基于VR的虛擬仿真實(shí)驗(yàn) 教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與探索

李建 張杰

摘? ?要：由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3I特征，使得基于VR的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠呈現(xiàn)高度仿真的三維虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生在三維虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，有利于實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，有利于培養(yǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)類專業(yè)學(xué)生的空間感知、思維和想象能力。文章結(jié)合申報(bào)制作的“景觀視覺空間分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”，闡述了項(xiàng)目設(shè)計(jì)的思想和必要性，詳細(xì)介紹了項(xiàng)目的相關(guān)理論、實(shí)現(xiàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法，探討了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程和教學(xué)方法，并對(duì)現(xiàn)有技術(shù)條件下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困境及對(duì)策進(jìn)行了研究分析。

關(guān)鍵詞：VR;視覺空間;金課;虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G434;TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-8454（2021）22-0042-07

一、引言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容之一。2017年發(fā)布的《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》[1]和2018年發(fā)布的《教育部關(guān)于開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》[2]等文件均對(duì)項(xiàng)目建設(shè)提出明確要求，并于2019年在《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》[3]中將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)定為今后重點(diǎn)建設(shè)的一流本科課程，即5類“金課”之一。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是伴隨計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、傳感技術(shù)和人機(jī)接口等技術(shù)快速發(fā)展起來的新一代信息技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，生成在視、聽、觸感等方面與真實(shí)環(huán)境近似的數(shù)字化環(huán)境。其具有3I特征：既沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）。它是人類在探索自然的過程中創(chuàng)造產(chǎn)生、逐步形成的一種用于認(rèn)識(shí)自然、模擬自然，進(jìn)而更好地適應(yīng)和利用自然的科學(xué)方法和技術(shù)。使用者借助必要的設(shè)備進(jìn)行交互操作，可獲得身臨其境的體驗(yàn)和感受[4]。

為實(shí)現(xiàn)有關(guān)目標(biāo)和要求，我們組成了由藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院、計(jì)算機(jī)學(xué)院、土木工程學(xué)院師生，以及省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院和一些公司的企業(yè)工程師為成員的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)。采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、企業(yè)協(xié)同的方式，充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)中不同學(xué)院師生的專業(yè)優(yōu)勢(shì)和特長(zhǎng)，設(shè)計(jì)制作了基于VR的“景觀視覺空間分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”并獲得立項(xiàng)。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)與制作中，依據(jù)上述文件精神和教育部“金課”的“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)，堅(jiān)持問題導(dǎo)向和需求導(dǎo)向，力求體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和形式的先進(jìn)性和互動(dòng)性，使教學(xué)過程具有探究性和個(gè)性化[3]，從而培養(yǎng)了學(xué)生良好的三維空間視覺分析能力、空間思維能力及景觀設(shè)計(jì)中解決復(fù)雜問題的綜合能力。

二、文獻(xiàn)綜述觀點(diǎn)

2000年以來，國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在實(shí)踐和探索基于VR的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，這些研究揭示了VR在促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)上的巨大優(yōu)勢(shì)及不足。如哈佛大學(xué)的River City、北卡羅萊納州立大學(xué)的Wolf Den[5]和林登實(shí)驗(yàn)室的 Second Life 項(xiàng)目等[6]。美國(guó)的Jungwoo等創(chuàng)設(shè)了一個(gè)與信息安全課程相關(guān)的游戲化三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，來幫助提高他們的學(xué)習(xí)效果[7]。

我國(guó)學(xué)者李小平等從用戶、技術(shù)、資源及服務(wù)四個(gè)維度構(gòu)建了AR/VR學(xué)習(xí)情境設(shè)計(jì)模型，分析了AR/VR學(xué)習(xí)情境中學(xué)習(xí)懸念和學(xué)習(xí)交互的設(shè)計(jì)方法，并在實(shí)踐的基礎(chǔ)上提出了學(xué)習(xí)體驗(yàn)評(píng)價(jià)的實(shí)現(xiàn)方法[8]。彭建磊將任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法引入到三維虛擬環(huán)境的教學(xué)當(dāng)中，構(gòu)建了三維虛擬環(huán)境中基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)活動(dòng)模型[9]。鐘正、陳衛(wèi)東提出了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)策略，探討了體驗(yàn)式學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)原則、要素、交互設(shè)計(jì)等[10]。

周榕、李世瑾的研究表明，VR 技術(shù)對(duì)多個(gè)學(xué)科的學(xué)習(xí)成效都有積極的影響，VR 技術(shù)通過個(gè)體與知識(shí)、情境的動(dòng)態(tài)交互，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)的構(gòu)建和遷移[11]。丁楠、汪亞珉等對(duì)基于VR技術(shù)的教學(xué)項(xiàng)目研究發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的學(xué)習(xí)體驗(yàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)具有較大的促進(jìn)與輔助作用。在VR技術(shù)支持下的教學(xué)活動(dòng)對(duì)于學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)參與度有顯著的正向影響[12]。對(duì)于景觀設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生視覺空間分析能力方面，VR技術(shù)的3I特征可以極大地提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)機(jī)，增強(qiáng)原有教學(xué)方式的教學(xué)效果[13]。

2000年以來的相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)基于VR的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本理論和教學(xué)方法進(jìn)行了較為充分的研究和探索。然而，對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，以及現(xiàn)有技術(shù)條件下基于VR的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題和對(duì)策探討的較少。

三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)的必要性

視覺是人類最主要的感官之一。一個(gè)觀者的視覺反應(yīng)，是評(píng)價(jià)景觀和審美價(jià)值質(zhì)量與視覺效果最為直接的媒介。在很大程度上，視覺設(shè)計(jì)的重要作用，就是抓住人們的眼球，從心靈上引領(lǐng)人們的審美方向[14]。人在復(fù)雜的空間中，需要對(duì)自身所處的空間定位，即空間的方位、結(jié)構(gòu)和含義，從而獲得心理上的安全感和歸屬感。因此，人與環(huán)境之間的精神認(rèn)知和交互影響，成為現(xiàn)代景觀設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì)和未來發(fā)展方向。對(duì)于環(huán)境設(shè)計(jì)類專業(yè)來說，空間思維能力、感知能力和想象能力的強(qiáng)弱，將對(duì)學(xué)生的創(chuàng)作能力及專業(yè)發(fā)展水平有較大影響[15]。

環(huán)境設(shè)計(jì)通常需要對(duì)不同的綠地類型與不同尺度的城鄉(xiāng)空間進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)分析，具有實(shí)際運(yùn)行困難，涉及高危和極端環(huán)境、高風(fēng)險(xiǎn)、高消耗等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)決定了在真實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中進(jìn)行景觀設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)的風(fēng)險(xiǎn)性、局限性和不可實(shí)現(xiàn)性，這使得虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)和應(yīng)用成為設(shè)計(jì)專業(yè)人才培養(yǎng)的一種重要手段?；赩R的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，通過構(gòu)建逼真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，使學(xué)生在自主、開放、交互的虛擬環(huán)境中開展經(jīng)濟(jì)、安全的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果，具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所無法比擬的優(yōu)勢(shì)[16]。

四、基本理論與項(xiàng)目規(guī)劃

依據(jù)有關(guān)教學(xué)理論及景觀設(shè)計(jì)原則，我們首先明確，本仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目主要是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)、智能控制技術(shù)等，進(jìn)行三維立體的展示與分析，以輔助景觀設(shè)計(jì)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)類專業(yè)的教學(xué)和科研工作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)實(shí)時(shí)交互的體驗(yàn)式教學(xué)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，滿足學(xué)校的教學(xué)、科研及產(chǎn)學(xué)研合作的需求。

項(xiàng)目所涉及的空間是指物理空間，由基面和三維邊界組成，因此項(xiàng)目要考慮視域的開敞性（水平方向）及視線的連續(xù)性（垂直方向）[17]。其主要包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：①認(rèn)知各種類型和尺度的景觀視覺空間，包括：空間的類型、界面以及景觀視覺空間界面、建筑空間界面和空間形式屬性等。②掌握靜態(tài)視線的構(gòu)成：視點(diǎn)、視距和視域;通過視點(diǎn)分析、視距分析和視域分析，掌握景觀靜態(tài)視線分析方法。③掌握動(dòng)態(tài)視線的構(gòu)成：站點(diǎn)、景面和路徑;通過路徑間距分析和路徑通透性分析，掌握景觀動(dòng)態(tài)視線分析方法。④掌握景觀視覺空間中的視覺影響定量評(píng)價(jià)方法。⑤根據(jù)景觀空間的視覺化設(shè)計(jì)仿真和景觀空間的視覺秩序仿真，不斷強(qiáng)化景觀中視覺空間的設(shè)計(jì)實(shí)踐與應(yīng)用。

其實(shí)驗(yàn)原理涵蓋的知識(shí)點(diǎn)有以下三大類12個(gè)：

一是空間設(shè)計(jì)尺度控制原理，包括4個(gè)知識(shí)點(diǎn)：千尺為勢(shì)，百尺為形;拓?fù)渫瑯?gòu)關(guān)系;空間句法;蘆原義信的外部空間設(shè)計(jì)理論。

二是景觀視覺空間認(rèn)知仿真實(shí)驗(yàn)原理，包括以下4個(gè)知識(shí)點(diǎn)：認(rèn)知景觀視覺空間類型;認(rèn)知建筑空間界面;認(rèn)知景觀視覺空間界面;認(rèn)知景觀視覺空間形式屬性。如圖1所示。

三是景觀視覺空間分析仿真實(shí)驗(yàn)原理，包括以下4個(gè)知識(shí)點(diǎn)：視點(diǎn)設(shè)置、設(shè)定并測(cè)定視距、視域;視覺景觀容量測(cè)定及視覺敏感度的評(píng)價(jià);動(dòng)態(tài)視線的分析;視覺化設(shè)計(jì)和視覺秩序的綜合評(píng)價(jià)。如圖2所示。

五、項(xiàng)目開發(fā)流程及技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1.項(xiàng)目開發(fā)流程

我們將其分為四個(gè)部分：選題、溝通和形成方案、項(xiàng)目開發(fā)與測(cè)試、項(xiàng)目成品。每一步都環(huán)環(huán)相扣、相輔相成。

（1）選題主要依據(jù)是否具有專業(yè)特色，是否有較好的推廣價(jià)值及應(yīng)用案例，特別是要堅(jiān)持“能實(shí)不虛”的原則以及是否符合“三高一類”的要求，即高成本、高難度、高危險(xiǎn)和現(xiàn)實(shí)不可及。在某個(gè)專業(yè)課程中，一般可以依據(jù)教學(xué)大綱和實(shí)訓(xùn)計(jì)劃，選取部分滿足上述原則的知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

（2）在溝通和形成方案環(huán)節(jié)，先由專業(yè)課教師給出項(xiàng)目整體構(gòu)思與功能需求，然后由團(tuán)隊(duì)成員研討給出初步的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目制作關(guān)鍵點(diǎn)的解決方案，然后不斷細(xì)化腳本方案，由技術(shù)人員制作出基本的DEMO，再進(jìn)行反復(fù)推敲完善修改腳本和實(shí)驗(yàn)方案，推出初步的項(xiàng)目成品。

（3）在測(cè)試環(huán)節(jié)，技術(shù)人員對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行全方位、立體化測(cè)試，包括Bug、穩(wěn)定性、加載時(shí)長(zhǎng)、服務(wù)器負(fù)載性能、并發(fā)數(shù)測(cè)試等。然后根據(jù)需求進(jìn)行校內(nèi)校外部署，組織公網(wǎng)、教育網(wǎng)分別進(jìn)行測(cè)試。

（4）最后根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和修正，形成項(xiàng)目成品。

2.景觀視覺分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作過程設(shè)計(jì)

首先，使學(xué)生通過學(xué)習(xí)視點(diǎn)、視距、視域、景觀容量、視覺敏感度等相關(guān)知識(shí)，了解實(shí)驗(yàn)所需要的理論工具及其所包含的支撐理論。其次，在實(shí)驗(yàn)過程中，通過對(duì)虛擬場(chǎng)地進(jìn)行線上視點(diǎn)的設(shè)置并測(cè)定其視距和視域，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)手段對(duì)場(chǎng)地所產(chǎn)生的景觀感受，即視覺景觀容量和視覺敏感度進(jìn)行標(biāo)記，并構(gòu)建滿足相關(guān)規(guī)范的景觀場(chǎng)景，然后總結(jié)和驗(yàn)證。最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，基于前期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)原理，為視覺化設(shè)計(jì)和視覺秩序的綜合評(píng)價(jià)提供重要的實(shí)證論據(jù)和評(píng)價(jià)。

實(shí)驗(yàn)前學(xué)生可以通過網(wǎng)站或手機(jī)App預(yù)約或登錄，在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作手冊(cè)和實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)視頻后進(jìn)行VR實(shí)驗(yàn)操作，然后完成相應(yīng)習(xí)題。具體操作步驟和實(shí)驗(yàn)選項(xiàng)如表1所示。

3.項(xiàng)目的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

仿真實(shí)驗(yàn)首先由3Ds Max、SU等軟件建立三維模型，再使用UE4、Mars等軟件進(jìn)行場(chǎng)景編輯和制作。實(shí)驗(yàn)過程可以方便地生成多種不同的時(shí)空?qǐng)鼍埃粉櫲烀恳粫r(shí)刻光線變化情況，并生成全景圖及實(shí)驗(yàn)過程記錄視頻。其操作界面如圖3所示。

Mars是一款基于UE4引擎的VR設(shè)計(jì)制作軟件，使設(shè)計(jì)師能夠在三維可視化環(huán)境下，快速設(shè)計(jì)并生成VR場(chǎng)景，讓方案能夠被沉浸式地體驗(yàn)和推敲，并實(shí)時(shí)渲染出動(dòng)畫和效果。Mars可直接對(duì)接設(shè)計(jì)師常用的3Ds Max、CINEMA 4D、Sketchup等軟件，使設(shè)計(jì)師快速地布局和設(shè)計(jì)出虛擬的場(chǎng)景和空間，以趨于真實(shí)的視角體驗(yàn)場(chǎng)景的尺度、光影和材質(zhì)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們通過VR頭盔等交互式設(shè)備，便可以身臨其境地走進(jìn)自己設(shè)計(jì)的建筑及環(huán)境空間中，直觀地體會(huì)到空間尺度和效果。系統(tǒng)的物理引擎能夠模仿出現(xiàn)實(shí)世界的光影環(huán)境、材質(zhì)細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)逼真的時(shí)空變化和天氣變化的模擬。體驗(yàn)者還可以在VR模式下進(jìn)行模型搭建、場(chǎng)景編輯、材質(zhì)編輯、交互控制等。

4.項(xiàng)目簡(jiǎn)介視頻及操作引導(dǎo)視頻制作

根據(jù)有關(guān)文件要求，從2019年開始，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的申報(bào)需要制作項(xiàng)目簡(jiǎn)介視頻和操作引導(dǎo)視頻。項(xiàng)目簡(jiǎn)介視頻是評(píng)審專家了解項(xiàng)目整體情況的重要渠道，務(wù)必高度重視并高質(zhì)量地制作。視頻通常先介紹學(xué)校和相關(guān)學(xué)院的基本情況，然后介紹項(xiàng)目的必要性和特色、項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段和應(yīng)用情況以及未來規(guī)劃和展望。通過視頻對(duì)所申報(bào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的真實(shí)反映，激發(fā)使用者的參與愿望。視頻時(shí)長(zhǎng)要求控制在3分鐘以內(nèi)。

操作引導(dǎo)視頻內(nèi)容應(yīng)重點(diǎn)介紹實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的基本情況，包括實(shí)驗(yàn)的名稱、目的、環(huán)境，以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)操作流程、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等，以便使用者通過視頻引導(dǎo)可自主操作實(shí)驗(yàn)。項(xiàng)目操作引導(dǎo)視頻時(shí)長(zhǎng)控制在8分鐘以內(nèi)。其中，視頻解說應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)普通話配音。分辨率應(yīng)為1920×1080 25P或以上;編碼為H.264、H.264/AVC High Profile Level 4.2或以上;封裝格式為MP4;碼流為不小于2Mbps。另外，視頻文件應(yīng)不超過500MB[18]。音頻格式要求為：混合立體聲;編碼為：AAC、MP3;碼流為：不低于128kbps，采樣率48000Hz。字幕要求直接壓制在介質(zhì)上[18]。

5.項(xiàng)目網(wǎng)站設(shè)計(jì)

如果項(xiàng)目被評(píng)審為國(guó)家級(jí)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，教育部將統(tǒng)一提供資源共享平臺(tái)“實(shí)驗(yàn)空間”[18]，因此需要按照“國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目工作網(wǎng)申報(bào)系統(tǒng)操作手冊(cè)”和“國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目技術(shù)接口規(guī)范（2018版）”[18][19]進(jìn)行相關(guān)資料的上傳和管理。但在省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目申報(bào)時(shí)，需要事先準(zhǔn)備相應(yīng)申報(bào)網(wǎng)站，并在評(píng)審期間保持網(wǎng)站和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的正常運(yùn)行，否則將被一票否決。

申報(bào)網(wǎng)站可以采用目前流行的各種網(wǎng)站制作技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，沒有具體要求。制作時(shí)主要是對(duì)網(wǎng)站的板塊進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，以較好地展示項(xiàng)目特色和內(nèi)容。通常申報(bào)網(wǎng)站的欄目包括：項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)、項(xiàng)目描述、網(wǎng)絡(luò)要求、技術(shù)架構(gòu)、項(xiàng)目特色等，一般會(huì)在首頁上放置項(xiàng)目簡(jiǎn)介視頻的播放，并設(shè)置實(shí)驗(yàn)學(xué)生的登錄入口。

我們的申報(bào)網(wǎng)站設(shè)計(jì)的一級(jí)欄目有：項(xiàng)目簡(jiǎn)介、項(xiàng)目特色、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、項(xiàng)目引導(dǎo)視頻和資源下載等，還設(shè)計(jì)了學(xué)習(xí)測(cè)試、在線考試欄目。在網(wǎng)站首頁醒目位置進(jìn)行項(xiàng)目簡(jiǎn)介視頻播放，另外提供了教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的照片等。申報(bào)網(wǎng)站的首頁如圖4所示。

六、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施及思考

通過本項(xiàng)目的實(shí)施以及對(duì)“工業(yè)機(jī)器人運(yùn)維實(shí)驗(yàn)”“煤礦綜采機(jī)械及工藝”等多個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的調(diào)研，我們對(duì)基于VR的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)與不足有了更深入的認(rèn)識(shí)，也探索了一些行之有效的教學(xué)方法。

1.適合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法探索

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法教學(xué)基礎(chǔ)上將二維平面媒介的授課方式，升級(jí)為基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸式三維體驗(yàn)式教學(xué)，以數(shù)字課件的形式讓學(xué)生通過PC、VR頭盔等交互設(shè)備進(jìn)入虛擬仿真空間中，快速通過虛擬空間中的建筑及環(huán)境體驗(yàn)，理解設(shè)計(jì)理論知識(shí)，掌握設(shè)計(jì)方法。其教學(xué)過程和組織與傳統(tǒng)教學(xué)有較大差異，需要選擇適合新的設(shè)備和場(chǎng)景的教學(xué)方式。

文獻(xiàn)[9]將任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法引入到三維虛擬環(huán)境的教育應(yīng)用當(dāng)中，文獻(xiàn)[10]基于VR的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)教學(xué)方法，均對(duì)我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到了較好的啟示和指導(dǎo)作用。我們?cè)谔摂M仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，注重學(xué)生的情感體驗(yàn)，關(guān)注學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)和興趣，讓學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中主動(dòng)參與、主動(dòng)思考，積極探索和動(dòng)手操作。通過“體驗(yàn)—反思—形成概念—驗(yàn)證概念”的循環(huán)學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)知識(shí)的主動(dòng)建構(gòu)和內(nèi)化。

在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生主要以探索和體驗(yàn)為主，學(xué)生沉浸在三維虛擬空間中漫游，進(jìn)行交互感知，從多種維度和角度觀察對(duì)象。教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生以觀察感知、認(rèn)識(shí)反思、討論分享和操作練習(xí)為主。最后，通過設(shè)計(jì)操作、知識(shí)測(cè)驗(yàn)、作品分析等活動(dòng)，檢驗(yàn)獲得的知識(shí)，鞏固學(xué)到的概念。具體的教學(xué)活動(dòng)場(chǎng)景如圖5所示。

教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的主要作用是協(xié)助學(xué)習(xí)者體驗(yàn)情境，適時(shí)引導(dǎo)與交流，幫助學(xué)習(xí)者進(jìn)行反思與總結(jié)。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教學(xué)過程應(yīng)當(dāng)盡量弱化教師的角色，以突出學(xué)生的主體性，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)者主體的作用，切忌越俎代庖[10]。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的交互設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的鼠標(biāo)、鍵盤、觸控面板等不同的是，VR將用戶和系統(tǒng)視為一個(gè)整體，利用多樣的傳感器設(shè)備，使人機(jī)交互模式發(fā)生了較大的變革，使用者可以采取更加自然的方式進(jìn)行人機(jī)交流。因此，VR能幫助學(xué)習(xí)者克服交流時(shí)的心理障礙，更加自然地理解、使用和接受信息，從而提高學(xué)習(xí)效率。所以，基于VR的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中交互設(shè)計(jì)尤為重要。交互是學(xué)習(xí)過程中不可或缺的環(huán)節(jié)，交互具有溝通信息、情感交流、診斷反饋、促使反思等作用，是一種心理需求及自我實(shí)現(xiàn)。

基于VR的交互方式一般可以設(shè)計(jì)為顯式或隱式兩種。其中顯式交互是指實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)過程中能夠直接看到交互元素或信息，例如場(chǎng)景中的高亮度顯示或者反差明顯的顏色、閃爍顯示的指示牌等，以便實(shí)驗(yàn)者交互操作。隱式交互是指在場(chǎng)景中交互的元素不是一直存在，只有當(dāng)實(shí)驗(yàn)者到達(dá)某個(gè)區(qū)域時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，離開這個(gè)區(qū)域交互元素或信息則自動(dòng)消失，其目的是進(jìn)行臨時(shí)提示或引導(dǎo)，以便使實(shí)驗(yàn)者能夠無障礙地操作[10]。另外，還應(yīng)充分考慮VR系統(tǒng)特有的設(shè)備與交互技術(shù)，比如采用“操作手柄”“語音交互”“動(dòng)作捕捉”等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)自然交互，有助于增加沉浸感。

3.現(xiàn)有技術(shù)條件下基于VR的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)困境與應(yīng)對(duì)方案

基于VR的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目在很大程度上依賴虛擬呈現(xiàn)技術(shù)，但虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)技術(shù)在現(xiàn)有條件下仍然存在著較為明顯的缺陷：一是頭戴式顯示設(shè)備的供電以及數(shù)據(jù)傳輸仍然未能很好地解決，目前Oculus、HTC、三星等主流頭盔仍然需要一直拖著連接主機(jī)的“大辮子”，轉(zhuǎn)身和行走都不方便，沉浸式體驗(yàn)效果受到較大影響。二是現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)體驗(yàn)者動(dòng)作的追蹤與捕捉有賴于紅外攝像頭等設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，這使得使用者的活動(dòng)自由度和區(qū)域受到限制，且目前的顯示技術(shù)難以克服用戶在體驗(yàn)中的眩暈感覺[12]。三是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，難以滿足大面積在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

雖然隨著5G及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以上現(xiàn)象和困境將會(huì)得到較好地解決或緩解，但在目前條件下，我們?nèi)孕枰扇∫欢ǖ拇胧┖褪侄?，以達(dá)到預(yù)期的效果。

（1） 三維虛擬全景漫游技術(shù)的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的呈現(xiàn)，除了基于VR頭盔的交互式實(shí)驗(yàn)以外，還可以采用三維虛擬全景漫游的模式。例如，我們?cè)诮?jīng)典景觀視覺空間案例分析中，采用了虛擬全景漫游的形式，使體驗(yàn)者在園林景觀虛擬漫游的路線中，聆聽教師對(duì)園林布局和造園理法等知識(shí)點(diǎn)的講解。

對(duì)于現(xiàn)有景觀或建筑的呈現(xiàn)，可以采取全景拍攝的技術(shù)，即將像機(jī)拍攝的水平方向360度，垂直方向180度的若干張照片拼接成一幅全景圖像，然后利用三維全景制作技術(shù)構(gòu)建出虛擬三維全景空間，讓使用者既能頭戴VR頭盔體驗(yàn)，也能用鼠標(biāo)或鍵盤控制瀏覽的方向，可左可右、可上可下720度全方位地觀看物體或場(chǎng)景，具有較好的現(xiàn)場(chǎng)感和沉浸感。

這種三維全景制作僅需要一些基本的拍攝設(shè)備和制作軟件，具有技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便、數(shù)據(jù)量小、對(duì)系統(tǒng)要求低等優(yōu)點(diǎn)，可以在電腦甚至手機(jī)、iPad等移動(dòng)終端上瀏覽。同時(shí)，由于三維全景制作拍攝的是真實(shí)場(chǎng)景的圖像，因此比采用三維建模技術(shù)構(gòu)建的場(chǎng)景更具真實(shí)感。正是由于三維全景的這些優(yōu)點(diǎn)，使其在數(shù)字城市、虛擬展示、地圖導(dǎo)航等領(lǐng)域都有著較為廣泛的應(yīng)用，成為近年來快速流行的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

對(duì)于已經(jīng)不復(fù)存在的歷史景觀或經(jīng)典建筑等，則可以通過三維建模及U3d、UE4、Mars等虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)制作后，導(dǎo)出為虛擬三維全景的模式瀏覽，其操作及應(yīng)用方式與上述步驟相同。

（2）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR）是借助計(jì)算機(jī)圖像處理和可視化技術(shù)產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不存在的虛擬對(duì)象，并通過計(jì)算機(jī)顯示技術(shù)將虛擬對(duì)象準(zhǔn)確“放置”在真實(shí)環(huán)境中，使虛擬對(duì)象疊加在真實(shí)環(huán)境中，呈現(xiàn)給體驗(yàn)者一個(gè)感官效果逼真的新環(huán)境。因此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、三維定向的特點(diǎn)[4]。

由于AR的內(nèi)容可以方便地通過手機(jī)、iPad等移動(dòng)設(shè)備掃描識(shí)別卡呈現(xiàn)，因此近年來AR技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。我們?cè)诮?jīng)典作品賞析模塊中設(shè)計(jì)的App小程序包括：景觀的文本介紹、視頻介紹、空間結(jié)構(gòu)、平面圖、立面圖、刨面圖等模塊，通過手機(jī)掃描識(shí)別圖片，該景觀的三維立體模型就會(huì)浮現(xiàn)在屏幕上方，學(xué)生可以通過觸摸手機(jī)屏幕即可360度旋轉(zhuǎn)，從而全方位、多角度地觀察和理解，如圖6所示。

（3）項(xiàng)目建設(shè)應(yīng)適當(dāng)考慮移動(dòng)客戶端使用需求

在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)條件下，學(xué)生接受教學(xué)的方式發(fā)生了很大的變化，越來越多的信息傾向于從移動(dòng)終端獲得。因此，虛擬教學(xué)資源和平臺(tái)的建設(shè)應(yīng)適當(dāng)考慮移動(dòng)設(shè)備的使用，實(shí)驗(yàn)的管理界面、登錄界面等都應(yīng)該易于在智能手機(jī)及 iPad上操作，便于學(xué)生隨時(shí)隨地登錄，提出問題和發(fā)布問題，也便于教師和學(xué)生隨時(shí)交流、討論和解決問題[20]。學(xué)生可隨時(shí)隨地訪問虛擬教學(xué)資源，也有利于實(shí)現(xiàn)虛擬教學(xué)資源的開放和共享，成為開放程度高、移動(dòng)式的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

七、結(jié)語

基于VR的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠呈現(xiàn)逼真的三維虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和對(duì)象，學(xué)生在三維虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，有利于實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，有利于培養(yǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)類專業(yè)學(xué)生的空間感知、思維和想象能力，對(duì)于突破教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力都將起到積極的作用。

在傳統(tǒng)的景觀設(shè)計(jì)教學(xué)中，由于空間思維能力等因素，學(xué)生從美術(shù)到設(shè)計(jì)的思維轉(zhuǎn)變和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)在后續(xù)設(shè)計(jì)應(yīng)用中遇到的問題，一直是教學(xué)中的難點(diǎn)。這使得部分學(xué)生在后續(xù)設(shè)計(jì)中難以建立良好的三維空間思維能力，難以發(fā)現(xiàn)、分析和總結(jié)問題，無法快速地找到設(shè)計(jì)本質(zhì)和目標(biāo)[21]。而虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境的三維仿真場(chǎng)景，能夠很好地促進(jìn)學(xué)生對(duì)學(xué)科中景觀及物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空間關(guān)系概念的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，更有助于培養(yǎng)學(xué)生空間思維能力，提高教學(xué)質(zhì)量和效率。

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（編輯：李曉萍）