基于虛擬現(xiàn)實技術的《房屋建筑學》課程教學改革探究

張欣宇 王毅 貴州師范大學教育科學學院

一、引言

《房屋建筑學》課程是高等學校土木建筑類相關專業(yè)開設的一門基礎必修課程，是各個工程技術類專業(yè)，如土木工程，安全工程等專業(yè)的主干課程，對于此類專業(yè)的學習具有重要意義與作用。由于該門課程的學習內容較為廣泛，不僅有內容繁雜的建筑設計規(guī)范，又有抽象的設計理念及多樣的改造方式，導致學生出現(xiàn)無從下手的現(xiàn)象，近年來，受到學時減少、教材陳舊及生源質量欠佳的影響，教師的教學壓力不斷加大。[1]

當前，隨著教育教學逐漸呈現(xiàn)現(xiàn)代化、信息化的趨勢，虛擬現(xiàn)實技術在信息和通信技術行業(yè)中出現(xiàn)得非常頻繁，虛擬現(xiàn)實技術是計算機圖形學、數(shù)字圖像處理、多媒體技術和信息技術其他分支交叉融合產(chǎn)生的新技術，它已經(jīng)出現(xiàn)在娛樂、建筑、測量、制造、醫(yī)療等多個行業(yè)。在教育行業(yè)，虛擬現(xiàn)實技術的沉浸感、交互性、想象性三大特征極大地克服了傳統(tǒng)教學環(huán)境的限制，有利于激發(fā)學習者的學習動機，增強學習體驗，實現(xiàn)情境學習和知識遷移。[2]不僅打破了傳統(tǒng)書本和教師單一授課的方式，且通過虛擬現(xiàn)實技術可以將抽象的內容轉為具體的圖像，如表現(xiàn)空間主體化的知識，機械運動的三維系統(tǒng)等能使學生更好的理解，以及在高校建立虛擬現(xiàn)實實驗基地突破時間與空間的限制，可以說，虛擬現(xiàn)實技術對教育的發(fā)展起到了極大地促進作用。因此，本文將《房屋建筑學》課程教學與虛擬現(xiàn)實技術相結合，通過運用虛擬現(xiàn)實技術融入《房屋建筑學》課程教學，針對目前《房屋建筑學》課程教學中存在的諸多問題，提出可行性建議，促進教學效果提升。

二、虛擬現(xiàn)實技術簡介

（一）虛擬現(xiàn)實技術的內涵解讀

虛擬現(xiàn)實理論（Virtual Reality）首次出現(xiàn)于1963年，“計算機圖形之父”Ivan Sutherland在他的博士論文中提出。計算機技術是虛擬現(xiàn)實技術的基礎，虛擬現(xiàn)實是仿真技術的一個重要方向;它集仿真技術和計算機圖形學，人機界面交互技術，多媒體技術，傳感技術，網(wǎng)絡技術等技術于一體。

虛擬現(xiàn)實技術的3I特性于1994年由Burdea提出，即沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和構想性（imagination），這三者相互影響并構成了虛擬現(xiàn)實技術三角形。但不同研究領域的學者各自對虛擬現(xiàn)實進行了定義，謝爾曼和賈金斯用五個“I”為虛擬現(xiàn)實下了定義：“Intensive(集中的)，Interactive(交互的)，Immersive(沉浸的)，Illustrative(例證的)，and Intuitive(直觀的)”。[3]本文研究主要結合虛擬現(xiàn)實技術的3I特性，在《房屋建筑學》課程教學與虛擬現(xiàn)實技術的結合中，虛擬現(xiàn)實技術的3I特性的體現(xiàn)使學生在學習的過程中身臨其境，對于建筑的了解更加充分且深刻。

（二）虛擬現(xiàn)實技術對教育教學的優(yōu)勢分析

虛擬現(xiàn)實技術主要包括仿真環(huán)境，感知，自然技能和傳感設備等。在《房屋建筑學》課程教學中可通過計算機生成實時動態(tài)的三維仿真建筑圖像與施工現(xiàn)場，構建《房屋建筑學》課程所需要的模擬環(huán)境；感知則指的是在虛擬現(xiàn)實技術的應用中應具有一切或是大部分人本身所具有的感知，除構造出的模擬建筑物環(huán)境所生成的三維立體仿真圖像帶來的視覺感知外，還應該存在諸如聽覺，觸覺，力和運動之類的感知。例如建筑物中不同墻壁結構的紋理，不同的建筑材料的觸感以及感受其材料硬度時的力覺等；而自然技能與傳感設備則是學生在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進行課程學習時由計算機處理的其人體行為動作的數(shù)據(jù)并作出反饋與響應，即三維交互。

三、《房屋建筑學》課程當前存在的問題分析

（一）理論課教學過于抽象，學生難以理解

《房屋建筑學》課程中房屋以及建筑各方面理論的學習是進行后續(xù)建筑設計、施工實踐以及高年級專業(yè)課學習的基礎，而理論知識點繁多又冗雜，不僅涉及建筑平立剖面設計等需要空間想象的種種理論，且涉及墻體、樓地層構造、變形縫等建筑構造，在傳統(tǒng)的教師教、學生學的課堂教學模式中難以讓學生直觀感受體會，只能依賴于學生的空間想象能力。因此，理論課的教學效果根據(jù)學生空間想象能力的不同，導致同樣的授課教師，同樣的授課學時下，學生們對于《房屋建筑學》課程理論知識的接受與理解程度參差不齊，理論課教學效果難以控制、多數(shù)學生對于《房屋建筑學》中的各理論知識點接受程度較低。

（二）實踐課教學難以達到實際運用的教學目的

《房屋建筑學》課程教學中的實踐環(huán)節(jié)一般包括課程設計和現(xiàn)場實習兩個部分。課程設計環(huán)節(jié)使學生得到工程實踐的實際練習，旨在提升學生動手能力以及對于教材中學習到的理論知識進行綜合應用的能力。但由于課程內容中的知識點龐雜以及學生對知識點的接受程度較低，在學生做課程設計時問題往往較多甚至常出現(xiàn)平立剖面圖相互矛盾的情況。因此在整個過程中，對老師的依賴程度較高。而現(xiàn)場實習環(huán)節(jié)中，因為《房屋建筑學》課程中各章節(jié)內容多數(shù)處于一個建筑施工的不同階段，但由于課時以及實習場地資源等多方面因素的限制，高校無法找到多個不同施工階段的建筑工地進行《房屋建筑學》課程實踐環(huán)節(jié)的現(xiàn)場實習。因此現(xiàn)場實習環(huán)節(jié)往往只有建筑環(huán)境的情境，但并沒有可以讓學生結合自身在課堂中所學習的理論來解決問題或是研究理論原理的一個具體情境。因而并未達到真正意義上實習的目的，難以實現(xiàn)提高學生在施工現(xiàn)場以及建筑實踐中發(fā)現(xiàn)問題、運用所學理論知識解決實際問題的能力。

（三）學生對于課程的學習多為應試目的

《房屋建筑學》課程內容涵蓋民用建筑設計理論以及建筑構造兩大部分。對于土木工程及其相關專業(yè)畢業(yè)后多數(shù)從事工程施工崗位的學生而言，此門課程不僅在工程施工領域具有指導作用，并且是此類專業(yè)學生學習后續(xù)專業(yè)課的基礎。只有對于建筑從平立剖面設計到構造做法有了一定程度的了解，才能更好地去學習和理解后續(xù)各個專業(yè)課內容。《房屋建筑學》在土木工程及其相關專業(yè)學生專業(yè)課的學習中雖然有著承上啟下的關鍵作用，但各個專業(yè)的學生卻多數(shù)存在著因為非本專業(yè)重要專業(yè)課而對《房屋建筑學》課程未重視的情況?！斗课萁ㄖW》課程中的知識點繁多又冗雜，而學時卻又不斷壓縮。且在上述情況的基礎上，當前多數(shù)開設《房屋建筑學》課程的高校，依然在教師圍繞課本、學生圍繞考試的傳統(tǒng)模式下進行授課，缺乏對學生學習興趣的激發(fā)，使課程變得枯燥乏味，導致學生逐漸對課程失去興趣，最終讓學生進入以應付考試為目的的“突擊式”、“快餐式”學習狀態(tài)中，并未真正掌握《房屋建筑學》的理論知識以及實踐技能。

四、虛擬現(xiàn)實技術在《房屋建筑學》課程教學中的應用

《教育信息化2.0》行動計劃中指出：“主要發(fā)達國家均已意識到新形勢下教育變革勢在必行，從國家層面發(fā)布教育創(chuàng)新戰(zhàn)略，設計教育改革發(fā)展藍圖，積極探索新模式、開發(fā)新產(chǎn)品、推進新技術支持下的教育教學創(chuàng)新。”[4]因此，合理的運用虛擬現(xiàn)實技術與《房屋建筑學》課程教學相結合，既符合當前時代發(fā)展以及國家政策中對于教育教學創(chuàng)新的要求，又能解決當前課程教學中存在的種種問題。

（一）理論教學中——融入沉浸式體驗，增強知識的直觀性

由于《房屋建筑學》課程中的知識內容范圍廣泛，圖形復雜多樣，構造方式繁雜，而傳統(tǒng)的教學方法難以從多個角度去反映建筑物之間的空間關系，因此，在理論課教學中融入沉浸式體驗教學能使教學中的建筑圖形更為直觀，使教學更加形象生動，增強了教學內容的直觀性與立體感，能極大調動學生的學習積極性，激發(fā)學習興趣。

1.運用虛擬現(xiàn)實技術構建建筑材料三維模型

在《房屋建筑學》課程中的墻體、樓地層構造、屋頂、門窗等多個章節(jié)均涉及到建筑材料的介紹與使用，但多數(shù)傳統(tǒng)教學的重點已經(jīng)脫離時代的步伐。運用虛擬現(xiàn)實技術構建的三維模型建筑材料模型，將使學生通過沉浸式體驗學習擁有更直觀，更細致的觀察和體驗。并且由于虛擬現(xiàn)實技術是基于計算機技術進行開發(fā)和設計的，因此運用虛擬現(xiàn)實技術構建建筑材料的三維模型，更有利于更新課程內容，脫離教材限制。當下科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，對于新材料新產(chǎn)品的研發(fā)速度將遠遠高于《房屋建筑學》教材的更新速度，授課教師在課堂上運用傳統(tǒng)的PPT授課所展示的內容有限，學生接受和記憶程度較低，而運用虛擬現(xiàn)實技術構建建筑材料的三維模型，不僅可以通過電腦數(shù)據(jù)更新到最新或是最常用的建筑材料模型，緊跟時代的步伐，且在虛擬現(xiàn)實技術環(huán)境中，學生對種種建筑材料的認識、觀察、交互、甚至觸感力感的體驗對于學生更好地接受和理解課程內容有著極大的幫助。由此來看，運用虛擬現(xiàn)實技術構建建筑材料三維模型一定程度上解決了《房屋建筑學》課程教材內容存在滯后性的問題。

2.運用虛擬現(xiàn)實技術構建整體建筑結構

《房屋建筑學》課程教學內容的重點之一在于讓學生了解和掌握建筑物整體與各部分的結構構造。根據(jù)教材版本不同，開設《房屋建筑學》課程的高校不同，其教材內容中建筑物構造部分的側重點也有所不同，當下，大部分高校《房屋建筑學》課程現(xiàn)用教材中均有民用建筑、工業(yè)建筑、廠房等建筑的構造章節(jié)。因此，運用虛擬現(xiàn)實技術構建建筑環(huán)境存在必要性。運用虛擬現(xiàn)實技術構建多種建筑環(huán)境，并在所構建的建筑環(huán)境中，不僅能夠使學生得到沉浸式、交互式體驗、構想式學習，還能構建出民用建筑、商用建筑、工業(yè)建筑等多種建筑物內部以及整體的構造，為了讓學生在學習課程內容的過程中更加直觀真實，激發(fā)學生學習興趣，還可以運用虛擬現(xiàn)實技術構建出某種類型的建筑物的局部構造。在虛擬現(xiàn)實技術的條件下，可以解放授課空間、節(jié)省授課時間并使教學脫離空間和時間的限制。如在進行變形縫章節(jié)授課時，運用虛擬現(xiàn)實技術構建出伸縮縫在建筑物因受溫度變化的影響而產(chǎn)生熱脹冷縮時伸縮縫部位的變化；在建筑物各部分不均勻沉降時沉降縫部位的變化；并可模擬在地震時防震縫部位的作用。使學生充分理解每種變形縫在建筑中的作用以及設置部位等知識點。

（二）實踐教學中——創(chuàng)設情境，引入體驗式教學

1.建筑構造設計，利用建筑模型創(chuàng)設情境

建筑模型可以立體直觀地反映房屋及其構件的真實構造，能反映構件的連接關系，利用建筑模型創(chuàng)設教學情境是對其他教學方式的有益補充。[5]因此，運用虛擬現(xiàn)實技術構建模擬實驗室，并依托課程設計，讓學習者自己動手制作建筑物的模型，能夠促進學生對建筑的結構組成、建筑知識的了解，且加深對專業(yè)知識的認知。

2.建筑課程設計，通過案例啟發(fā)創(chuàng)設情境

在《房屋建筑學》課程中的基礎和地下室、墻體、樓地層構造、變形縫等章節(jié)均涉及建筑施工技術。運用虛擬現(xiàn)實技術構建基礎施工、墻體施工、樓地層施工、屋頂施工、變形縫施工等多種建筑施工現(xiàn)場場景，結合授課章節(jié)階段，在沉浸式虛擬環(huán)境下，觀察各種階段的施工技術方法以及施工條件，配合授課老師講解，既能解決傳統(tǒng)老師授課時需要花費大量學時在學生腦海中構建場景的問題，又能展現(xiàn)出傳統(tǒng)現(xiàn)場實習中無法兼顧的多種施工階段的場景。

（三）通過虛擬現(xiàn)實技術的應用，激發(fā)學生學習興趣和潛能

我國教育部于2018年10月18日印發(fā)了“新時代高教40條”相關文件，決定實施“六卓越一拔尖”計劃2.0。其中便有“圍繞激發(fā)學生學習興趣和潛能深化教學改革”的若干意見。而將虛擬現(xiàn)實技術融入《房屋建筑學》的課程教學中正是激發(fā)學生興趣和潛能的一種方式。

而將虛擬現(xiàn)實技術融入課堂教學，以沉浸式的學習方式配合任課教師的即時講解，從教學開始時便調動了學生的好奇心和探索欲，其認知過程由被動至主動，學習狀態(tài)由消極至積極。因此，要將虛擬現(xiàn)實技術融入到課堂教學改革中，如此既能激發(fā)學生的學習興趣又能提升學生的綜合素質。

（四）以沉浸式學習體驗，改革《房屋建筑學》課程教學

理論教學中開發(fā)VR課程資源，建立健全虛擬現(xiàn)實設備教室，運用VR眼鏡等虛擬現(xiàn)實設備，改革傳統(tǒng)課堂講授法的理論教學，使學生獲得沉浸式學習體驗。不僅令學生理論知識的學習更加直觀且具有趣味性，且教師在教授難以用語言準確描述的理論知識時，可以基于虛擬現(xiàn)實構建的虛擬環(huán)境給予學生更加精確和細致的講解。實踐教學中，改革實踐課程授課方式、解放原有實踐課程場地，教師在虛擬空間內對學生進行現(xiàn)場教學，改變傳統(tǒng)的學習氛圍，提高學生學習興趣。

五、結語

長期以來，由于傳統(tǒng)的教學方式及教學環(huán)境的限制，使《房屋建筑學》課程呈現(xiàn)了重藝輕技的局面，因此，如何將繁雜的教學內容與恰當?shù)慕虒W方式合理結合，加強技術在教育教學中的應用是值得深入探究的問題。從已有的研究來看，隨著時代的發(fā)展進步，虛擬現(xiàn)實技術在教育課程領域的應用將呈現(xiàn)多元化的發(fā)展趨勢，而將虛擬現(xiàn)實技術與課程教學結合的優(yōu)勢是明顯的。對于提高教育技術水平、改善教學環(huán)境、豐富教學資源、優(yōu)化教學過程，培養(yǎng)個性化、創(chuàng)新型的人才具有重要作用。[6]目前，虛擬現(xiàn)實技術在教育中的應用水平呈上升趨勢，高等學校工科相關專業(yè)教學手段匱乏，難以與時俱進，為適應現(xiàn)代化發(fā)展、響應國家相關政策，高等教育應該走向多元化、信息化道路。如何將虛擬現(xiàn)實技術運用于《房屋建筑學》課程教學中，可以作為土木工程相關專業(yè)的一個切入點，帶動其專業(yè)相關科目教學加快信息化、現(xiàn)代化步伐。如何通過虛擬現(xiàn)實技術更好的解決教學中的復雜問題，還有待在日后的教學與實踐中不斷探索、完善與創(chuàng)新。