虛擬仿真實驗輔助建筑設計基礎課程改革與實踐

張希 洪苗

摘要：建筑設計基礎課程受場地局限和傳統(tǒng)教學模式的束縛，存在工程實踐能力訓練缺乏、重復性教學、學生對三維空間認知理解困難等問題。對此，浙江農(nóng)林大學開展了南方四角攢尖亭建造虛擬仿真實驗教學項目。針對工程實踐能力訓練缺乏，開發(fā)了“虛擬建造”模塊;針對重復性教學問題，開發(fā)了“基礎認知”模塊;針對三維空間認知理解問題，開發(fā)了“案例學習”模塊，并探索了與之相適應的教學改革方案。實踐表明，虛擬仿真實驗能夠彌補傳統(tǒng)教學模式的不足。隨著高新信息技術的不斷發(fā)展成熟，未來將在教學活動中發(fā)揮越來越重要作用。

關鍵詞：虛擬仿真;建筑設計;基礎課程;教學方法

中圖分類號：G642.3?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2022）02-0190-08

一、當前建筑設計基礎課程存在的問題

建筑學是一門橫跨工程技術和人文藝術的學科。當前國內(nèi)建筑學教育是由留學西方的建筑學專業(yè)留學生引入國內(nèi)，是在近代建筑教育體系基礎上發(fā)展起來的。其中，建筑學留學生群體主要是美國賓夕法尼亞大學的“庚款”留美學生，至今為止國內(nèi)絕大部分建筑學教育體系依然很大程度上秉承了賓大建筑教育的傳統(tǒng)[1]，例如注重美術培訓、強調(diào)測繪訓練、采用小班化教學等[2-3]。隨著新時代的發(fā)展，社會對建筑從業(yè)者的要求不斷提高，相應的高校建筑學專業(yè)教學內(nèi)容也發(fā)生了很大改變，但整體的教育體系、教學模式依然局限在傳統(tǒng)框架內(nèi)，導致衍生了諸多問題。

首先，人才培養(yǎng)效果與社會需求產(chǎn)生脫節(jié)。傳統(tǒng)建筑學教育更偏重對人文藝術方面的培訓，對工程實踐相關知識教學基本停留于書面，導致學生工程實踐能力薄弱。同時受場地限制和經(jīng)濟條件制約，學生很難有真正參與工程實踐的機會，而這方面的能力往往需要學生在實習和畢業(yè)后的工作中逐漸補上。

其次，傳統(tǒng)小班化建筑教學模式效率低下。該教學模式需要教師手把手、一對一地輔導學生改圖，同樣內(nèi)容需要教師對不同學生重復多次，而目前常用的多媒體教學手段，僅能在理論課授課方面輔助教學，并不能有效提高一對一輔導改圖的效率。

除此之外，低年級專業(yè)基礎課程教學還面臨一個難題，即如何培養(yǎng)學生的三維空間想象力。建筑設計是一種大尺度三維空間作業(yè)，但教學所使用的手段基本局限于二維平面（包括手繪圖紙、電腦制圖、建模等），僅有的實體模型三維空間教學手段，也都是依照真實建筑的縮小版本，與真實尺度相差懸殊，造成初學者對三維空間感知、理解和設計存在認知困難[4-5]。

二、虛擬仿真實驗對建筑設計基礎課程的輔助作用

自2013年教育部在全國啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作以來，虛擬仿真技術開始在國內(nèi)各高校多個專業(yè)的基礎教學工作中發(fā)揮作用。目前，全國已立項2 000多個國家級和省級虛擬仿真實驗教學項目，遍布40多個專業(yè)大類，其中建筑類21項，涵蓋建筑學、城鄉(xiāng)規(guī)劃、風景園林、歷史建筑保護工程和人居環(huán)境科學與技術5個專業(yè)的教學方向[6-7]。虛擬仿真實驗所涉及的高新信息技術可以在很大程度上彌補傳統(tǒng)建筑學教學的不足，目前國內(nèi)虛擬仿真實驗教學項目采用較多的信息技術包括以下6種。

（一）多媒體技術

多媒體技術，是指利用計算機展示不同媒體形態(tài)，包括文本、圖形圖像、聲音、動畫、視頻等。教學過程中可通過對話窗口進行交互操作，有利于教學內(nèi)容的多樣化、趣味化展示[8]。

（二）人機交互技術

人機交互技術，是指計算機通過顯示設備輸出大量有關信息、提示及請示，人通過輸入設備向計算機輸入相關信息，回答問題及提示、請示等，計算機依據(jù)既定程序?qū)θ说牟僮饔枰苑答仭Ｈ鐚W生自主學習過程中的操作正誤、回答問題對錯等，計算機可即時給出判別，并與學生進行一定互動[9]。

（三）可視化技術

可視化技術，是指運用計算機圖形學和圖像處理技術將數(shù)據(jù)以圖形、圖像的方式在屏幕上呈現(xiàn)，過程包括建模和渲染，如將建筑以數(shù)字模型的具象化形式展示，使學生可以直觀感受建筑的形態(tài)、空間、材質(zhì)等，便于學生對建筑學抽象概念的理解[10]。

（四）仿真技術

仿真技術，是指利用數(shù)學模型仿擬針對實際或設想對象所進行的動態(tài)試驗、性能分析和綜合評估。如構建建筑的高精度數(shù)學模型;應用可視化技術等將數(shù)學模型圖形圖像化;構建逼真的虛擬建造環(huán)境（包含土質(zhì)情況、風向風力等）;模擬現(xiàn)實中的建筑在不同環(huán)境下的受力情況等[11]。

（五）虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術，是指利用計算機生成模擬環(huán)境，是一種融合多源信息的三維動態(tài)視景仿真系統(tǒng)，為使用者提供一個觀察并與虛擬世界交互的多維人機界面，用戶穿戴外置設備（頭盔、眼鏡等）沉浸到該環(huán)境中，產(chǎn)生身臨其境之感。教學中，學生通過穿戴設備仿若置身于真實的建筑空間環(huán)境中，有助于對三維空間的感知和理解[12]。

（六）互聯(lián)網(wǎng)技術

互聯(lián)網(wǎng)技術，是指在計算機技術基礎上開發(fā)建立的一種信息技術，包括三層含義：一是硬件，主要指數(shù)據(jù)存儲、處理和傳輸?shù)闹鳈C和網(wǎng)絡通信設備;二是軟件，包括可用來搜集、存儲、檢索、分析、應用、評估信息的各種軟件;三是應用，指搜集、存儲、檢索、分析、應用、評估使用各種信息?；ヂ?lián)網(wǎng)技術使大批量學生的在線授課、學生在線自主學習和復習、自動對學生評分和綜合評估成為可能[13]。

現(xiàn)有建筑類虛擬仿真實驗教學項目基本都是綜合以上信息技術中的幾種，集實物仿真、智能指導、虛擬實驗結(jié)果、自動批改和教學管理于一體，具有良好的自主性、交互性和可擴展性[14]。這種基于先進信息技術的新型實驗教學模式，恰能與傳統(tǒng)建筑設計基礎課程相輔相成，彌補其不足，改善現(xiàn)存問題。

首先，運用人機交互、可視化和仿真技術可模擬從設計到施工的完整流程，特別是模擬真實建造情境。如不同地質(zhì)土壤條件要求不同的地基處理方式，如果處理有誤，仿真系統(tǒng)會根據(jù)預設程序計算可能出現(xiàn)的地基沉降;建筑搭建要求合理的結(jié)構邏輯和構造方式，如果搭建錯誤，仿真系統(tǒng)會根據(jù)預設程序計算可能出現(xiàn)的結(jié)構失穩(wěn)。這些沉降或失穩(wěn)在仿真系統(tǒng)中以動畫形式模擬呈現(xiàn)，及時對使用者的操作對錯進行反饋，不受場地條件和經(jīng)濟條件約束，彌補了傳統(tǒng)教學在工程實踐訓練方面的不足。

其次，運用多媒體和可視化技術可將教學內(nèi)容以圖形圖像、視頻動畫等方式呈現(xiàn);運用互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)線上一對一教學;運用人機交互技術可及時考查每個學生的學習進度、知識掌握程度等，學生可根據(jù)自己的學習進度有選擇地自主進行學習、訓練和復習，教師通過系統(tǒng)監(jiān)督學生學習情況，有針對性地指導學生，在一定程度上避免了對基礎知識和設計技巧的重復性教學。

此外，可視化、仿真和虛擬現(xiàn)實技術可以塑造逼真的建筑空間環(huán)境，配合虛擬現(xiàn)實穿戴式設備，可使人產(chǎn)生身臨其境之感，幫助學生感知、理解以及更好地設計三維空間。

三、虛擬仿真實驗輔助建筑設計基礎課程實踐案例

浙江農(nóng)林大學南方四角攢尖亭建造虛擬仿真實驗對古建筑設計基礎課程進行了輔助開發(fā)。古建筑設計課程作為建筑學、風景園林等本科四年級的專業(yè)選修課程，是在本科三年級中國建筑史和古建筑測繪課程基礎上開設的，對古建筑的歷史特征、結(jié)構形式、外觀造型及空間構成等內(nèi)容進行系統(tǒng)綜合教學。

近年來，仿古園林建造、古建筑修復等類型工程項目日漸增多，急需具備古建筑設計和建造施工能力的人才，開設古建筑設計課程的目的是幫助學生畢業(yè)后更好、更快地適應古建筑設計和建造施工對人才的需求。學生通過該課程，深入學習古建筑從構思到設計再到建造的整個過程，掌握古建筑細節(jié)部分，如門窗設計、墻體設計、屋頂梁架等內(nèi)容。該設計課程要求學生具有一定古建筑基礎知識，在上課前需要基本掌握中國建筑史和古建筑測繪課程相關知識點。古建筑設計課程共48課時，包含16課時實驗課程，其中虛擬仿真實驗占3個課時，虛擬仿真實驗內(nèi)容是南方四角攢尖亭的建造。南方四角攢尖亭作為南方園林古建筑的基本類型，是當前仿古園林建造項目中應用最為廣泛的建筑，是古建筑設計課程教學的重要內(nèi)容，掌握其類型也是對從事園林古建筑設計和建造施工人員基本能力的要求。

南方四角攢尖亭建造虛擬仿真實驗項目于2017年9月在本校上線，已納入學院教學計劃，于2018年3月向社會開放，并于2020年正式納入國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺，同年10月獲得首批國家級一流本科課程認定，目前已經(jīng)服務的學生人數(shù)超過3 000人。

（一）南方四角攢尖亭建造虛擬仿真實驗架構

古建筑設計是建筑學、風景園林等高年級專業(yè)的選修課程，在傳統(tǒng)課堂教學中，同樣存在上文所描述的三個方面問題。首先，受場地和教學資源所限，很多高校的相關教學內(nèi)容都側(cè)重結(jié)構和構造原理，而并不覆蓋古建筑施工的具體細節(jié)，導致學生綜合運用所學知識解決實際工程問題的能力不強。其次，由于古建筑構件種類繁多、安裝過程復雜，單一的理論課教學并不能使學生充分掌握相關知識，需要在設計實踐中不斷強調(diào)重復，才能加強學生知識記憶和提高實操熟練度，因此存在大量重復性教學。此外，傳統(tǒng)教學對園林空間設計方面的訓練多采用小尺度手工模型，與真實尺度相距甚遠，學生初學時很難真正掌握園林空間設計的方法和對其意義的理解。南方四角攢尖亭建造虛擬仿真實驗，正是針對以上三方面問題進行開發(fā)架構的。實驗分為三大模塊：針對學生工程實踐能力訓練開發(fā)了“虛擬建造”模塊;針對傳統(tǒng)課堂中的重復性教學問題開發(fā)了“基礎認知”模塊;針對三維空間感知和理解問題開發(fā)了“案例學習”模塊（見圖1）。

1.“虛擬建造”模塊

作為本實驗教學項目最核心的部分，此模塊的仿真訓練主要涉及以下三個方面。

（1）模擬真實建造環(huán)境，訓練學生的建筑選址判斷能力。園林建筑的選址講究因地制宜、巧于因借，充分利用場地環(huán)境資源，以滿足建造需求。項目模擬搭建了城市公園（見圖2）和海島山地（見圖3）兩種典型的建造環(huán)境，學生通過對場地的觀察、漫游，了解場地信息，并結(jié)合設計背景選定適宜的四角攢尖亭建造點。

（2）模擬南方典型地質(zhì)條件，訓練學生的地基和基礎設計能力。在虛擬環(huán)境中預設地質(zhì)條件，根據(jù)古亭上部荷載力，選擇地基和基礎處理方式，以防止出現(xiàn)不均勻或較大沉降量（見圖4）。實驗預設場地條件分軟土場地和巖石場地兩類，軟土層厚度小于3 m，采用換填灰土地基;軟土層厚度大于3 m，采用木樁長短樁擠密法復合地基;風化巖場地采用風鎬施工進行巖石平整和開挖基坑。基礎處理方式分為鋼筋混凝土筏型基礎和獨立基礎，其中獨立基礎之間用鋼筋混凝土地梁連接，以保證基礎的整體性。

（3）模擬四角攢尖亭建造操作全部流程，訓練學生施工建造的能力。以南方四角攢尖亭（單檐、搭角梁做法）為原型，按照自下而上、自內(nèi)而外的建造施工順序，依次建造臺基-屋身骨架-屋面骨架-屋面基層-屋面裝飾-屋身裝飾，預設每一部分的標準化建造步驟，要求學生按照實際施工流程進行實驗操作，直至四角攢尖亭建造完成（見圖5）。

三個方面的仿真訓練共包含“建筑選址”“場地定位放線”“地基處理”“基礎測試與調(diào)整”“臺基建造”“屋身骨架建造”“屋面骨架建造”“屋面基層建造”“屋面裝飾”“屋身裝飾”“穩(wěn)定性測試與修正”11個步驟，每個步驟里又包含若干具體操作，所有操作均為交互性操作，系統(tǒng)會根據(jù)學生的操作實時評判和記錄，學生操作過程中，系統(tǒng)會彈出對話框與學生互動，以選擇題、填空題等方式考查學生對相關知識點的掌握情況（見圖6）

在基礎部分和整體亭身施工完畢階段，會有相應的結(jié)構穩(wěn)定性測試環(huán)節(jié)，系統(tǒng)會根據(jù)此前學生的操作來進行綜合性評判。如果錯誤操作累計超過結(jié)構穩(wěn)定性臨界值，則基礎部分會出現(xiàn)不均勻沉降，而亭身部分會出現(xiàn)傾覆，均以動畫展示。虛擬建造部分極大彌補了傳統(tǒng)課堂教學工程實踐訓練的不足，使學生可以在虛擬環(huán)境下親自操作挖掘機、打樁機、風鎬、木工（石工）鑿等工具進行搭建操作，這些都是傳統(tǒng)課堂教學無法實現(xiàn)的。

2.“基礎認知”模塊

作為傳統(tǒng)課堂理論基礎知識教學的補充，此模塊仿真訓練主要是再現(xiàn)虛擬四角攢尖亭各構件的拆裝組合內(nèi)容，加強了學生對古建筑的認知和理解。依照南方古建筑營造經(jīng)典書籍《營造法原》和相關規(guī)范、圖集等，利用建模軟件，從形體、材質(zhì)、色澤等多方面真實再現(xiàn)50余種四角攢尖亭構件。如寶頂、戧脊、板瓦、檐桁等，實現(xiàn)縮放、旋轉(zhuǎn)等功能，同時顯示不同構件在四角攢尖亭中的位置。對于復雜的組合構件需通過榫卯結(jié)構進行組合，如上下搭角梁、直挺飛椽等，本軟件對這些重要的組合節(jié)點都進行了模擬，學生可進行拆分和拼合操作（見圖7）。此模塊，學生可自主學習，系統(tǒng)會實時記錄學習進度，“虛擬建造”模塊會以選擇題或填空題的方式對學生的這部分學習情況進行考查，考查不合格的學生可返回基礎認知部分進行針對性地復習，避免了傳統(tǒng)課堂由于重復教學帶來的教學資源浪費。

3.“案例學習”模塊

該模塊是南方四角攢尖亭虛擬建造的拓展學習部分，其仿真訓練主要是再現(xiàn)了虛擬經(jīng)典園林空間環(huán)境，培養(yǎng)學生對園林空間的認知，加強學生對攢尖亭在園林空間設計中作用的理解。以拙政園、留園、怡園為案例，利用建模軟件虛擬搭建了完整經(jīng)典園林的三維場景，從形體、材質(zhì)、色澤等多方面真實再現(xiàn)其中建筑、小品、綠化、景觀等，學生可在三維場景中進行漫游，感受空間變化，體驗攢尖亭在真實園林空間設計中的作用（見圖8）。此模塊開發(fā)了VR版本，學生佩戴相應的VR設備即可進行沉浸式體驗，但目前質(zhì)量較好的VR設備普遍價格高昂，因此在現(xiàn)有的教學活動中尚無法普及，一般僅能通過電腦屏幕觀看漫游效果。

（二）南方四角攢尖亭建造虛擬仿真實驗教學方法改革

依托南方四角攢尖亭建造虛擬仿真實驗教學項目，古建筑設計實驗課程對涉及南方四角攢尖亭建造部分進行了相應的教學方法改革。秉持“以學生為中心、以應用為導向、以虛仿為手段”的教學理念，教學團隊將信息技術與實驗相融合，探索線上線下相結(jié)合的教學方式，結(jié)合教學實踐總結(jié)出“三段六式”教學法，“三段”為實驗實施的三個階段，“六式”為不同階段所采用的具體教學方式（見圖9）。

1.預習準備階段

（1）自主式教學：學生可根據(jù)課程理論內(nèi)容提前學習基礎知識，在“基礎認知”模塊，通過點擊屏幕下方各構件進行自主學習，鞏固掌握構件的名稱、形態(tài)、尺寸等知識。

（2）沉浸式教學：在“案例學習”模塊，學生可選擇經(jīng)典園林案例進行沉浸式的漫游體驗，了解攢尖亭在園林空間設計中的作用以及園林建筑與環(huán)境融合的方式。

2.實驗考核階段

（1）交互式教學：學生進入“虛擬建造”模塊，在規(guī)定時間內(nèi)需獨立完成南方四角攢尖亭完整的建造過程，每人有3次完成實驗的機會。過程中對一些重要知識點，會以選擇題、填空題的形式進行考核。

（2）驗證式教學：學生完成“虛擬建造”后，系統(tǒng)將根據(jù)學生的操作步驟和最終結(jié)果進行打分，并指出錯誤所在，學生可進行修改。操作步驟和知識點考核均有相應分值，計入個人實驗成績。

3.反饋討論階段

（1）討論式教學：利用本實驗的實時記錄和反饋系統(tǒng)，教師可及時了解學生實驗結(jié)果，找到難點和易錯點分布，進行針對性講解，并針對共性問題進行課堂討論。

（2）反思式教學：學生根據(jù)系統(tǒng)反饋和教師講解，反思自己的操作過程，并以實驗報告的形式記錄下來。

“三段六式”教學法是對虛擬仿真實驗輔助建筑設計基礎課程教學方法的改革探索，目前只在南方四角攢尖亭建造虛擬仿真實驗教學項目中實行，但不僅局限于此，未來類似的建筑設計課程都可以在此基礎上進一步拓展完善。

四、結(jié)論與展望

虛擬仿真實驗是基于先進信息技術的新型實驗教學模式，教育部大力推進虛擬仿真實驗項目的宗旨是“以虛輔實，虛實結(jié)合”，即針對傳統(tǒng)實地教學活動中一些受場地局限無法實現(xiàn)的，或者耗時長，具有危險性、污染性等教學活動，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上虛擬仿真教學，以彌補本專業(yè)實地教學活動的不足，建筑類項目也是如此[15]。建筑類設計基礎課程普遍存在缺乏工程實踐能力訓練、重復性教學、三維空間認知理解困難等問題，針對這些問題，浙江農(nóng)林大學南方四角攢尖亭建造虛擬仿真實驗教學項目進行了開發(fā)，是對古建筑設計基礎課程的輔助補充，能夠很大程度上彌補傳統(tǒng)教學模式的不足。

受現(xiàn)有技術條件的約束，目前南方四角攢尖亭建造虛擬仿真實驗教學項目還存在一定不足。比如受帶寬網(wǎng)速限制，目前僅能支持200個學生同時在線并發(fā)訪問和請求;目前項目僅開發(fā)了PC版，尚無法在手機端使用，普及范圍有限;目前質(zhì)量較好的VR設備普遍價格高昂，在現(xiàn)有的教學活動中無法普及，導致三維空間的認知教學效果不夠理想等。但隨著高新信息技術不斷發(fā)展成熟，在可預見的未來，類似的線上虛擬仿真實驗必將在建筑類教學活動中扮演越來越重要的角色。線上線下相結(jié)合的教學方式普及將會極大提高教學效率，同時線上教學資源向全國開放，也會起到平衡不同地區(qū)教育資源分配的作用，使更多學生有機會獲得優(yōu)質(zhì)的教育資源。

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Reform and practice of basic courses of architecture design with virtual simulation：

Taking the virtual simulation experiment of Chinese Southern pavilion construction as an example

ZHANG Xi， HONG Miao

（College of Landscape and Architecture， Zhejiang A&F University， Hangzhou 311300， P. R. China）

Abstract：

Architectural design basic course is constrained by site constraints and traditional teaching mode， there are shortcomings of lack of engineering practice ability training， repetitive teaching， and students’ difficulty in understanding three-dimensional space. So， the virtual simulation experiment of Chinese southern pavilion construction of Zhejiang A&F University is developed. “Virtual construction” module is developed for engineering practice ability training， “basic cognition” module is developed for repetitive teaching problem and “case learning” module is developed for three-dimensional spatial cognition understanding problem， and explores the reform of teaching methods suitable for it. Teaching practices shows that virtual simulation experiments can largely compensate for the shortcomings of traditional teaching mode. With the continuous development and maturity of high-tech information technology， virtual simulation experiments will play an increasingly important role in teaching activities effect.

修回日期：2020-12-22

基金項目：

浙江農(nóng)林大學教改項目“沉浸式虛擬現(xiàn)實輔助建筑空間認知”（2013140003）

作者簡介：

張希（1985—），女，浙江農(nóng)林大學風景園林與建筑學院講師，博士，主要從事建筑歷史、虛擬仿真實驗教學研究，（E-mail）zhangxi@zafu.edu.cn。