虛擬現(xiàn)實(shí)在建筑空間認(rèn)知中的應(yīng)用研究

官慧卿 許景峰 龔承晉 高露

摘要：空間認(rèn)知能力是建筑學(xué)基礎(chǔ)教育的一項(xiàng)重要指標(biāo)，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在提高空間認(rèn)知能力與訓(xùn)練設(shè)計(jì)思維等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但目前，虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合建筑教育的案例多側(cè)重于教學(xué)過(guò)程描述與技術(shù)路線分析，對(duì)教學(xué)成果的評(píng)價(jià)仍需進(jìn)一步證明。通過(guò)對(duì)空間認(rèn)知能力基本定義、形成方式和評(píng)價(jià)要素進(jìn)行闡述，并提取空間尺度認(rèn)知要素，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為部分教學(xué)手段介入建筑初步教學(xué)改革實(shí)踐課程，以調(diào)查問(wèn)卷的形式對(duì)低年級(jí)學(xué)生空間認(rèn)知能力提升情況進(jìn)行量化分析。結(jié)果表明，虛擬現(xiàn)實(shí)介入教學(xué)過(guò)程后，可對(duì)學(xué)生的建筑空間尺度認(rèn)知能力提升11.2%～68.7%，對(duì)立面開窗尺度的理解變化則表現(xiàn)出局限性。此外，經(jīng)VR教學(xué)的學(xué)生更加關(guān)注空間體驗(yàn)感，表明空間思維方式受教學(xué)手段的影響，虛擬現(xiàn)實(shí)使視覺表征與空間思維關(guān)系更加密切。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);建筑教育;空間認(rèn)知

中圖分類號(hào)：G642?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)：1005-2909（2020）05-0156-11

建筑學(xué)是一門古老而傳統(tǒng)的學(xué)科，其專業(yè)基礎(chǔ)教育注重空間能力的提升，空間能力又包括空間認(rèn)知、空間想象、空間創(chuàng)造能力，其中，空間認(rèn)知是建筑初步的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容，其教學(xué)模式經(jīng)歷了3視圖渲染到小比例手工模型制作過(guò)程。中國(guó)近現(xiàn)代建筑教育是舶來(lái)品，同西方國(guó)家一樣完成了從古典“布扎體系（Beaux-Arts）”到現(xiàn)代主義“包豪斯（Bauhaus）體系”的過(guò)渡，其中包含了未能延續(xù)但產(chǎn)生一定影響力的“ETH（蘇黎世聯(lián)邦理工）”與“德州騎警”等教學(xué)方法[1-2]。近年來(lái)，中國(guó)建筑學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)改革致力于構(gòu)架新的以空間為核心的教學(xué)體系[3]，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）的出現(xiàn)為學(xué)生空間認(rèn)知與思維轉(zhuǎn)變提供了技術(shù)基礎(chǔ)。建筑設(shè)計(jì)類課程核心內(nèi)容是空間形態(tài)設(shè)計(jì)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本功能是對(duì)這種空間形態(tài)構(gòu)成的實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行虛擬再現(xiàn)[4]。在國(guó)家政策推動(dòng)下，VR技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)的案例屢見不鮮，但對(duì)新技術(shù)應(yīng)用帶來(lái)的效果評(píng)價(jià)相對(duì)匱乏。結(jié)合建筑學(xué)專業(yè)的學(xué)科特殊性，以教學(xué)案例實(shí)踐方式探究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在空間認(rèn)知過(guò)程中的作用，并對(duì)教學(xué)成果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。

一、 建筑空間認(rèn)知能力

（一）空間認(rèn)知能力的定義與形成

“認(rèn)知”的概念最早由心理學(xué)家提出， 其實(shí)質(zhì)是把客體的信號(hào)轉(zhuǎn)換編譯成人腦中觀念的創(chuàng)造過(guò)程[5]?？臻g認(rèn)知是認(rèn)知科學(xué)的一個(gè)分支，指的是中樞神經(jīng)系統(tǒng)整合空間信息的能力，也指?jìng)€(gè)體將注意力轉(zhuǎn)向相關(guān)信息的能力，通過(guò)對(duì)新刺激的自主導(dǎo)向，構(gòu)建個(gè)人空間、個(gè)人周邊空間和形象空間的表征[6]?？臻g認(rèn)知能力，是將空間關(guān)系的視覺信息進(jìn)行加工的能力，它包括空間觀察能力、空間記憶能力、空間想象能力、空間思維能力等[7]。

空間認(rèn)知能力受多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的重視，如航空航天、地理、軍事、建筑設(shè)計(jì)等，這些專業(yè)均需對(duì)學(xué)生的空間能力進(jìn)行培養(yǎng)，而空間認(rèn)知能力的獲取方式，除特意訓(xùn)練外，均由日常生活所得。對(duì)空間的認(rèn)知代表人腦將圖像和實(shí)體進(jìn)行“二維-三維”的轉(zhuǎn)譯能力，現(xiàn)實(shí)世界中的物體在大腦中成像，畫面與物體一一映射，久而久之便在大腦中形成了“物-像”對(duì)應(yīng)的潛意識(shí)，當(dāng)其固化下來(lái)，便形成了認(rèn)知，因此，提升建筑空間認(rèn)知能力的有效方法之一就是反復(fù)體驗(yàn)、觀察，并形成意識(shí)。

（二）建筑學(xué)基礎(chǔ)教育與空間認(rèn)知

建筑學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)大致可歸納為對(duì)空間進(jìn)行“感知-認(rèn)知-模仿-創(chuàng)作”的過(guò)程，特別在基礎(chǔ)教育階段，多以視覺空間表象為基礎(chǔ)，而近年來(lái)，技能培訓(xùn)的重點(diǎn)從古典的“構(gòu)圖”逐漸過(guò)渡到空間的“構(gòu)成”，顧大慶[8]教授在香港中文大學(xué)建筑學(xué)院推行“空間與建構(gòu)”工作坊，將教學(xué)內(nèi)容分解為“要素、策略和空間”3大設(shè)計(jì)與分析模塊，將建筑空間的創(chuàng)作與認(rèn)知緊密相連。

傳統(tǒng)學(xué)習(xí)認(rèn)知在心理學(xué)領(lǐng)域?yàn)椤按碳?反應(yīng)”論，這個(gè)過(guò)程既是教師與學(xué)生之間的教與學(xué)，也是從感知到認(rèn)知的主動(dòng)建構(gòu)。知識(shí)結(jié)構(gòu)的形成，即空間的轉(zhuǎn)譯能力需要親身經(jīng)歷空間體驗(yàn)過(guò)程，才能在大腦中留下深刻印象，盡而輔助空間能力的內(nèi)化發(fā)展。所謂空間體驗(yàn)，即人在建筑空間中的親身經(jīng)歷，它是沿時(shí)間軸線所發(fā)生的知覺感受變化過(guò)程[9]。人在進(jìn)行空間體驗(yàn)時(shí)，其知覺變化大致分4個(gè)階段：直覺體驗(yàn)、聯(lián)覺體驗(yàn)、喚醒記憶、反思體驗(yàn)[10]，這個(gè)過(guò)程精煉的闡釋了人從進(jìn)入空間時(shí)的視覺信息輸入到五官聯(lián)覺，再到記憶觸發(fā)和反思，如圖1所示，進(jìn)一步印證了建筑學(xué)基礎(chǔ)教育中，學(xué)生對(duì)空間的理解來(lái)源于從感知到認(rèn)知的過(guò)程。

（三）空間認(rèn)知能力的評(píng)價(jià)要素

人們對(duì)空間認(rèn)知能力要素的判斷主要切入點(diǎn)為思維感知與空間視覺化，Mohler等[11]在“空間因素與定義表格”中以時(shí)間為軸線進(jìn)行了詳盡的整理，縱向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，空間認(rèn)知要素的發(fā)展從關(guān)注“推理”與“實(shí)踐”能力，到關(guān)注空間視覺化、空間關(guān)系、空間旋轉(zhuǎn)、空間定向及完形速度等，均無(wú)一例外地重視視覺與思維的聯(lián)系。

與普遍意義上對(duì)“折紙”、“圖形”和“立方體”[12]的認(rèn)知略有不同，建筑空間認(rèn)知更加關(guān)注物體“虛空”部分的特征，且被劃分為單體空間認(rèn)知和組合空間認(rèn)知[12]，

單體空間包括尺度、材質(zhì)、光影、圍合方式等要素，組合空間包括對(duì)比、形式、序列及情感變化等要素，與上文相同，都以人腦處理復(fù)雜空間圖形內(nèi)容的能力為評(píng)價(jià)標(biāo)志。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR，Virtual Reality）于1989年由美國(guó)VPL Research公司的Jaron Lanier首次提出，該技術(shù)采用以計(jì)算機(jī)為核心的現(xiàn)代高科技手段生成逼真的視覺、聽覺、觸覺等一體化虛擬環(huán)境，用戶借助特殊的輸入輸出設(shè)備，采用現(xiàn)實(shí)的方式與虛擬世界中的物體進(jìn)行交互，相互影響，從而產(chǎn)生親臨真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)[13]。

在《遠(yuǎn)距離開放教育詞典》中，虛擬現(xiàn)實(shí)亦稱虛擬教育，是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成具有逼真的視覺、聽覺、觸覺及嗅覺的模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，學(xué)生可與這一虛擬的現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行交互作用，作用的結(jié)果與學(xué)生在相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中的體驗(yàn)結(jié)果相似或相同。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是多媒體技術(shù)的重要應(yīng)用，它為發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)創(chuàng)造有利條件，在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)習(xí)者進(jìn)行探索、思考，即時(shí)做出反饋[14]。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

Burdea G、Philippe Coiffet等[15]于1994年提出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、構(gòu)想性（Imagination）3大特征，目前這一說(shuō)法被人們普遍接受，具體含義如下。

1.沉浸性

用戶以第一視角置于計(jì)算機(jī)設(shè)定的虛擬環(huán)境中，通過(guò)傳感設(shè)備獲取視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等多重感知，產(chǎn)生身臨其境之感。

2.交互性

用戶通過(guò)交互設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，主體動(dòng)作可以

實(shí)時(shí)反饋，較大程度上增加了沉浸感。

3.構(gòu)想性

用戶可在虛擬環(huán)境中模擬未執(zhí)行事件的多種可能性，對(duì)比各項(xiàng)結(jié)果后得出最佳執(zhí)行方案。

（三）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育的理論基礎(chǔ)

在教育實(shí)踐中，虛擬現(xiàn)實(shí)的研究目標(biāo)是呈現(xiàn)知識(shí)信息、輔助教學(xué)活動(dòng)，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程，以設(shè)計(jì)和優(yōu)化學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)習(xí)情境。黃奕宇[16]提出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的理論基礎(chǔ)，主要包括4個(gè)方面。

1.建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論

在教學(xué)過(guò)程中，除了知識(shí)的傳達(dá)，更注重學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)能力的培養(yǎng)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可在一定程度上提升學(xué)生獲取知識(shí)的主動(dòng)性，自主完成對(duì)新舊知識(shí)的整合與重組。

2.有效教學(xué)理論

有效教學(xué)研究由環(huán)境變量、過(guò)程變量和結(jié)果變量組成，構(gòu)成了其基本框架，通過(guò)一系列有效教育活動(dòng)使學(xué)生學(xué)習(xí)符合預(yù)期最佳效果[17]，有效教學(xué)理論強(qiáng)調(diào)師生互動(dòng)、學(xué)生合作、自主學(xué)習(xí)、及時(shí)反饋以及尊重學(xué)生差異等，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的自主性與交互性恰好符合這些要求。

3.情境認(rèn)知理論

情景認(rèn)知理論強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)學(xué)習(xí)與情景實(shí)踐相結(jié)合，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)擴(kuò)大了可用于教學(xué)的場(chǎng)景數(shù)量，能夠加快學(xué)生的主動(dòng)認(rèn)知與建構(gòu)進(jìn)程。

4.模擬思維方法

模擬思維方法分為物理模擬與數(shù)學(xué)模擬，虛擬現(xiàn)實(shí)可采用物理模擬方法，模擬無(wú)法簡(jiǎn)單創(chuàng)建的教學(xué)場(chǎng)景、重現(xiàn)稍縱即逝的自然現(xiàn)象、放大或縮小肉眼難以感知的結(jié)構(gòu)等。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域，多以場(chǎng)景模擬、情景認(rèn)知及主動(dòng)建構(gòu)為理論基礎(chǔ)，而建筑學(xué)作為以空間理論為基礎(chǔ)的實(shí)踐學(xué)科，存在理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐脫節(jié)問(wèn)題，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用將給建筑學(xué)教育帶來(lái)新的變革。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)（與仿真）技術(shù)在國(guó)家政策的大力推動(dòng)下逐漸走進(jìn)高校。

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑教育領(lǐng)域的應(yīng)用

自2013年教育部開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以來(lái)，共成立300多個(gè)虛擬教學(xué)中心，其中，建筑類主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、同濟(jì)大學(xué)建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、山東建筑大學(xué)建筑工程管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、華南理工大學(xué)數(shù)字建筑與城市虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等。

以教學(xué)中心為基礎(chǔ)，2018年起，教育部開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目征集工作，入選示范性項(xiàng)目名單的課題均側(cè)重知識(shí)點(diǎn)的碎片化與虛擬化、仿真模擬與實(shí)時(shí)交互，截至2020年6月，上傳到國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺(tái)（http：//www.ilab-x.com/）的建筑類實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共21個(gè)。

近年來(lái)，全國(guó)建筑院系建筑數(shù)字技術(shù)教學(xué)與研究學(xué)術(shù)研討會(huì)專門設(shè)有“虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用”板塊，各高校借助VR/AR技術(shù)進(jìn)行空間研究及教學(xué)實(shí)踐日趨豐富，其中，不乏空間認(rèn)知、案例分析、哲學(xué)思想、創(chuàng)作思維、建構(gòu)方式、教學(xué)評(píng)價(jià)等精彩論題。

綜上所述，從大型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)到課程教學(xué)改革，再到一節(jié)課的臨場(chǎng)實(shí)踐，虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)應(yīng)用研究受到教育界及建筑界的重視，正處于從基建到內(nèi)容的過(guò)渡期，因此，新技術(shù)為傳統(tǒng)建筑教育帶來(lái)怎樣的變革及成果將是重要議題。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)建筑空間認(rèn)知能力的提升及評(píng)估

由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展正逐漸走向輕量化，且在高校建筑相關(guān)專業(yè)教學(xué)中得到較為廣泛的應(yīng)用，但目前可檢索的文獻(xiàn)多側(cè)重于教學(xué)過(guò)程描述與技術(shù)路線分析，對(duì)教學(xué)成果的評(píng)判仍在探索中。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于建筑教學(xué)成果主要有：一是VR技術(shù)的直觀性、可體驗(yàn)性與交互性可幫助學(xué)生理解空間、強(qiáng)化思維訓(xùn)練，在方案形成和完善的各階段發(fā)揮一定效能，并彌補(bǔ)和提升傳統(tǒng)圖示的表達(dá)能力[18-19]; 二是VR技術(shù)的教學(xué)效果綜合評(píng)價(jià)可通過(guò)課前評(píng)測(cè)、課中表現(xiàn)、課下測(cè)驗(yàn)3分項(xiàng)的方式進(jìn)行[20];三是通過(guò)技術(shù)與建筑設(shè)計(jì)思維的關(guān)聯(lián)耦合度分析現(xiàn)有BIM+VR平臺(tái)系統(tǒng)在邏輯思維、形象思維、直覺思維和靈感思維這4種模式交互中的優(yōu)勢(shì)和不足[21];四是在完整有效的教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提取虛擬環(huán)境行為特征與空間認(rèn)知要素，通過(guò)主觀評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)分析與測(cè)試反饋對(duì)實(shí)時(shí)交互設(shè)計(jì)方法進(jìn)行有效性判斷[22]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育，將促使教育形態(tài)、教育環(huán)境、教學(xué)過(guò)程的基本要素及相互關(guān)系發(fā)生重大變化， 使教學(xué)過(guò)程中的教師、學(xué)生及媒體之間的關(guān)系形成新的架構(gòu)[23]。

綜上所述，由于虛擬現(xiàn)實(shí)在沉浸式空間體驗(yàn)與交互方面具備極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)學(xué)生的空間理解能力、三維識(shí)圖能力、設(shè)計(jì)思維訓(xùn)練以及成果表達(dá)等方面有所幫助，因此，

在低年級(jí)建筑學(xué)專業(yè)教學(xué)中，引入新技術(shù)對(duì)學(xué)生的空間認(rèn)知能力起到積極的正向作用。為論證該論斷的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性及正向效果，結(jié)合重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院建筑初步教學(xué)改革實(shí)踐，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式進(jìn)行驗(yàn)證研究。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在空間認(rèn)知過(guò)程中的作用探究

建筑初步是建筑學(xué)專業(yè)啟蒙課程，在教學(xué)內(nèi)容上，注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)建筑的形象認(rèn)識(shí)、感性體驗(yàn)、理性分析、創(chuàng)新運(yùn)用和清晰表達(dá)等能力，建筑空間認(rèn)知是該課程的重要教學(xué)內(nèi)容[24]。對(duì)未經(jīng)專業(yè)訓(xùn)練的學(xué)生來(lái)說(shuō)，如何認(rèn)識(shí)空間、理解空間，如何把思維概念變成三維空間概念，并完成空間生成是該課程的難點(diǎn)[9]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，重點(diǎn)觀察學(xué)生對(duì)單體建筑空間尺度的認(rèn)知，在課程學(xué)習(xí)的4個(gè)階段分別對(duì)被測(cè)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷測(cè)試，并與對(duì)照組形成對(duì)比，涵蓋評(píng)價(jià)要素不盡完整，在此僅作為部分試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參考討論。

（一）實(shí)驗(yàn)環(huán)境

1.硬件

教學(xué)實(shí)驗(yàn)完成于重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院 “虛擬現(xiàn)實(shí)夢(mèng)工廠”教學(xué)空間內(nèi)，教學(xué)設(shè)施配備完善，實(shí)驗(yàn)所需硬件主要有惠普高性能工作站、HTC Vive虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備以及Epson CH-TW6300投影設(shè)備等。

2.軟件

SketchUp：目前應(yīng)用較為普遍且簡(jiǎn)單高效的三維建模軟件，幫助學(xué)生快速表達(dá)空間設(shè)計(jì)成果;Mars：由光輝城市開發(fā)運(yùn)營(yíng)的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)3D模型到虛擬場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換與編輯。Steam：由Valve公司運(yùn)營(yíng)的全球最大的綜合性數(shù)字發(fā)行平臺(tái)，用以完成虛擬場(chǎng)景與虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備的對(duì)接。

（二）實(shí)驗(yàn)對(duì)象

教學(xué)實(shí)驗(yàn)的對(duì)象為重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院2017級(jí)建筑設(shè)計(jì)專業(yè)1班全體學(xué)生，對(duì)比組為同校同級(jí)同專業(yè)剩余班次中隨機(jī)抽取的同等人數(shù)，年齡段為17～19歲，均未接觸過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)軟交互設(shè)備。實(shí)驗(yàn)組27人，男生19名，女生8名;對(duì)比組27人，男生14名，女生13名，共采集54組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（三）實(shí)驗(yàn)流程

主要實(shí)驗(yàn)方法為問(wèn)卷調(diào)查法，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為4階段空間認(rèn)知測(cè)試，從知覺想象到平面手繪，再?gòu)娜S建模到VR沉浸式體驗(yàn)，分別從4個(gè)階段對(duì)實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的空間認(rèn)知能力變化進(jìn)行跟蹤測(cè)試與觀察，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)變化曲線，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的作用量化體現(xiàn)。

對(duì)比組學(xué)生由該校教師采用傳統(tǒng)方式授課，空間認(rèn)知過(guò)程主要包括平面手繪與小比例手工模型制作，與實(shí)驗(yàn)組相比，多了手工模型制作，缺少VR體驗(yàn)環(huán)節(jié)，僅在此次教學(xué)開始前與結(jié)束后進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，問(wèn)卷內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)組同。

第一步：請(qǐng)學(xué)生掃碼填寫問(wèn)卷，問(wèn)卷內(nèi)容如圖4所示，問(wèn)卷結(jié)果作為測(cè)試一統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

第二步：請(qǐng)學(xué)生在A4紙上按照1∶50的比例畫出一個(gè)滿足基本需求的書報(bào)亭平面圖、正立面圖、與立面圖垂直的剖面圖、軸測(cè)圖，標(biāo)注尺寸并自行排版。

第三步：對(duì)上一步的圖紙標(biāo)注內(nèi)容進(jìn)行整理填表，作為測(cè)試二的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

第四步：SketchUp軟件學(xué)習(xí)，并在教師的輔助下完成書報(bào)亭建模，注意尺寸正確。

第五步：對(duì)上一步的三維模型進(jìn)行尺寸及材質(zhì)整理填表，作為測(cè)試三的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

第六步：Mars軟件及VR交互設(shè)備學(xué)習(xí)，并在教師的輔助下完成三維模型到VR場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換，進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)。體驗(yàn)過(guò)程中至少包含以下動(dòng)作： 1）站在書報(bào)亭內(nèi)部，利用VR測(cè)距功能對(duì)建筑面寬、進(jìn)深及凈高進(jìn)行尺寸測(cè)量; 2）對(duì)墻面開窗面積及室內(nèi)面積進(jìn)行測(cè)量; 3）調(diào)節(jié)時(shí)間滑塊，觀察書報(bào)亭內(nèi)24 h的采光變化情況。

第七步：再次掃碼填寫問(wèn)卷，問(wèn)卷結(jié)果作為測(cè)試四統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

（四）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

教學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行橫向與縱向比較：首先，分別從面寬、進(jìn)深、凈高、開窗面積、窗地比等維度分別進(jìn)行4個(gè)階段的數(shù)據(jù)對(duì)比，觀察分析VR介入教學(xué)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)組學(xué)生對(duì)空間尺度的認(rèn)知變化曲線;然后，將實(shí)驗(yàn)組與對(duì)比組的最后一次問(wèn)卷（測(cè)試四）數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，形成VR介入教學(xué)與未介入的橫向?qū)Ρ取纳鲜鰞蓚€(gè)角度分析虛擬現(xiàn)實(shí)作為一種新型教學(xué)手段為低年級(jí)學(xué)生的空間認(rèn)知能力帶來(lái)的影響。

經(jīng)實(shí)地調(diào)研，重慶市渝中區(qū)及南岸區(qū)部分書報(bào)亭各項(xiàng)尺度范圍參考數(shù)據(jù)如下：面寬2 000～4 000 mm，進(jìn)深2 000～3 000 mm，凈高2 000～3 000 mm，開窗面積1～3 ，窗地比0.3～0.7。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)核查過(guò)程中，部分結(jié)果出現(xiàn)缺失及異常，原因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)過(guò)程中學(xué)生操作失誤，故未將無(wú)效數(shù)據(jù)展現(xiàn)在圖表中。

1. “面寬”4階段問(wèn)卷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

如圖8所示，測(cè)試四折線波動(dòng)最為平緩，說(shuō)明經(jīng)過(guò)VR體驗(yàn)式教學(xué)之后實(shí)驗(yàn)組個(gè)體差異最小;如圖9所示，測(cè)試4柱形圖大致呈正態(tài)分布，數(shù)據(jù)集中在合理范圍（2 000～4 000 mm）內(nèi)，與其他3組測(cè)試相比，人數(shù)占比分別增長(zhǎng)了18.5%、28.2%、42.3%。

2. “進(jìn)深”4階段問(wèn)卷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖10～圖11與圖8～圖9結(jié)論相似，測(cè)試4折線波動(dòng)最緩，表明經(jīng)過(guò)VR體驗(yàn)式教學(xué)之后，實(shí)驗(yàn)組個(gè)體差異最小;4次測(cè)試結(jié)果均未產(chǎn)生正態(tài)分布結(jié)果，但測(cè)試四在合理范圍（2 000～3 000 mm）內(nèi)占比最高，與其他三組測(cè)試相比，人數(shù)占比分別增長(zhǎng)了16.4%、12.9%、24.4%。

3.“凈高”4階段問(wèn)卷數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

如圖12～圖13所示，測(cè)試四折線波動(dòng)最為平緩，表明經(jīng)過(guò)VR體驗(yàn)式教學(xué)后，實(shí)驗(yàn)組個(gè)體差異最小;且測(cè)試四柱形圖大致呈正態(tài)分布，集中在合理范圍（2 000～3 000 mm）內(nèi)的數(shù)據(jù)占比高達(dá)74%，與其他3組測(cè)試相比，人數(shù)占比分別增長(zhǎng)了30%、68.7%、42%。

4. “開窗面積”4階段問(wèn)卷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

如圖14～圖15所示，由于對(duì)開窗面積常識(shí)判斷不足，導(dǎo)致測(cè)試一結(jié)果波動(dòng)較大，圖表縱軸被壓縮，因此，其他3次測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)不明顯，但仍然可以看出測(cè)試四折線更加平穩(wěn)，且測(cè)試四數(shù)據(jù)均分布在0～10 范圍內(nèi)，相對(duì)合理;圖15柱狀圖中，測(cè)試四結(jié)果分布在合理范圍（1～3 ）內(nèi)的人數(shù)占比48.1%，與其他3組測(cè)試相比，人數(shù)占比分別增長(zhǎng)了11.2%、23.1%、28.1%。

5.窗地比4階段問(wèn)卷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

如圖16～圖17所示，從折線圖來(lái)看，4次測(cè)試結(jié)果波動(dòng)程度相仿，無(wú)明顯變化，且數(shù)據(jù)分布區(qū)間無(wú)明顯特征，表明學(xué)生對(duì)窗地比的理解與認(rèn)知受教學(xué)手段影響較小。同時(shí)，低年級(jí)學(xué)生對(duì)窗地比概念了解不足，測(cè)試一數(shù)據(jù)量偏少，因此，圖表未能反映有價(jià)值的結(jié)論。

6.實(shí)驗(yàn)組與對(duì)比組測(cè)試4數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ?/p>

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，測(cè)試四中實(shí)驗(yàn)組與對(duì)比組問(wèn)卷結(jié)果分布如圖18所示，從箱型圖覆蓋范圍可得，兩組學(xué)生對(duì)“面寬”、“進(jìn)深”與“凈高”3項(xiàng)最終認(rèn)知均主要分布在1 200～3 000 mm區(qū)間內(nèi)，結(jié)論普遍合理，整體差異不明顯;對(duì)比各項(xiàng)均值，如表1所示，實(shí)驗(yàn)組相較對(duì)比組高296.3～462.9 mm，表明經(jīng)過(guò)VR體驗(yàn)的學(xué)生對(duì)合理空間尺度的認(rèn)知不僅停留在滿足人體基本需求，更加注重視覺舒適與空間體驗(yàn)感。

開窗面積與窗地比數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分布區(qū)別不明顯，但各項(xiàng)均值存在一定差異，實(shí)驗(yàn)組開窗面積均值為3.5 ，對(duì)比組為6.1 ，實(shí)驗(yàn)組均值更接近開窗面積合理范圍（1～3 ）;實(shí)驗(yàn)組窗地比均值為0.57，對(duì)比組為0.67，差異不明顯，與“窗地比4階段問(wèn)卷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)”結(jié)論一致。

7. 綜合分析與討論

綜上分析，VR介入建筑學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)，對(duì)學(xué)生的建筑空間尺度認(rèn)知能力提升較明顯，對(duì)窗地比的理解變化則表現(xiàn)出局限性;另外，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生對(duì)空間尺度的認(rèn)知更加關(guān)注體驗(yàn)感，表明視覺表征與空間思維的關(guān)系也受教學(xué)手段的影響。

因?qū)嶒?yàn)條件受限等因素，實(shí)驗(yàn)仍存在以下不足：一是實(shí)驗(yàn)組手繪階段（測(cè)試二）及建模階段（測(cè)試三）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不完整，造成數(shù)據(jù)缺失或無(wú)效數(shù)據(jù)偏多;二是實(shí)驗(yàn)組相較對(duì)比組，學(xué)生多兩次中間階段問(wèn)卷調(diào)查，可能造成反復(fù)的心理暗示，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，未能做到完全控制變量;三是兩組學(xué)生男女比例不同，建筑學(xué)基礎(chǔ)教育應(yīng)做到無(wú)差別教學(xué)，因此，實(shí)驗(yàn)未關(guān)注性別對(duì)結(jié)果的影響。

五、結(jié)語(yǔ)

教學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借其沉浸式體驗(yàn)與交互的特點(diǎn)，可對(duì)低年級(jí)學(xué)生的空間尺度認(rèn)知能力提升11.2%～68.7%，而作為一種新型教學(xué)手段，其對(duì)空間認(rèn)知能力其他要素的影響情況仍然有待探究。將虛擬現(xiàn)實(shí)作為技術(shù)手段介入建筑學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)，可以從更為直接的角度影響學(xué)生對(duì)空間的認(rèn)知方式，提高空間認(rèn)知能力，并培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)的意識(shí)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑教育領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于起步階段，基于VR技術(shù)的建筑學(xué)專業(yè)課程教學(xué)模式還有待進(jìn)一步推廣和完善，對(duì)新興技術(shù)持開放態(tài)度并積極實(shí)踐，充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及在傳統(tǒng)教學(xué)手段之外的輔助作用，進(jìn)而推動(dòng)建筑專業(yè)與行業(yè)的發(fā)展。參考文獻(xiàn)：

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Application of virtual reality in architectural space cognition

GUAN Huiqing1a，1b， XU Jingfeng1a，1b， GONG Chengjin1c，2， GAO Lu3

（1. a. School of Architecture and Urban Planning; b. Key Laboratory of New Technology for

Construction of Cities in Mountain Area;

c. School of Economics and Business Administration， Chongqing University，

Chongqing 400030， P. R. China;

2. Sheencity（Chongqing） Technology Co.， Ltd.， Chongqing 400043， P. R. China;

3. Department of Architecture and Art， Chongqing Jianzhu College， Chongqing 400072， P. R. China）

Abstract：

Virtual reality technology in such aspects as spatial cognition and design thinking training has unique advantages and spatial cognitive ability is an important index of the basic education of architecture. At present， the cases of application virtual reality technology in architectural education mainly focus on the description of teaching process and analysis of technical process， while the evaluation of teaching results still needs further verification. This paper expounds the basic definition， formation and evaluation factors of space cognitive ability， and extracts the space scale cognitive factors. It also takes virtual reality technology as part of the teaching method into teaching reform， and makes a quantitative analysis on the improvement of junior students spatial cognitive ability in the form of a questionnaire. The results show that， after the intervention of virtual reality in the teaching process， students cognitive ability of building spatial scale has increased by 11.2 percent to 68.7 percent， while the understanding of the windowing scale has showed limitations. In addition， students who have been taught by virtual reality pay more attention to space experience， indicating that the way of spatial thinking is influenced by teaching methods， and virtual reality makes the relationship between visual representation and spatial thinking more close.

Key words： virtual reality; architectural education; spatial cognition

（責(zé)任編輯 鄧 云）

修回日期：2020-05-25

作者簡(jiǎn)介：

官慧卿（1993—），女，重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院碩士研究生，主要從事建筑設(shè)計(jì)及其理論研究，（E-mail）418437310@qq.com;（通訊作者）許景峰（1980—），男，重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事建筑技術(shù)研究與設(shè)計(jì)，（E-mail）151431437@qq.com。