VR技術(shù)下建筑類學(xué)生空間認(rèn)知教學(xué)實(shí)驗(yàn)

毛超　金貴琳　宋曉宇

摘要：空間認(rèn)知作為建筑設(shè)計(jì)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，越來越受到國內(nèi)外院校的重視。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)能生成三維動態(tài)視景，為用戶提供1∶1的虛擬沉浸體驗(yàn)。對建筑類學(xué)生而言，VR技術(shù)帶來全新的設(shè)計(jì)視角。為證明VR對學(xué)生空間認(rèn)知的積極作用，對比VR和幾種傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)方式，并在不同階段開展問卷調(diào)查，進(jìn)行深入訪談。研究結(jié)果表明，VR設(shè)計(jì)方式下，學(xué)生對空間尺寸和比例等的把控更為準(zhǔn)確，其空間認(rèn)知和設(shè)計(jì)理解能力有顯著提升。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);建筑設(shè)計(jì);空間認(rèn)知;教學(xué)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642.0;TU2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2020）06-0144-09

空間復(fù)雜性的表達(dá)是建筑設(shè)計(jì)中的一大挑戰(zhàn)。對于建筑領(lǐng)域的學(xué)生和設(shè)計(jì)師而言，設(shè)計(jì)簡單的空間或建筑均依賴于良好的空間認(rèn)知及想象能力[1]。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，建筑設(shè)計(jì)教學(xué)也逐漸由二維模式向三維模式轉(zhuǎn)變[2]。除CAD、SU、3DMAX和BIM等三維模型的運(yùn)用外，建筑設(shè)計(jì)類專業(yè)還常用小規(guī)模實(shí)體模型[3]，但實(shí)體模型因成本及時間的限制，不利于在教學(xué)中大量應(yīng)用。傳統(tǒng)的二維圖像和三維模型對提升學(xué)生空間認(rèn)知能力的影響有限，動畫和模型并不能完美表現(xiàn)建筑空間和提供建筑空間真實(shí)的尺度感受[4]。

VR（Virtual Reality）是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，在視、聽、觸感等方面生成與真實(shí)環(huán)境高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對象進(jìn)行交互作用、相互影響，可以產(chǎn)生親臨真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)[5]。VR技術(shù)的3I特征（沉浸-交互-想象：Immersion-Interaction-Imagination）使之成為有效的建筑設(shè)計(jì)工具之一。VR技術(shù)將帶來一場全新的建筑學(xué)空間認(rèn)知革命，建筑空間需要體驗(yàn)，在體驗(yàn)中能更清晰地認(rèn)知空間，VR是理解物質(zhì)空間的新方法。VR的多維可交互表現(xiàn)與表達(dá)更直觀，三維空間信息傳遞減少信息的衰減，提高溝通交流的效率，學(xué)生在VR體驗(yàn)中能更好地認(rèn)知空間，不再為難以想象的剖面發(fā)愁。VR在一定程度上解決傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)過程中的空間認(rèn)知困境，VR技術(shù)作為新技術(shù)促進(jìn)建筑設(shè)計(jì)思維邏輯與理論方法的迭代更新，可為建筑類專業(yè)教學(xué)提供新的思路，VR的交互能幫助學(xué)生理解構(gòu)造原理部分的內(nèi)容，且學(xué)生可通過自主設(shè)計(jì)空間的方式在VR中親身體驗(yàn)自己的設(shè)計(jì)。

近年來，越來越多的高校重視VR在建筑學(xué)上的應(yīng)用，部分高校已建立VR建筑實(shí)驗(yàn)室及實(shí)訓(xùn)基地，為建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生開啟新的認(rèn)識空間技術(shù)手段。文章以建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的學(xué)生為研究對象，設(shè)計(jì)二維手繪、三維SU建模和VR設(shè)計(jì)3種方式的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。教學(xué)實(shí)驗(yàn)選用的是光輝城市公司開發(fā)的VR建筑設(shè)計(jì)工具M(jìn)ars軟件， Mars從2017年發(fā)布至今，已成為國內(nèi)建筑業(yè)最受歡迎的“3D/VR”技術(shù)軟件之一。文章旨在通過VR設(shè)計(jì)方式研究提升學(xué)生空間認(rèn)知能力，探究VR設(shè)計(jì)與二維手繪、三維SU建模教學(xué)模式的差異及可行性。

一、VR在建筑教學(xué)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

部分國外學(xué)者針對VR技術(shù)在空間認(rèn)知方面的運(yùn)用進(jìn)行了研究。Werner和Schindler[6]研究了空間參考系架構(gòu)不對齊對空間記憶、空間認(rèn)知和建筑設(shè)計(jì)工作的影響。Kuliga[7]等研究表明，VR可作為實(shí)證研究工具，在建筑研究和實(shí)踐中開展可行性研究及入住前建筑評估。Fogarty[8]等研究發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)可幫助學(xué)生理解結(jié)構(gòu)工程中復(fù)雜的空間布局。Messner[9]等指出VR技術(shù)最顯著的優(yōu)勢是讓學(xué)生在全尺寸（1∶1）的虛擬空間內(nèi)獲得“存在感”和真實(shí)感，增強(qiáng)空間認(rèn)知學(xué)習(xí)能力。Schneider[10]等研究了VR應(yīng)用于建筑教育的潛力，在早期設(shè)計(jì)階段為學(xué)生提供使用者視角體驗(yàn)。多數(shù)學(xué)者的研究表明，VR技術(shù)對空間認(rèn)知具有一定積極影響，但在VR設(shè)計(jì)方式與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的對比實(shí)踐研究方面存在不足。

伴隨VR熱潮，國內(nèi)的部分機(jī)構(gòu)和高校開展了VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究。杜穎[11]認(rèn)為VR教學(xué)能提高學(xué)生的聽課效率，對學(xué)校、教師、家長和學(xué)生具有積極影響（如圖1）。VR的沉浸感優(yōu)勢可以讓設(shè)計(jì)者身臨其境全方位審視設(shè)計(jì)效果，契合可視化學(xué)科設(shè)計(jì)和圖像化教學(xué)[12-13]，而且利用VR技術(shù)能幫助學(xué)生將二維圖紙三維實(shí)物化[14-15]。陸海燕[16]等研究BIM與VR技術(shù)在土木工程施工教學(xué)中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)通過VR沉浸式體驗(yàn)，學(xué)生不但體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)中的場景，而且能發(fā)現(xiàn)施工方案的優(yōu)點(diǎn)與不足。張杰[17]等設(shè)計(jì)虛擬仿真軟件以復(fù)原斗拱搭建的過程，將新型教育技術(shù)應(yīng)用于古建筑教育領(lǐng)域。將VR技術(shù)運(yùn)用于建筑教學(xué)可以呈現(xiàn)建筑物的立體化信息，學(xué)生易于通過自身與信息環(huán)境的相互作用來獲取知識和技能，升級傳統(tǒng)“以教促學(xué)”的建筑教學(xué)方式[18]。

VR設(shè)計(jì)方法所帶來的設(shè)計(jì)方式變革，可以媲美CAD問世所產(chǎn)生的影響。相比國外VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用和研究，國內(nèi)仍處于探索階段。目前，VR技術(shù)在建筑類的教學(xué)研究未考慮VR技術(shù)對學(xué)生空間認(rèn)知和設(shè)計(jì)能力的影響。尤其在二維模式、三維建模和VR設(shè)計(jì)3種不同模式下，關(guān)于學(xué)生空間認(rèn)知能力的量化研究相對較少，且缺乏系統(tǒng)性及完整性。

二、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)如圖2所示。針對2D、3D（SU）、VR 3種建筑設(shè)計(jì)模式，統(tǒng)計(jì)和測量學(xué)生在不同模式下設(shè)計(jì)的書報亭面積、窗地比和空間大小，并結(jié)合問卷和訪談方式，調(diào)查記錄學(xué)生對不同設(shè)計(jì)方式的差異評價和選擇偏好等感受評價。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析3種設(shè)計(jì)方式教學(xué)實(shí)驗(yàn)后學(xué)生空間認(rèn)知能力的變化。

（二）實(shí)驗(yàn)參與對象

此次實(shí)驗(yàn)以重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院建筑專業(yè)一年級的26名學(xué)生為對象，參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生基本上掌握畫法幾何、建筑制圖和計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（CAD）等基礎(chǔ)知識，但未系統(tǒng)學(xué)習(xí)建筑設(shè)計(jì)的專業(yè)課。因?qū)W生存在較大的個體差異，實(shí)驗(yàn)各階段的參與對象為同一班級學(xué)生，為避免不同教學(xué)方式對學(xué)生學(xué)習(xí)能力的影響，選取同一教師團(tuán)隊(duì)進(jìn)行指導(dǎo)。

（三）實(shí)驗(yàn)任務(wù)

實(shí)驗(yàn)任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化?？紤]到實(shí)驗(yàn)難度和可行性，將任務(wù)設(shè)定為固定空間的建筑設(shè)計(jì)。為提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，選取不易從網(wǎng)上獲取空間尺寸的書報亭作為實(shí)驗(yàn)任務(wù)。以書報亭空間為例，要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個符合人體工程學(xué)的最優(yōu)尺寸。實(shí)驗(yàn)分為4個階段：

（1）實(shí)驗(yàn)前初步空間認(rèn)知測試，問卷調(diào)查和訪談。要求學(xué)生在10 min內(nèi)獨(dú)立完成問卷。

（2）2D手繪模式測試，采用傳統(tǒng)圖紙進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。要求學(xué)生以1∶50的比例畫出理想的書報亭平面圖、正立面圖、與立面圖垂直的剖面圖、軸測圖，并在內(nèi)部放置一個開放式貨架。

（3）3D建模測試，采用三維建模軟件Sketch Up進(jìn)行設(shè)計(jì)。要求學(xué)生搭建一個理想的書報亭，在內(nèi)部放置一個開放式貨架，其余細(xì)節(jié)自由發(fā)揮。

（4）VR設(shè)計(jì)測試，采用VR設(shè)計(jì)工具M(jìn)ars輔助設(shè)計(jì)。要求學(xué)生在VR端進(jìn)行組裝與編輯，設(shè)計(jì)一個理想的書報亭，測量其面寬、進(jìn)深、凈高及開窗面積。同時，要求學(xué)生將上一階段搭建的SU模型導(dǎo)入Mars進(jìn)行VR體驗(yàn)，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)其用SU設(shè)計(jì)的書報亭空間大小、開窗比例和材質(zhì)等。

在各個階段實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)3種不同設(shè)計(jì)方式下的書報亭平面面積（x，y）、空間層高（z）、空間大?。▁， y， z）和窗地面積比4個變量。在實(shí)驗(yàn)每個階段作問卷調(diào)查和深入訪談，考察和統(tǒng)計(jì)學(xué)生在使用不同設(shè)計(jì)方式前后建筑空間認(rèn)知能力和設(shè)計(jì)能力的變化。各階段問卷及訪談問題設(shè)置如表1所示。

三、結(jié)果與討論

篩選26份實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，過濾異常和無效數(shù)據(jù)，最終得到有效樣本數(shù)量21份。采用比較研究方法描述樣本的特征、行為分析，比較頻數(shù)分布情況，逐個分析各測試階段單一變量（平面面積、凈高、空間大小、采光）的變化情況，對比分析各組分布特點(diǎn)。

（一）平面面積

根據(jù)人體工程學(xué)設(shè)計(jì)理論，滿足人體基本需求的書報亭標(biāo)準(zhǔn)平面面積為3～6 m2[19]。結(jié)果表明，VR設(shè)計(jì)一定程度上提高了學(xué)生實(shí)際設(shè)計(jì)時對空間平面的認(rèn)知能力

，具體結(jié)果如圖3所示。在初步空間測試、手繪設(shè)計(jì)測試、SU建模設(shè)計(jì)測試及VR設(shè)計(jì)測試4種不同模式下，學(xué)生設(shè)計(jì)的書報亭平面面積在標(biāo)準(zhǔn)面積范圍的占比分別為47.6%、14.3%、9.6%和57.3%。如圖3（a）所示，由于對空間認(rèn)知的偏差，約有42.9%的學(xué)生初步空間認(rèn)知測試時高估面積，其中，認(rèn)為面積為9 m2的學(xué)生人數(shù)最多，而在經(jīng)過手繪設(shè)計(jì)測試后，高估面積的學(xué)生上升至80.9%，認(rèn)為面積為8 m2、9 m2和24 m2的學(xué)生最多。在SU建模設(shè)計(jì)測試過程中，90.4%的學(xué)生設(shè)計(jì)出的面積超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，在經(jīng)過VR設(shè)計(jì)測試后，面積超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的學(xué)生下降至42.7%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，對于設(shè)計(jì)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生來說，各階段的實(shí)驗(yàn)中普遍存在高估報亭平面面積的現(xiàn)象。但從整體上看，VR設(shè)計(jì)相較于手繪設(shè)計(jì)和SU設(shè)計(jì)的書報亭平面面積更符合人體基本需求的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

（二）凈高

滿足人體基本需求的書報亭標(biāo)準(zhǔn)凈高為2.1～3.0 m[19]，而根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，VR設(shè)計(jì)比認(rèn)知測試、手繪設(shè)計(jì)和SU設(shè)計(jì)的書報亭凈高更符合人體基本需求的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，較大程度提高了學(xué)生實(shí)際設(shè)計(jì)時對空間高度的認(rèn)知能力，結(jié)果如圖4所示。在4種不同模式下，學(xué)生設(shè)計(jì)的書報亭凈高在標(biāo)準(zhǔn)凈高范圍內(nèi)的占比分別為52.5%、33.4%、62.0%和90.5%。同樣，在每種模式測試下，大部分學(xué)生都會高估書報亭凈高，但對于手繪設(shè)計(jì)測試、SU建模設(shè)計(jì)測試及VR設(shè)計(jì)測試而言，學(xué)生的總體空間認(rèn)知能力逐漸提升。

（三）空間采光

滿足人體基本需求的書報亭標(biāo)準(zhǔn)窗地比一般來說大于或等于0.25[20]。研究表明，VR設(shè)計(jì)模式下書報亭的窗地比相較于其他兩種設(shè)計(jì)模式更加合理，在空間采光設(shè)計(jì)上更具優(yōu)勢，如圖5所示。在不同模式測試下，學(xué)生設(shè)計(jì)的書報亭窗地面積比在0.25及以上的占比分別為57.2%、62.3%、66.9%、76.4%，這說明在4種模式測試下，學(xué)生對書報亭窗地面積比的總體把控能力逐漸提升。

（四）空間大小綜合分析

為探究VR設(shè)計(jì)對學(xué)生空間認(rèn)知和設(shè)計(jì)能力的影響，利用三維散點(diǎn)圖進(jìn)行綜合分析。其中，x為面寬，y為進(jìn)深，z為凈高;Ai（i=1，2…21）點(diǎn)為學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，Bj（j=1，2…8）點(diǎn)代表滿足人體需求的基本書報亭空間的標(biāo)準(zhǔn)大小范圍，M點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)范圍值構(gòu)成的立方體的體心。通過比較Ai點(diǎn)落在Bj點(diǎn)所構(gòu)成的立方體內(nèi)或附近的數(shù)量衡量學(xué)生的空間認(rèn)知和設(shè)計(jì)能力。通過計(jì)算空間點(diǎn)Ai與M的距離總和L來直觀比較不同設(shè)計(jì)方式對學(xué)生空間認(rèn)知能力的影響。計(jì)算公式如式1所示。

根據(jù)圖6及表2中不同階段測試下書報亭空間大小綜合分析的結(jié)果，VR設(shè)計(jì)模式對學(xué)生的空間認(rèn)知能力有一定的提升效果，手繪設(shè)計(jì)和SU建模設(shè)計(jì)的效果相當(dāng)。從圖6中可以直觀看出VR設(shè)計(jì)模式下的測試結(jié)果更多在標(biāo)準(zhǔn)大小范圍附近波動。測試空間點(diǎn)Ai與標(biāo)準(zhǔn)范圍中間點(diǎn)M的距離總和L4

在VR設(shè)計(jì)測試實(shí)驗(yàn)后，要求學(xué)生將自己搭建的SU模型導(dǎo)入Mars中進(jìn)行VR體驗(yàn)。大多數(shù)學(xué)生反饋在VR體驗(yàn)自己搭建的書報亭SU模型后，直觀發(fā)現(xiàn)其中存在的問題與不足，VR設(shè)計(jì)方式加強(qiáng)了自己對空間的認(rèn)知和對建筑設(shè)計(jì)的體會。

實(shí)驗(yàn)測試后的問卷調(diào)查和訪談結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了VR設(shè)計(jì)模式對建筑設(shè)計(jì)課程的促進(jìn)作用。學(xué)生普遍認(rèn)為VR設(shè)計(jì)方式更加吸引人，增加了學(xué)習(xí)興趣和動力，而且可在VR虛擬環(huán)境中自如行走，把自身作為比例尺，衡量空間的尺度，設(shè)計(jì)的同時能直觀看到虛擬的設(shè)計(jì)效果?？偟膩碚f，VR彌補(bǔ)和完善了建筑設(shè)計(jì)類專業(yè)學(xué)生的空間認(rèn)知缺陷，培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力和設(shè)計(jì)能力，也為建筑教育者解決了一系列的教學(xué)難題。

四、結(jié)語

以重慶建工學(xué)院建筑專業(yè)一年級學(xué)生為例，設(shè)計(jì)了手繪設(shè)計(jì)、SU建模設(shè)計(jì)和VR設(shè)計(jì)3種模式的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究學(xué)生在不同設(shè)計(jì)模式下空間認(rèn)知能力的變化。通過實(shí)驗(yàn)探索了VR技術(shù)與建筑設(shè)計(jì)教學(xué)相結(jié)合的設(shè)計(jì)過程，明確VR設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，特別是在提升學(xué)生空間認(rèn)知方面，研究結(jié)果如下：

（1）VR設(shè)計(jì)方式提高了學(xué)生的建筑空間認(rèn)知能力和設(shè)計(jì)能力。VR對空間形體的直觀呈現(xiàn)培養(yǎng)了學(xué)生對復(fù)雜空間關(guān)系的認(rèn)知能力;VR實(shí)時的形體表達(dá)提高學(xué)生對空間想象和表達(dá)的協(xié)調(diào)度及效率;VR輔助功能表述想象、形體、空間關(guān)系、感覺，培養(yǎng)學(xué)生語言和空間之間的轉(zhuǎn)化能力;VR空間體驗(yàn)使學(xué)生感知并記憶不同情況下的空間體量值，培養(yǎng)學(xué)生空間感知的精確度。

（2）VR沉浸式的設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)模式2D和3D-SU設(shè)計(jì)存在很多優(yōu)勢。最基本的優(yōu)勢是虛擬環(huán)境帶來的視覺沖擊提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、設(shè)計(jì)能力及聽課效率，對學(xué)生空間能力的培養(yǎng)也有極大的促進(jìn)作用，提升學(xué)生設(shè)計(jì)表達(dá)力。VR技術(shù)幫助教師傳授設(shè)計(jì)知識，輔助學(xué)生表現(xiàn)設(shè)計(jì)想法，在交互過程中可以幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)作品中的問題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提升設(shè)計(jì)相關(guān)的綜合能力。

VR技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)教學(xué)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，把VR技術(shù)運(yùn)用于建筑設(shè)計(jì)類專業(yè)教學(xué)是建筑設(shè)計(jì)教學(xué)對信息時代的適應(yīng)，也是建筑教學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的需要。

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Abstract： As the key and difficult point of architectural design teaching， spatial cognition has been paid more and more attention by domestic and foreign universities. Virtual reality （VR） technology can generate 3D dynamic vision to provide users with a 1：1 virtual immersion experience. For architectural students， VR technology brings a new design perspective. In order to prove that VR has a positive effect on students spatial cognition， this paper conducts teaching experiments on VR and several traditional architectural design methods， and conducts questionnaire surveys and in-depth interviews at different stages. The research results show that under the VR design mode， students have more accurate control over spatial size and proportion， and their ability to understand spatial cognition and design has been significantly improved. At the same time， it also provides certain practical value for the application of VR technology in the field of architectural design teaching.

Key words： VR technology; architectural design; space cognition; teaching experiment

（責(zé)任編輯 周 沫）