虛擬仿真實驗資源在空間設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用探究

王琨　薛思寒

［摘 要］文章以空間設(shè)計教學(xué)為研究對象，從組織建設(shè)、教學(xué)運(yùn)用以及應(yīng)用評價方面探究引入虛擬仿真實驗資源的過程和方法。在組織建設(shè)方面，構(gòu)建模塊化虛擬仿真實驗教學(xué)體系和平臺；在教學(xué)運(yùn)用方面，改進(jìn)教學(xué)模式，轉(zhuǎn)換師生角色，提高教師的引導(dǎo)和組織作用，創(chuàng)建多樣化實驗教學(xué)場景；在應(yīng)用評價方面，兼顧“教”與“學(xué)”兩方面，實現(xiàn)對學(xué)生設(shè)計成果的全過程、多方位評價，并建立一套對虛擬仿真實驗資源應(yīng)用的評價反饋體系和質(zhì)量控制系統(tǒng)。

［關(guān)鍵詞］虛擬仿真實驗資源；空間設(shè)計課程；教學(xué)應(yīng)用

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）14-0074-03

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種供人們將現(xiàn)實中的客觀空間在計算機(jī)虛擬世界中進(jìn)行仿真、創(chuàng)建的系統(tǒng)，能夠從不同方面模擬、反映現(xiàn)實空間環(huán)境，具有較強(qiáng)的代入感和真實性，為人們提供沉浸式的感受和體驗[1]。近年來，將虛擬仿真技術(shù)融入日常實驗教學(xué)，優(yōu)化課程資源，推動課程創(chuàng)新改革，受到越來越多教育群體的認(rèn)同和推廣[2]。

空間環(huán)境設(shè)計涉及城市規(guī)劃、建筑學(xué)、環(huán)境設(shè)計等多個專業(yè)領(lǐng)域，是相關(guān)專業(yè)的核心教學(xué)內(nèi)容。原有的空間設(shè)計課程多以設(shè)計師的經(jīng)驗傳授為主導(dǎo)，多為定性判斷，較為感性。隨著知識經(jīng)濟(jì)、科技和產(chǎn)業(yè)革命的蓬勃發(fā)展，空間設(shè)計逐漸向以空間中人的行為、生態(tài)環(huán)境、社會心理等方面的理性、定量判斷為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)變，向精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化方向發(fā)展[3]。以往對學(xué)生設(shè)計方案的評價大多以教師的經(jīng)驗判斷為主，無法給出定量的判斷標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，但計算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展讓虛擬仿真技術(shù)引入空間設(shè)計實驗教學(xué)成為現(xiàn)實。設(shè)計方案在虛擬環(huán)境中建成，讓學(xué)生能夠真實感受、體驗，并通過仿真模擬，從聲光熱物理環(huán)境、人的心理行為等方面對方案進(jìn)行客觀評價，能夠解決空間設(shè)計方案因建設(shè)成本高且不可逆而造成的無法準(zhǔn)確評價的問題。

一、虛擬仿真實驗資源在空間設(shè)計教學(xué)中的組織與建設(shè)

空間設(shè)計課程以滿足新時代行業(yè)發(fā)展需求、符合新工科人才培養(yǎng)理念為導(dǎo)向，結(jié)合各教學(xué)環(huán)節(jié)特點和要求，探索組織、建設(shè)有利于空間設(shè)計課程開展和評價的虛擬仿真實驗資源，以推動空間設(shè)計課程的教學(xué)方法、教學(xué)過程以及教學(xué)目標(biāo)的優(yōu)化。

（一）結(jié)合現(xiàn)有教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，搭建模塊化虛擬仿真實驗教學(xué)體系

現(xiàn)有的空間設(shè)計教學(xué)系統(tǒng)主要分為理論認(rèn)知學(xué)習(xí)、空間調(diào)研分析、方案設(shè)計評價三大部分，依托現(xiàn)有教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，突出學(xué)習(xí)過程的遞進(jìn)性和層次性，構(gòu)建“理論學(xué)習(xí)模塊+空間分析模塊+方案設(shè)計模塊”的虛擬仿真實驗教學(xué)體系[4]。在理論學(xué)習(xí)模塊，通過引入相關(guān)的視頻、音頻、圖片等教學(xué)資源，能夠提高理論知識學(xué)習(xí)的時間靈活性、內(nèi)容豐富性以及知識延展性。在空間分析模塊，利用VR、大數(shù)據(jù)分析、聲光熱環(huán)境模擬等虛擬仿真技術(shù)，增強(qiáng)學(xué)生對空間現(xiàn)狀的認(rèn)知和分析能力，使現(xiàn)場調(diào)研更加便捷，環(huán)境認(rèn)知更加準(zhǔn)確、客觀。在方案設(shè)計模塊，運(yùn)用BIM、參數(shù)化建模、建成環(huán)境分析等仿真軟件，將設(shè)計方案在虛擬環(huán)境中進(jìn)行建構(gòu)、分析、評價、推敲，使設(shè)計過程更加高效，使設(shè)計成果的獲得更加真實。

（二）優(yōu)化現(xiàn)有教學(xué)環(huán)節(jié)及內(nèi)容，構(gòu)建空間設(shè)計虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

空間設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)通常按照“理論講授—場地調(diào)研—現(xiàn)狀分析—方案生成—成果評價”的邏輯逐步進(jìn)行，并針對不同教學(xué)環(huán)節(jié)不斷豐富完善相關(guān)教學(xué)資源[5]，搭建空間設(shè)計虛擬仿真實驗教學(xué)平臺（見圖1）。在理論講授環(huán)節(jié)，搜集、錄制相關(guān)知識點的微課、微視頻，利用在線虛擬仿真實驗資源展現(xiàn)理論知識內(nèi)容，形成沉浸式虛擬課堂平臺。在場地調(diào)研環(huán)節(jié)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)等，構(gòu)建空間場景虛擬平臺及周邊環(huán)境數(shù)據(jù)資料庫，增加調(diào)研的廣度，縮短時間的跨度，提高調(diào)研的效率。在現(xiàn)狀分析環(huán)節(jié)，利用地理分析模型、物理環(huán)境仿真模擬、空間場景語義分割等技術(shù)，構(gòu)建場地空間分析平臺，對任務(wù)場地現(xiàn)狀進(jìn)行客觀、量化分析。在方案生成環(huán)節(jié)，要求學(xué)生掌握Revit、Sketchup、BIM等繪圖建模軟件，創(chuàng)建仿真交互設(shè)計平臺，為學(xué)生比較、推敲、修改方案提供條件。在成果評價環(huán)節(jié)，利用空間場景虛擬平臺和場地空間分析平臺，真實還原設(shè)計方案，并從不同角度對其進(jìn)行定量分析，使師生都能夠客觀參與設(shè)計成果評價。

二、虛擬仿真實驗資源在空間設(shè)計教學(xué)過程中的運(yùn)用與教學(xué)模式改進(jìn)

傳統(tǒng)的空間設(shè)計教學(xué)主要通過教師的知識講授、圖紙批改進(jìn)行，屬于“言傳身教”的知識傳授方式[6]，忽視調(diào)動學(xué)生的自主能動性。將虛擬仿真實驗資源引入空間設(shè)計教學(xué)過程中，需要改進(jìn)原有教學(xué)模式，從單向輸出變?yōu)殡p向互動。

（一）轉(zhuǎn)換課堂師生角色，創(chuàng)造“體驗式學(xué)習(xí)”過程

教師要堅持“以學(xué)生為中心”，改善課堂學(xué)習(xí)體驗，注重學(xué)生的參與、互動和體驗感，使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程從“被動接受”向“主動思考”轉(zhuǎn)變。要充分利用虛擬仿真實驗教學(xué)資源，增加課中、課后自主學(xué)習(xí)時間的靈活性和內(nèi)容的延展性，形成具體案例體驗、項目反思觀察、設(shè)計概念抽象以及成果主動檢驗的“體驗式學(xué)習(xí)”循環(huán)教學(xué)模式。在空間設(shè)計課程中引入虛擬仿真實驗教學(xué)資源，使教師從知識輸出者向引導(dǎo)者的角色轉(zhuǎn)變[7]。教師通過指導(dǎo)學(xué)生使用虛擬仿真實驗教學(xué)資源，使其主動從相應(yīng)的資源中獲取、掌握、內(nèi)化知識和技能，從而由知識的接收者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R的發(fā)掘者。虛擬仿真實驗資源使學(xué)生在實踐操作中進(jìn)一步鞏固理論知識，實現(xiàn)理論教學(xué)與設(shè)計實踐的無縫銜接，極大地調(diào)動了學(xué)生的積極性，拓寬了教學(xué)維度。

（二）增強(qiáng)教師的引導(dǎo)和組織作用，優(yōu)化課堂教學(xué)方式

虛擬仿真實驗教學(xué)的引入，要求教師將更多精力用于對學(xué)生思維的引導(dǎo)，充分發(fā)揮課堂引導(dǎo)者和組織者的作用。在設(shè)計操作過程中，教師應(yīng)以解決實際設(shè)計問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生利用虛擬仿真實驗教學(xué)資源進(jìn)行方案推敲、修改以及體驗評價，組織學(xué)生對設(shè)計方案進(jìn)行階段性的展示、匯報及交流評價，對于有針對性和共識性的問題，要與學(xué)生進(jìn)行溝通，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和思考。這就要求教師一方面要對所講授的內(nèi)容有精深的理解，準(zhǔn)確、精煉地概括主要內(nèi)容，并為學(xué)生預(yù)留充足的自主探索的空間；另一方面，要充分掌握學(xué)生自主學(xué)習(xí)的實際能力和不同個體間的學(xué)習(xí)水平和習(xí)慣等差異，為學(xué)生設(shè)計與其實際能力相適應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，避免出現(xiàn)難度太低或太高而導(dǎo)致學(xué)生喪失學(xué)習(xí)動力和興趣的情況。

（三）改善教學(xué)環(huán)境，創(chuàng)建多樣化的實驗教學(xué)場景

搭建虛擬仿真教學(xué)平臺，為空間設(shè)計教學(xué)開展虛擬仿真實驗營造了良好的環(huán)境，并輔以各類三維建模工具、仿真模擬軟件、智能數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)云平臺等軟、硬件配套設(shè)備，打造多樣化的空間設(shè)計體驗式教學(xué)新環(huán)境。多樣化實驗教學(xué)場景的創(chuàng)建，為學(xué)生從不同方面開展空間設(shè)計、設(shè)計方案推敲及評價提供條件，設(shè)計成果方案可轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M條件下的真實三維空間，供學(xué)生體驗、感受和分析，增強(qiáng)了課程教學(xué)的互動性和趣味性。虛擬仿真實驗教學(xué)資源的開發(fā)與建立，能夠進(jìn)一步為融合線上和線下教學(xué)提供條件，拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)的時間靈活性和空間延展性，很大程度上解決了因高危、高成本以及不可逆而造成的空間設(shè)計實驗無法進(jìn)行的問題，使空間設(shè)計課程的教學(xué)內(nèi)容更加豐富、全面，提高了學(xué)生的動手實踐能力。

（四）融合多種教學(xué)手段，挖掘虛擬仿真實驗教學(xué)價值

在空間設(shè)計教學(xué)中運(yùn)用虛擬仿真實驗資源，應(yīng)當(dāng)拓展應(yīng)用范圍，從單一場景、單一實驗和單一課程向多場景、多實驗以及課程群轉(zhuǎn)變，形成空間設(shè)計實踐教學(xué)體系[5]。在課堂教學(xué)過程中，要從不同角度挖掘虛擬仿真實驗教學(xué)資源的使用價值。如結(jié)合對分課堂、翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，組織學(xué)生分組對設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容展開討論，讓學(xué)生共同協(xié)作完成任務(wù)，進(jìn)一步加深學(xué)生對專業(yè)知識的思考和理解。再者，結(jié)合OBE和CDIO教學(xué)理念，將設(shè)計實踐項目內(nèi)容引入課程，加深學(xué)生對空間設(shè)計實際問題的理解，使學(xué)生自覺將理論知識與實踐操作相結(jié)合，更好地對接設(shè)計市場。同時，除了課堂教學(xué)外，還應(yīng)該鼓勵學(xué)生利用虛擬仿真實驗資源預(yù)習(xí)、鞏固所學(xué)知識，積極參與各項學(xué)科設(shè)計競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽以及設(shè)計工作坊，通過多種形式深化理解、應(yīng)用以及提高專業(yè)知識技能，實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)。

三、虛擬仿真實驗資源在空間設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用評價

從“教”和“學(xué)”兩方面對虛擬仿真實驗教學(xué)資源進(jìn)行應(yīng)用評價。一方面，通過虛擬仿真技術(shù)從多方位建立對學(xué)生設(shè)計成果客觀、量化的評價體系；另一方面，從不同角度對虛擬仿真實驗教學(xué)資源的應(yīng)用情況進(jìn)行評價，完善機(jī)制。

（一）實現(xiàn)全過程、多方位的空間設(shè)計方案評價

對學(xué)生的設(shè)計成果進(jìn)行客觀、全面的評價，有助于激發(fā)師生對課程投入的積極性，提高課程教學(xué)改革的動力。在對設(shè)計成果進(jìn)行評價的過程中，應(yīng)當(dāng)融合多學(xué)科，從空間視覺感知、聲光熱物理環(huán)境、人體行為模式等方面，對方案進(jìn)行量化測評。設(shè)計成果的評價不應(yīng)局限于學(xué)生的最終設(shè)計方案，而應(yīng)該綜合評價設(shè)計開展的各階段情況，強(qiáng)調(diào)評價其全過程性和動態(tài)性。同時，對學(xué)生的評價還應(yīng)該從理論知識、設(shè)計方法、實踐技能、空間認(rèn)知、成果匯報等能力素質(zhì)方面進(jìn)行，體現(xiàn)評價的全面性和綜合性。通過全過程、多方位的設(shè)計方案評價，教師可以及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況、個體差異，并對教學(xué)過程及時做出調(diào)整，制訂個性化的教學(xué)指導(dǎo)方案；此外，學(xué)生通過評價結(jié)果，能充分了解自身的學(xué)習(xí)程度，以此總結(jié)經(jīng)驗，找出差距，優(yōu)化學(xué)習(xí)方法，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)效率。

（二）建立一套評價反饋體系、質(zhì)量控制系統(tǒng)

虛擬仿真實驗教學(xué)資源的引入，需要任課教師、教學(xué)管理者就課程的教學(xué)目的、教學(xué)進(jìn)度、教學(xué)方法以及學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)、學(xué)習(xí)感受、學(xué)習(xí)效果等方面進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)，進(jìn)而形成一套評價反饋體系、教學(xué)質(zhì)量控制系統(tǒng)。質(zhì)量控制系統(tǒng)是將實際教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)量化，并與預(yù)期的教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行對比，找出差距并分析產(chǎn)生偏差的原因，然后制定相關(guān)糾正計劃與措施。建立評價反饋體系與質(zhì)量控制系統(tǒng)需要關(guān)注三方面內(nèi)容，一是根據(jù)教學(xué)實施計劃有針對性地選擇對教學(xué)質(zhì)量有顯著影響的關(guān)鍵控制因素；二是制定相關(guān)指標(biāo)，將教學(xué)目標(biāo)和質(zhì)量進(jìn)行量化，找出具體偏差；三是通過學(xué)生評價、問卷調(diào)查、同行觀摩以及課堂觀察等方式，收集反饋信息，建立信息反饋系統(tǒng)。

四、結(jié)語

在空間設(shè)計教學(xué)中引入虛擬仿真實驗教學(xué)資源，應(yīng)當(dāng)從資源的建設(shè)、應(yīng)用以及評價等方面入手，更新、轉(zhuǎn)變教學(xué)理念和組織模式，促使虛擬仿真實驗教學(xué)資源平臺處于動態(tài)開放和循環(huán)調(diào)整的狀態(tài)，使其發(fā)揮最大的教學(xué)功效，充分拓展設(shè)計教學(xué)工作的空間延展性和時間靈活性。開放、多元的虛擬仿真實驗教學(xué)資源能夠促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、師生的互動交流以及教學(xué)成果的全方位評價，從而推動空間設(shè)計教學(xué)向多學(xué)科融合、信息共享方向轉(zhuǎn)變。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1] 周忠，周頤，肖江劍.虛擬現(xiàn)實增強(qiáng)技術(shù)綜述[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2015，45（2）：157-180.

[2] 蘭國帥，郭倩，張怡，等.影響未來高等教育教學(xué)的宏觀趨勢、技術(shù)實踐和未來場景：《2020年EDUCAUSE地平線報告（教學(xué)版）》要點與思考[J].開放教育研究，2020，26（2）：27-39.

[3] 趙亮，吳越，劉晨陽，等.學(xué)科交叉融合下的城市設(shè)計培養(yǎng)體系架構(gòu)研究[J].城市規(guī)劃，2019，43（5）：113-120.

[4] 劉振峰，郭為忠.虛擬仿真實驗教學(xué)課程資源設(shè)計及教學(xué)過程的改革與探索：以上海交通大學(xué)“設(shè)計與制造Ⅱ”課程為例[J].教育理論與實踐，2022，42（9）：51-54.

[5] 張廣媚.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的建筑學(xué)專業(yè)實踐教學(xué)體系改革研究[J].城市建筑，2022，19（17）：107-110.

[6] 李艷菊.數(shù)字化虛擬現(xiàn)實技術(shù)時代的建筑設(shè)計教學(xué)模式變革[J].生態(tài)經(jīng)濟(jì)，2012（4）：196-199.

[7] 羅國亮，車仝，王睿，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用研究：以《操作系統(tǒng)》課程為例[J].中國教育信息化，2021（12）：37-42.

［責(zé)任編輯：黃緊德］