虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革中的應(yīng)用分析

張 彩

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南 新鄭 451100）

計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)為建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)，影像建筑、數(shù)字仿真、虛擬場(chǎng)景等技術(shù)，可以使建筑師在設(shè)計(jì)過(guò)程中更加真實(shí)地感受建筑、體驗(yàn)建筑[1]。設(shè)計(jì)對(duì)象的變化促進(jìn)了建筑師角色的變化，建筑學(xué)的教學(xué)方向也要隨之進(jìn)行變革，才能更好地適應(yīng)技術(shù)發(fā)展。

VR技術(shù)是一種輔助教學(xué)手段，在建筑設(shè)計(jì)教學(xué)中優(yōu)勢(shì)非常突出，在建筑設(shè)計(jì)課程中引入VR 技術(shù)就是為建筑設(shè)計(jì)教學(xué)注入了新的活力。不過(guò)VR技術(shù)的普及及應(yīng)用還需要一個(gè)長(zhǎng)期摸索、創(chuàng)新的過(guò)程，教學(xué)過(guò)程要不斷總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，不斷更新教學(xué)理念，研發(fā)新的教學(xué)方法，才能將VR 技術(shù)的作用充分發(fā)揮出來(lái)。

1 建筑設(shè)計(jì)教學(xué)的內(nèi)容

所謂建筑設(shè)計(jì)是指在建造建筑物之前，根據(jù)業(yè)主的要求，設(shè)計(jì)師將施工過(guò)程及建筑使用過(guò)程中可能存在或可能發(fā)生的問(wèn)題事先做好全面設(shè)想，提前擬定解決這些問(wèn)題的方案，并用圖紙把自己的設(shè)想表達(dá)出來(lái)的過(guò)程。

建筑設(shè)計(jì)教學(xué)就是指導(dǎo)學(xué)生如何實(shí)現(xiàn)、表達(dá)這些設(shè)想，并對(duì)建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。所以建筑設(shè)計(jì)教學(xué)的基本內(nèi)容要實(shí)現(xiàn)空間環(huán)境的組合設(shè)計(jì)與構(gòu)造設(shè)計(jì)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)直觀的學(xué)習(xí)情境，增強(qiáng)學(xué)生的沉浸感與臨場(chǎng)感[2]。完成建筑設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)后，學(xué)生在設(shè)計(jì)作品時(shí)不僅要能夠在功能、要求上創(chuàng)造良好的空間環(huán)境，滿足業(yè)主的各種需求，同時(shí)還要賦予建筑作品更多的審美價(jià)值。因此在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，老師要有意識(shí)地將抽象的問(wèn)題具體化、形象化，引導(dǎo)學(xué)生更深入地理解建筑作品的設(shè)計(jì)意圖；加強(qiáng)與學(xué)生的溝通、交流，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性，提高建筑設(shè)計(jì)教學(xué)的有效性，幫助學(xué)生完成新知識(shí)的構(gòu)建。

2 建筑設(shè)計(jì)教學(xué)中應(yīng)用VR 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

VR 技術(shù)是一種擴(kuò)展的計(jì)算機(jī)人機(jī)界面技術(shù)，它可以說(shuō)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)與人體行為學(xué)技術(shù)的集合體，從某種程度上講，它是多媒體技術(shù)更高級(jí)的形式[3]。VR 技術(shù)包括桌面VR 系統(tǒng)、沉浸VR 系統(tǒng)、分布VR系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等多種，目前建筑設(shè)計(jì)教學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的是桌面VR 系統(tǒng)。作為一種有效的輔助教學(xué)手段，相比其他教學(xué)技術(shù)，VR 技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在虛擬學(xué)習(xí)情境和直觀教學(xué)2 個(gè)方面。

2.1 創(chuàng)設(shè)以學(xué)生為中心的虛擬學(xué)習(xí)情境

建筑設(shè)計(jì)課程的內(nèi)容比較抽象，學(xué)生從形象上理解這些知識(shí)比較困難，應(yīng)用VR 技術(shù)可以創(chuàng)造更真實(shí)、更形象的教學(xué)場(chǎng)景。

一方面，可以呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活中無(wú)法觀察到的自然現(xiàn)象或事物變化過(guò)程，比如展現(xiàn)一些虛擬的、不復(fù)存在的建筑作品，使學(xué)生更直觀地感受建筑之美，增強(qiáng)其專業(yè)認(rèn)同感；通過(guò)VR 技術(shù)，老師可在三維物體與二維圖形之間任意切換，學(xué)生在理解物體與視圖之間的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系也更加簡(jiǎn)單。

另一方面，VR 技術(shù)可將老師無(wú)法用語(yǔ)言表達(dá)的、建筑設(shè)計(jì)中的抽象概念及理論直觀、形象地表述出來(lái)，比如在講解光照強(qiáng)度、透明度等專業(yè)術(shù)語(yǔ)時(shí)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法只能向?qū)W生呈現(xiàn)抽象的概念，而應(yīng)用VR 技術(shù)則可以直接展示光照強(qiáng)度的大小、透明度的高低等，學(xué)生對(duì)于相關(guān)概念、專業(yè)術(shù)語(yǔ)的理解也更深入[4]。

2.2 直觀教學(xué)可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的認(rèn)知

無(wú)論哪種教學(xué)方法都是服務(wù)于教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)任務(wù)，VR 技術(shù)同樣如此，其主要目的就是通過(guò)直觀教學(xué)豐富學(xué)生的感官，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)建筑設(shè)計(jì)過(guò)程的認(rèn)知。

直觀教學(xué)法包括實(shí)物直觀教學(xué)、語(yǔ)言直觀教學(xué)、模象直觀教學(xué)等多種。所謂實(shí)物直觀教學(xué)顧名思義就是觀察實(shí)物，通過(guò)實(shí)物驗(yàn)證理論知識(shí)。不過(guò)建筑設(shè)計(jì)課程中實(shí)物直觀教學(xué)的局限性較大，實(shí)施起來(lái)成本較高。

語(yǔ)言直觀教學(xué)就是通過(guò)老師的語(yǔ)言描述向?qū)W生傳達(dá)相關(guān)知識(shí)，不過(guò)這種教學(xué)方法對(duì)老師的語(yǔ)言表達(dá)能力及學(xué)生的理解能力都有較大的考驗(yàn)。

模象直觀教學(xué)則是模擬實(shí)物形象直接向?qū)W生展示。傳統(tǒng)的教學(xué)掛圖、幻燈片、模型等均屬于模象直觀教學(xué)的范疇，而VR 技術(shù)的應(yīng)用更是擴(kuò)大了模象直觀教學(xué)的范圍，創(chuàng)新了模象直觀教學(xué)的方法。比如應(yīng)用Sketch UP 軟件可以使學(xué)生獲得更加直接的感性認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；完成建筑設(shè)計(jì)作品后，可以通過(guò)VR 技術(shù)讓學(xué)生親臨現(xiàn)場(chǎng)，觀察建筑設(shè)計(jì)作品的缺陷，并反饋到設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行完善；再比如，建筑設(shè)計(jì)中對(duì)建筑物功能的劃分、建筑材料的認(rèn)識(shí)、建筑光影效果的體現(xiàn)等知識(shí)，均可以通過(guò)VR 技術(shù)呈現(xiàn)出來(lái)，從而優(yōu)化教學(xué)效果[5]。

3 建筑設(shè)計(jì)教學(xué)改革中VR 技術(shù)的應(yīng)用

在實(shí)際的建筑設(shè)計(jì)教學(xué)中，VR 技術(shù)的應(yīng)用主要包括以下4 個(gè)方面。

3.1 展示立體物體

建筑設(shè)計(jì)課程中涉及到大量的抽象概念，傳統(tǒng)教學(xué)中為了使學(xué)生更形象地感受三維物體的信息，多采用圖片投影儀、實(shí)物展示、利用計(jì)算機(jī)建立三維模型等，但是如上文所述，傳統(tǒng)的模象直觀教學(xué)方法都存在一定的局限性。

應(yīng)用VR 技術(shù)則可以構(gòu)建一個(gè)與實(shí)物十分接近的三維物體，打破了時(shí)間、空間及成本的限制[6]。比如在學(xué)習(xí)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，高層建筑的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)建筑作品的整體造型產(chǎn)生直接影響。此時(shí)就可以先利用3Ds MAX 建模，再通過(guò)VRML 語(yǔ)言構(gòu)建一個(gè)虛擬的境界。學(xué)生可以根據(jù)自己所學(xué)的結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)做出合理調(diào)整，通過(guò)調(diào)整梁、柱、墻的數(shù)量、比例、排列方式、截面形式等進(jìn)一步強(qiáng)化結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)，比如可以把柱子陳列成柱廊，而柱廊的長(zhǎng)度、高度、間距等參數(shù)不同，柱廊的結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生根本性變化；也可以把柱子和墻當(dāng)成結(jié)構(gòu)中的線與面，組成一定的肌理，框架結(jié)構(gòu)并不是只有小規(guī)模見(jiàn)方的柱網(wǎng)，而是有著相當(dāng)大的寬容度。學(xué)生在處理每個(gè)柱與柱、柱與梁、墻與柱關(guān)系的過(guò)程，就是強(qiáng)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力的過(guò)程，而且這種教學(xué)方法趣味性更強(qiáng)，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

3.2 構(gòu)造虛擬場(chǎng)景

傳統(tǒng)教學(xué)中多通過(guò)老師的語(yǔ)言描述、圖片展示、錄像播放等形式創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，學(xué)生多數(shù)只能被動(dòng)地接受，并沒(méi)有真實(shí)的參與感；且很多情境都是通過(guò)老師的語(yǔ)言描述再傳達(dá)到學(xué)生那里，可能已經(jīng)相去甚遠(yuǎn)。比如很多老師都會(huì)向?qū)W生介紹中國(guó)園林與建筑藝術(shù)的巔峰圓明園，即使老師說(shuō)“圓明園幾乎集合了所有中國(guó)建筑形式和包括巴洛克式的西洋建筑形式”，但是學(xué)生仍然無(wú)法真正了解“所有的中國(guó)建筑形式”都有哪些，或者“巴洛克式的西洋建筑放在圓明園中是什么樣子”。但是VR 技術(shù)卻可以在不同的時(shí)間、不同的地點(diǎn)呈現(xiàn)出虛擬卻又真實(shí)的場(chǎng)景。學(xué)生在虛擬的圓明園中可以看到亭、臺(tái)、樓、榭等各種中國(guó)建筑形式，再與教材中的相關(guān)內(nèi)容對(duì)比分析，可以對(duì)中國(guó)建筑形式有更立體的了解。如果條件允許，還可以采用沉浸式VR 技術(shù)，學(xué)生戴上頭盔顯示器可以真的置身于各種風(fēng)格的建筑中，橋、墻、塔等等，感受圓明園采用的多種手段的布局構(gòu)思，了解什么叫做對(duì)比，什么叫做陪襯，什么是相對(duì)空間，什么又是深度排列，這些場(chǎng)景可以使學(xué)生更好地感受什么叫做“效法自然”的設(shè)計(jì)原則，這種教學(xué)效果是傳統(tǒng)教學(xué)方法無(wú)法比擬的[7]。

3.3 開(kāi)展教學(xué)實(shí)訓(xùn)

建筑設(shè)計(jì)教學(xué)中，很多實(shí)驗(yàn)受硬件資源條件的限制無(wú)法正常操作，因此很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。而應(yīng)用VR 技術(shù)可以很好地緩解這一問(wèn)題。可以在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，用VR技術(shù)替代昂貴的教學(xué)器材，學(xué)生在虛擬的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行逼真的儀器操作，并及時(shí)接收系統(tǒng)反饋的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)虛擬實(shí)訓(xùn)，學(xué)生可以進(jìn)一步了解自己的操作是否規(guī)范，存在什么問(wèn)題，便于及時(shí)做出改進(jìn)?；赩R 技術(shù)，在建筑設(shè)計(jì)課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，如光輝城市、Uncity 等，還可以為學(xué)生提供作業(yè)展示、分享、交流的機(jī)會(huì)。平臺(tái)的主干結(jié)構(gòu)由網(wǎng)站+電腦客戶端+移動(dòng)客戶端組成，三者數(shù)據(jù)互通、關(guān)聯(lián)互動(dòng)。并且VR 技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)器材損耗，也不受環(huán)境條件的限制，能夠重復(fù)性操作，雖然購(gòu)買VR 設(shè)備需要投入大量資金，但是一次性投入可長(zhǎng)期獲益；并且操作安全，避免學(xué)生實(shí)際操作時(shí)由于操作失誤而發(fā)生事故的問(wèn)題，既保證了學(xué)生的安全，又提高了教學(xué)效果[8]。

3.4 VR 技術(shù)應(yīng)用的局限性

作為一種新技術(shù)，VR 技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的應(yīng)用還存在一些局限性。

一是VR 技術(shù)應(yīng)用存在技術(shù)方面的局限性。目前VR 技術(shù)還不夠普及，終端設(shè)備的性價(jià)比還差強(qiáng)人意，硬件性能還需提升，比如傳感器的性能、數(shù)據(jù)傳輸速率等，只有提高數(shù)據(jù)處理與顯示的效率，才能持續(xù)改進(jìn)用戶的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、力覺(jué)等感官體驗(yàn)。

二是VR 技術(shù)應(yīng)用存在教學(xué)內(nèi)容方面的局限性。要真正應(yīng)用VR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模擬，需要一個(gè)龐大的資源數(shù)據(jù)庫(kù)做支撐，目前VR 技術(shù)畢竟還剛起步，數(shù)據(jù)庫(kù)資源還十分有限，針對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新建模耗時(shí)長(zhǎng)、投入大，并且從基礎(chǔ)平臺(tái)到應(yīng)用軟件需要投入更多，這些均是需要慢慢積累的[9]。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，VR 技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛起步，無(wú)疑，在未來(lái)的教育領(lǐng)域，VR 技術(shù)將會(huì)對(duì)建筑設(shè)計(jì)及相關(guān)課程的教學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。專業(yè)教師要充分認(rèn)識(shí)到VR 技術(shù)的重要價(jià)值，更新教育理念，完善教學(xué)方法，將VR 技術(shù)更深入融合在建筑設(shè)計(jì)課程教學(xué)中來(lái)。可以預(yù)見(jiàn)，將來(lái)的建筑設(shè)計(jì)教學(xué)將與大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、VR 技術(shù)有更深度的融合，我們可以大膽暢想一下：未來(lái)的建筑設(shè)計(jì)專業(yè)課程很有可能在任意地點(diǎn)的一套VR 設(shè)備上實(shí)現(xiàn)教與學(xué)，建筑設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)將打破時(shí)間與空間的限制。無(wú)論如何，我們都要擁有捕捉時(shí)代變革的眼睛，勇于接受新事物，并將其轉(zhuǎn)變成變革建筑設(shè)計(jì)課程教學(xué)的有利推手。