淺談虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中國(guó)古建筑教育中的應(yīng)用

閆冬

摘要：近年來(lái)，伴隨著日益發(fā)展的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，與此同時(shí)在實(shí)際當(dāng)中的教育領(lǐng)域也開(kāi)始逐漸引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。為了優(yōu)化教學(xué)模式，促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)改革，本文是建立在實(shí)現(xiàn)佛光寺斗拱文化實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的基礎(chǔ)之上引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。針對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)所體現(xiàn)出來(lái)的沉浸感、交互性優(yōu)秀的特征，從而在此基礎(chǔ)上搭建了了一個(gè)交互式仿真環(huán)境。建筑專業(yè)的學(xué)生通過(guò)親自參與到實(shí)際的的搭建斗拱過(guò)程當(dāng)中。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式大相徑庭，斗拱實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件存在的優(yōu)勢(shì)就是能夠有效激發(fā)學(xué)生更大的學(xué)習(xí)興趣和知識(shí)保留能力，從而彰顯了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在古建筑教育領(lǐng)域的有效性，。

關(guān)鍵詞;虛擬技術(shù);中國(guó)古建筑;教育;應(yīng)用

引言

中國(guó)古代建筑的構(gòu)成形式主要是通過(guò)木、磚、瓦為主要建筑材料，木框架結(jié)構(gòu)為主要結(jié)構(gòu)形式。古建筑作為文化精神的載體。中國(guó)古代建筑的實(shí)際特征就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，改造難度大，為此與之對(duì)應(yīng)的課程的開(kāi)發(fā)也表現(xiàn)得十分困難。斗拱類型紛繁復(fù)雜，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新技術(shù)，是教育領(lǐng)域的一種新型教育模式。這種新技術(shù)和媒體的使用方式意味著提高教學(xué)效果，這是教育研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。建立在中國(guó)傳統(tǒng)建筑技術(shù)的知識(shí)基礎(chǔ)之上，虛擬仿真軟件的目的就在于恢復(fù)斗拱過(guò)程。對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)模式，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)高度回歸環(huán)境真實(shí)度，同時(shí)可視化程度高，并允許學(xué)生手工搭建斗拱。全新的教學(xué)方式促進(jìn)了學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣，而且可以降低實(shí)踐和工程的成本。同時(shí)，也是將新的教育技術(shù)應(yīng)用于古建筑教育領(lǐng)域的一次嘗試。研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有效應(yīng)用與教育中可以促進(jìn)未來(lái)的教育模式的優(yōu)化和完善。河北水電學(xué)校開(kāi)發(fā)了河流水電站虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，讓學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)踐，解決了學(xué)生無(wú)法動(dòng)態(tài)觀察節(jié)水和水能結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，如水源保護(hù)中心、大壩和發(fā)電廠等，從多個(gè)角度來(lái)看，并不能自動(dòng)參與發(fā)電廠的工作、安裝和維護(hù)，這是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的有效應(yīng)用。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)方法的結(jié)合

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬仿真平臺(tái)的集成

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)科與信息技術(shù)深度融合形成了虛擬仿真技術(shù)。它利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬實(shí)際的物理系統(tǒng)，解決學(xué)習(xí)過(guò)程中時(shí)間、空間、勞動(dòng)和物理的限制。在構(gòu)建模擬虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)和高質(zhì)量的資源交流等方面，各高校進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐。對(duì)于模擬實(shí)驗(yàn)的類型，有較多的演示實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，但很少有真正的交互實(shí)驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特點(diǎn)是虛擬現(xiàn)實(shí)與現(xiàn)實(shí)的交互。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成到虛擬模擬器中，可以增加交互，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)與虛擬現(xiàn)實(shí)的互補(bǔ)和結(jié)合。例如，北京交通大學(xué)建立了虛擬土地工程模擬實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)發(fā)了隧道+米典型建造方法的虛擬現(xiàn)實(shí)模塊，以及公路和鐵路實(shí)踐場(chǎng)地的虛擬現(xiàn)實(shí)模塊，世衛(wèi)組織是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬平臺(tái)或仿真集成的典型代表。

2、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是多媒體教學(xué)的輔助手段

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)方法已經(jīng)成熟，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)際的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為具有沉浸感強(qiáng)、趣味性強(qiáng)、交互性強(qiáng)。這對(duì)激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣是大有裨益的，提高教學(xué)質(zhì)量和效果。例如，除了顯示文本和圖片等傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容外，最有希望的方向是使用BIM技術(shù)作為多媒體教育的媒介。核心在于利用創(chuàng)建虛擬建筑的三維模型并使用數(shù)字技術(shù)作為模型，創(chuàng)建一個(gè)完整的建筑工程信息數(shù)據(jù)庫(kù)。在教學(xué)BIM軟件時(shí)，建筑學(xué)學(xué)生可以引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提高可視化程度和三維建筑設(shè)計(jì)感，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果。例如，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了土地工程Bim和VR仿真系統(tǒng)，將Bim和VR技術(shù)引入土地工程教學(xué)，通過(guò)VR技術(shù)的互動(dòng)體驗(yàn)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力解決了新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合，節(jié)約了教育資源。

二、斗拱體驗(yàn)式虛擬現(xiàn)實(shí)軟件教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

在中國(guó)古代建筑教學(xué)中，虛擬現(xiàn)實(shí)在古建筑教學(xué)中的應(yīng)用很少。因此，設(shè)計(jì)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)軟件來(lái)恢復(fù)斗拱過(guò)程，進(jìn)行斗拱學(xué)習(xí)。從設(shè)計(jì)教育鏈接和實(shí)驗(yàn)流程開(kāi)始，虛擬現(xiàn)實(shí)軟件不同于傳統(tǒng)桌面軟件，針對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)展開(kāi)設(shè)計(jì)。使用UE4引擎作為一個(gè)平臺(tái)，構(gòu)建逼真的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境。

1、初步設(shè)計(jì)要素

教學(xué)目的：促進(jìn)學(xué)生領(lǐng)悟中國(guó)古代建筑的魅力，了解建造斗拱的過(guò)程，

學(xué)習(xí)者特征：當(dāng)建筑專家研究古代建筑時(shí)，由于其復(fù)雜性，他們往往對(duì)科學(xué)缺乏興趣。學(xué)生們對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更感興趣。在虛擬環(huán)境中，學(xué)生會(huì)感到創(chuàng)新。添加虛擬現(xiàn)實(shí)交互功能將使學(xué)生對(duì)知識(shí)有更深的記憶。

應(yīng)用：引導(dǎo)學(xué)生熟悉斗拱的結(jié)構(gòu)，鞏固相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新的教學(xué)方法，它對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)備也有很高的要求。教師或其他學(xué)生必須引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)者使用設(shè)備。

2、開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)內(nèi)容

該軟件主要關(guān)注東方佛光寺的斗拱。它是作為重要的唐代建筑。斗拱作為學(xué)生學(xué)習(xí)古建筑的核心內(nèi)容之一。為了讓學(xué)生更容易理解設(shè)計(jì)過(guò)程以及組件的形式和功能，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)補(bǔ)充文本、照片和電影等顯示方式，提供全方位的潛水功能，虛擬現(xiàn)實(shí)的互動(dòng)和想象，讓學(xué)生參與斗功的建設(shè)。佛光斗拱寺的一部分被分隔并放置在一個(gè)特殊區(qū)域。學(xué)生在該區(qū)域?qū)W習(xí)制作斗拱，并熟悉斗拱的實(shí)際的創(chuàng)建的過(guò)程以及每個(gè)組件所表現(xiàn)出來(lái)的形狀和功能。該軟件還提供佛光寺東殿的漫游功能。學(xué)生可以進(jìn)入佛光寺東殿的虛擬場(chǎng)景，熟悉佛光寺的總體布局，了解斗功在佛光寺東殿中的地位和作用。

三、基于虛擬現(xiàn)實(shí)的課程設(shè)計(jì)策略

該軟件是在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，并使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)模擬學(xué)習(xí)環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)。體驗(yàn)是學(xué)習(xí)者通過(guò)對(duì)特定事物或過(guò)程的實(shí)際或虛擬體驗(yàn)和反思，獲得知識(shí)、發(fā)展能力并產(chǎn)生情感的一種學(xué)習(xí)方法。

1、正確真實(shí)性和抽象性原則

極大的強(qiáng)烈的沉浸感就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為用戶所帶來(lái)的極佳的體驗(yàn)，為此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的逼真度要求就很高了。與此同時(shí)我們應(yīng)該明確其環(huán)境渲染和模型要求都是很高的。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是其可以擁有真實(shí)環(huán)境中無(wú)法進(jìn)行的功能，允許一個(gè)人構(gòu)建斗拱。在斗拱階段，將用戶安放在高度模擬的環(huán)境中，從根本上使得用戶的沉浸感大大提升。通過(guò)指定的比例對(duì)斗拱構(gòu)件進(jìn)行減少，在實(shí)際的施工環(huán)節(jié)中需要注意的是中針對(duì)已建部分進(jìn)行拖放和旋轉(zhuǎn)，即可現(xiàn)場(chǎng)施工。

2易操作

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以有效促進(jìn)科學(xué)環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界分離，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器與虛擬環(huán)境中的周圍對(duì)象進(jìn)行交互。不合理的互動(dòng)設(shè)計(jì)容易給學(xué)生帶來(lái)大問(wèn)題。學(xué)生不知道如何在虛擬空間中改變場(chǎng)景，這影響了他們對(duì)科學(xué)的興趣和熱情。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，應(yīng)采用最常用的操作模式，并向服務(wù)密鑰添加反饋。在bucket construction line中，用戶的移動(dòng)將受到限制，并且將添加學(xué)習(xí)過(guò)程，以便用戶使用圖標(biāo)和文本信息熟悉虛擬環(huán)境操作。

3、短期使用原則

由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的局限性，用戶會(huì)在虛擬封閉的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間體驗(yàn)、觀察和操作，包括大腦、手和身體的運(yùn)動(dòng)，會(huì)引起一些頭暈和不適感。學(xué)習(xí)內(nèi)容不要太復(fù)雜，在創(chuàng)建過(guò)程中，當(dāng)學(xué)生遇到不確定的步驟時(shí)，可以隨時(shí)看到命令，以便于學(xué)生進(jìn)行控制。

結(jié)語(yǔ)：

設(shè)計(jì)并設(shè)計(jì)了佛光寺斗拱實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，用于中國(guó)古代建筑教育，通過(guò)構(gòu)建了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性和深刻的科學(xué)環(huán)境。以廣泛的桶形拱和復(fù)雜的步驟和細(xì)節(jié)為重點(diǎn)，設(shè)計(jì)了高度簡(jiǎn)化的桶形拱的交互過(guò)程，從而可以在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中再現(xiàn)中國(guó)古代建筑元素桶形拱。在下一階段，該軟件將用于一般建筑，以實(shí)現(xiàn)具有更多功能和角度的交互式項(xiàng)目，這些評(píng)估系統(tǒng)集旨在支持教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展和結(jié)果評(píng)估，因此，該軟件對(duì)建筑系的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了高水平的集成模擬。

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