三種漫游方式[4]；東南大學(xué)杜嶸強調(diào)虛擬遺產(chǎn)的概念，他開發(fā)了南京明城墻視覺化信息系統(tǒng)，讓使用者不到南京亦可領(lǐng)略經(jīng)歷600多年風(fēng)霜的城墻原貌[3]，這類建設(shè)更多地關(guān)注對建筑復(fù)原結(jié)構(gòu)的保存和展示方式的探索。

為在教學(xué)過程中增強初學(xué)者對古建筑建造過程學(xué)習(xí)的互動性，嚴鈞以斗栱作為教學(xué)對象，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)編制多媒體課件《中國古代木構(gòu)建筑特征與演變：大木作——斗拱》供教師上課的演示和講解外、還創(chuàng)建了“虛擬實驗”，讓學(xué)生進行互動搭建，彌補了傳統(tǒng)教學(xué)方法中僅依靠二維圖像就要讓學(xué)生掌握晦澀的構(gòu)件名稱和層疊的結(jié)構(gòu)關(guān)系的不足[5]，使教學(xué)效果得到很大提高。

2.2 第一輪成效評估

由同濟大學(xué)湯眾老師設(shè)計，并用于李楨教授《中國營造法》課程中的保國寺模擬建造PC版課件包括：構(gòu)件認知、建造過程認知兩大功能，并且預(yù)留了構(gòu)件監(jiān)測觀察接口以進一步深入開發(fā)完善。該虛擬仿真課件是為讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)快速掌握中國古建筑的特點，學(xué)習(xí)中國古代木構(gòu)建筑各個主要構(gòu)件的名稱、位置和形象，了解其建造過程。

國外學(xué)者早有研究表明，教學(xué)中的互動環(huán)節(jié)可以提高學(xué)習(xí)成效，為驗證擅長互動的虛擬技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)有積極作用，實驗抽取150名建筑類專業(yè)本科生進行分組實驗，通過五種的不同的教學(xué)經(jīng)歷讓其進行對保國寺構(gòu)件名稱和建造過程兩部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，最終以考核及問卷調(diào)查的方式對比不同方法的學(xué)習(xí)成效。

根據(jù)以上實驗結(jié)果表明基于現(xiàn)有技術(shù)“有限”應(yīng)用方案建成的在線虛擬實驗，相較于傳統(tǒng)教學(xué)方式及其各種衍生形式，在建筑類專業(yè)的對象認知類學(xué)習(xí)中能夠明顯提高教學(xué)成效，而在過程認知類學(xué)習(xí)中，暫時沒有看到明顯的效果[6]。

3 優(yōu)化策略

在對已建成保國寺模擬建造PC版課件進行的教學(xué)成效評估中，作為“有限”應(yīng)用策略中“實驗內(nèi)容設(shè)計優(yōu)化——教學(xué)成效評估反饋”迭代式建設(shè)的第一輪評估，這里發(fā)現(xiàn)既有技術(shù)應(yīng)用方案存在的問題——該課件對虛擬建造過程的互動認知學(xué)習(xí)存在“時序控制類型”上的設(shè)計缺陷。由于目前課件的時序控制采取了“定序延緩”的形式（見表1），即學(xué)生雖然可以通過互動操作變換畫面的視角（從不同方向觀看建造過程），但就建造序列的互動參與程度而言，學(xué)生只能夠在觸發(fā)“下一步”與“上一步”之間做出選擇（構(gòu)件間的匹配關(guān)系與裝配先后為固有設(shè)定），并沒有充分發(fā)揮虛擬技術(shù)中互動技術(shù)的潛力——如讓學(xué)生三維操作一個自選構(gòu)件至另一個構(gòu)件以完成虛擬裝配，即通過互動操作加深學(xué)生對構(gòu)件間的匹配關(guān)系與裝配先后的認知。所以，第一輪評估結(jié)果會顯示出該模塊對“過程認知類知識”的學(xué)習(xí)成效平平。

表1 "基因圖譜"中的虛擬技術(shù)應(yīng)用方案

在后續(xù)建設(shè)中，我們根據(jù)虛擬技術(shù)的“基因圖譜”嘗試了更高級別的時序互動控制技術(shù)（見表1），開發(fā)出基于HTCvive虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的保國寺模擬建造PC版。該環(huán)境下將保國寺模擬建造PC版課件中保國寺的四百多個構(gòu)件進行適當(dāng)組合，分為基座、柱網(wǎng)層、額串枋及內(nèi)柱鋪作、斗栱、轉(zhuǎn)角及柱頭鋪作、補間鋪作、屋頂草架共7個場景，保證學(xué)生可在短時間內(nèi)邏輯清晰地記憶保國寺的建造過程（見圖1）。其中第四個場景為以中國古建結(jié)構(gòu)體系中最難描述的核心知識：斗栱進行的單獨裝配過程余為自下而上的整體裝配。

在操作過程中還可調(diào)整人體比例尺度、控制環(huán)境有無、改變行動方式：步行/瞬移/飛行，選擇操作方式：握模式/代理模式。其中握模式為手柄獲取構(gòu)件后跟隨手腕轉(zhuǎn)動的操作方式；代理模式為可通過X、Y、Z軸遠程旋轉(zhuǎn)或移動構(gòu)件的操作模式。多種控制方式的設(shè)定為后續(xù)實驗提供了多選項性，有利于對保國寺模擬建造VR版進行縱向評估分析（見圖2-圖4）。

圖1 保國寺模擬建造VR版7個場景

圖2 代理模式下的構(gòu)件裝配

圖3 1∶1比例下的空間畫面

圖4 斗栱裝配

4 教學(xué)成效再評估

為推動虛擬技術(shù)“有限”應(yīng)用策略下的內(nèi)容進化，并檢驗其效果，本次再評估實驗將通過橫向比較分析法和縱向比較分析法，針對基于個人沉浸式虛擬環(huán)境的模擬建造實驗對于古建筑構(gòu)件認知類知識和建造過程認知類知識的教學(xué)成效進行定量分析。

4.1 學(xué)生群體的基本特征

參與本虛擬模擬建造實驗的150位建筑類專業(yè)的本科低年級學(xué)生，他們均接受過中國傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的基礎(chǔ)知識教學(xué)，但對寧波保國寺建筑并無了解。其中，30人需參與保國寺模擬建造VR版的全過程搭建，剩余120人參與2-3個場景的建造任務(wù)。實驗練習(xí)過程均在同濟大學(xué)建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實驗教學(xué)中心的兩套HTC設(shè)備上完成，由于周期較長，目前實驗仍在開展過程中，因此后文中所用部分數(shù)據(jù)為不完全統(tǒng)計。

4.2 橫向比較分析

在第一輪針對PC平臺上的虛擬認知與建造教學(xué)效果評估中發(fā)現(xiàn)，該平臺對建筑對象認知類學(xué)習(xí)能夠起到明顯的積極作用，而對過程認知類學(xué)習(xí)則效果不明顯。本輪再評估實驗將針對改進后的保國寺模擬建造VR版與第一輪的成效評估進行橫向比較。

第一論評估實驗是讓五組同學(xué)在1 h內(nèi)通過五種不同的教學(xué)方式進行保國寺的構(gòu)件認知和建造過程的學(xué)習(xí)（共150人，每組30人），包括通過課堂教師傳授，教師利用傳統(tǒng)的平、立、剖二維圖紙向同學(xué)解釋保國寺的構(gòu)件名稱和建造過程（第一組）；通過紙質(zhì)的書本材料自學(xué)保國寺的兩部分內(nèi)容，沒有老師指導(dǎo)（第二組）；利用課后時間在沒有紙質(zhì)材料和老師講解的情況下用在線虛擬實驗軟件自學(xué)（第三組）；在課堂接受教師使用在線虛擬實驗軟件進行展示傳授，但課后無自學(xué)時間；第五組采用混合式的實驗方式（第四組）：老師簡單詮釋關(guān)于保國寺的規(guī)律性知識15 min，剩余45 min都由學(xué)生操作在線虛擬實驗軟件自學(xué)完成（第五組）。在經(jīng)歷與第一輪評估實驗中五組同學(xué)相同學(xué)習(xí)時間的前提下，增添30名第六組同學(xué)利用課后時間在沒有紙質(zhì)材料和老師講解的情況下用HTC模擬建造實驗平臺進行自學(xué)（見圖5）。在學(xué)習(xí)后同樣花10 min時間來完成一份與之前五組相同的紙質(zhì)考卷學(xué)習(xí)后的考核，考卷內(nèi)容分對象認知類知識考核（記憶建筑構(gòu)件的形式與名稱22題）與過程認知類知識考核（記憶建筑建造的過程8題）兩部分，共30題（見圖6）。

根據(jù)6種經(jīng)歷不同教學(xué)過程的小組實驗的數(shù)據(jù)橫向比較分析發(fā)現(xiàn)（見圖7），在基于HTC模擬建造實驗平臺下進行學(xué)習(xí)的第六小組學(xué)習(xí)成效不論對于對象認知類知識還是過程認知類知識的平均正確率都明顯高于其他組，彌補了原有教學(xué)技術(shù)應(yīng)用方案中對建造過程類認知的欠缺。由此說明了對原有技術(shù)應(yīng)用方案所提出的質(zhì)疑和實驗內(nèi)容設(shè)計優(yōu)化是非常有必要的，現(xiàn)有的技術(shù)“有限”應(yīng)用方案v2.0,相較傳統(tǒng)教學(xué)方式及其各種衍生形式以及技術(shù)“有限”應(yīng)用方案v1.0，在建筑類專業(yè)的對象認知類學(xué)習(xí)和建造過程認知類學(xué)習(xí)中都能夠明顯提高教學(xué)成效。

圖5 HTC保國寺虛擬建造

圖6 紙質(zhì)考核

圖7 6組過程認知類答題平均正確率比對

4.3 縱向比較分析

在明確現(xiàn)有的技術(shù)應(yīng)用方案相較原有技術(shù)應(yīng)用方案有更為積極的教學(xué)成效后，為探索同一教學(xué)技術(shù)應(yīng)用方案之下，不同的操作控制方式所能帶來的不同教學(xué)效果，本實驗又針對保國寺模擬建造VR版中現(xiàn)有的各控制方式選擇對教學(xué)成效的影響進行縱向?qū)Ρ确治?，為后續(xù)教案的設(shè)計者在內(nèi)容建設(shè)方面提供參考。

實驗過程及時間分配為5 min熟悉環(huán)境,20 min練習(xí)以及15 min考核 （共40 min），練習(xí)和考核都在HTC環(huán)境下完成，內(nèi)容均為保國寺的構(gòu)件裝配。由于設(shè)備數(shù)量有限，搭建全過程的時間過長，先將搭建內(nèi)容均分為搭建數(shù)量平均的三部分，第一部分為基座、柱網(wǎng)層、額串枋及內(nèi)柱鋪作3個場景；第二部分為斗栱、轉(zhuǎn)角及柱頭鋪作2個場景；第三部分補間鋪作、屋頂草架2個場景，確保每位同學(xué)在規(guī)定時間內(nèi)完成其中一個部分內(nèi)容的搭建練習(xí)和考核，（總共120人，每部分40人）。在三部分搭建內(nèi)容下，又將各拆分成A、B、C、D四組（每組10人），使其操作環(huán)境的控制方式各不相同。組A的控制項為比例選擇1∶1，有環(huán)境；組B的控制項為比例選擇1∶1，無環(huán)境；組C的控制項為比例任意，有環(huán)境；組D的控制項為比例任意，無環(huán)境。另外移動方式（步行/瞬移/飛行）以及操作方式（握模式/代理模式）在操作過程中都可任意選擇。

最終從操作速度、完成率和平均正確率三方面評判各控制項選擇對教學(xué)成效的相關(guān)性影響（見表2）。代理模式、比例過大或過小對速度、完成率和正確率均呈現(xiàn)明顯負相關(guān)，移動方式中的飛行模式以及環(huán)境的有無對速度和平均正確率稍有負面影響，而比例1：10對于建造過程正確率的提高顯示出明顯的積極效果。從學(xué)生練習(xí)和考核的過程操作中歸納出產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)結(jié)果的原因：

第一，在比例調(diào)節(jié)上，只能使用1∶1真實比例或1∶5比例的同學(xué)，構(gòu)件體量過大，導(dǎo)致在搭建過程中因調(diào)節(jié)構(gòu)件位置而耗費的時間過長；在任意比例下選擇1∶20比例的同學(xué)擺放雖然相對方便快速，但由于構(gòu)件過于小而無法辨認，導(dǎo)致效果不佳；只有比例1∶10的同學(xué)，建筑尺度相較人體尺度稍小，既便于擺放，又可處于俯視，對建筑全貌的記憶有明顯優(yōu)勢。

第二，在操作模式的選擇上，構(gòu)件尺度較大或構(gòu)件位置較高的同學(xué)會更傾向于使用代理模式，而非握模式。但代理模式通過控制旋轉(zhuǎn)軸和移動軸的方式又往往沒有通過直接轉(zhuǎn)動手腕來控制構(gòu)件方向的握模式來的便捷快速，因而導(dǎo)致學(xué)生操作速度和完成率的下降，進而使其在規(guī)定時間內(nèi)難以完成任務(wù)，正確率就隨之降低。

第三，在移動方式上，構(gòu)件尺度較大或搭建高空構(gòu)件的部分同學(xué)同樣傾向于使用飛行模式來提高自己的站位。但飛行時間過長容易使人產(chǎn)生暈眩，從而導(dǎo)致身體上的不舒適和情緒上的不愉悅。適當(dāng)?shù)娘w行則并不會給結(jié)果帶來明顯的消極影響。

第四，在環(huán)境的有無上。由于構(gòu)件絕大多數(shù)是根據(jù)方位來命名，有建筑周邊環(huán)境的參考會相對使學(xué)生更好的判斷方位。

由上數(shù)據(jù)可總結(jié)出，在同一技術(shù)應(yīng)用方案之下，操作控制方式的不同會對教學(xué)成效產(chǎn)生不同的影響。設(shè)計者應(yīng)更多的關(guān)注內(nèi)容建設(shè)，不斷進行“實驗內(nèi)容設(shè)計優(yōu)化——教學(xué)成效評估反饋”的迭代，從而才能使與教學(xué)需求相匹配的技術(shù)應(yīng)用方案發(fā)揮出更大的功效。

表2 各控制項對速度、完成率、平均正確率的相關(guān)性分析

5 結(jié)論

隨著“在線”時代的來臨，同濟大學(xué)建筑類專業(yè)的在線虛擬實驗課件建設(shè)正在緊鑼密鼓地開展。建設(shè)團隊針對高校教育的實際需要，提出了在虛擬技術(shù)應(yīng)用上的“有限”策略，旨在立足大規(guī)模教學(xué)的實際情況，將有限的資源投入到“內(nèi)容建設(shè)”中。同時，為了檢驗建設(shè)的效果，推動“實驗內(nèi)容設(shè)計優(yōu)化——教學(xué)成效評估反饋”的迭代，針對原有教學(xué)技術(shù)應(yīng)用方案對建造過程類知識的教學(xué)成效無積極影響，在優(yōu)化后進行了教學(xué)成效再評估。

評估的結(jié)果為以下：

第一，基于HTC虛擬設(shè)備的模擬建造環(huán)境相較于傳統(tǒng)教學(xué)方式及其各種衍生形式和基于PC平臺的模擬建造環(huán)境，在建筑類專業(yè)的對象認知類學(xué)習(xí)和過程認知類學(xué)習(xí)中均能夠明顯提高教學(xué)成效；

第二，設(shè)計者在內(nèi)容建設(shè)方面，應(yīng)根據(jù)不同的課程應(yīng)用需求和特質(zhì)，來選擇與之對應(yīng)的教學(xué)應(yīng)用技術(shù)方案。

第三，同一教學(xué)技術(shù)應(yīng)用方案之下，不同的操作控制方式也會帶來不同的教學(xué)效果，需設(shè)計者不斷推敲優(yōu)化。