虛擬仿真實驗資源在空間設計教學中的應用探究

王琨　薛思寒

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

［關鍵詞］虛擬仿真實驗資源；空間設計課程；教學應用

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

虛擬現(xiàn)實技術是一種供人們將現(xiàn)實中的客觀空間在計算機虛擬世界中進行仿真、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，將虛擬仿真技術融入日常實驗教學，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同和推廣[2]。

空間環(huán)境設計涉及城市規(guī)劃、建筑學、環(huán)境設計等多個專業(yè)領域，是相關專業(yè)的核心教學內容。原有的空間設計課程多以設計師的經驗傳授為主導，多為定性判斷，較為感性。隨著知識經濟、科技和產業(yè)革命的蓬勃發(fā)展，空間設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、定量判斷為基礎轉變，向精細化、標準化、智能化方向發(fā)展[3]。以往對學生設計方案的評價大多以教師的經驗判斷為主，無法給出定量的判斷標準和依據，但計算機和信息技術的發(fā)展讓虛擬仿真技術引入空間設計實驗教學成為現(xiàn)實。設計方案在虛擬環(huán)境中建成，讓學生能夠真實感受、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行客觀評價，能夠解決空間設計方案因建設成本高且不可逆而造成的無法準確評價的問題。

一、虛擬仿真實驗資源在空間設計教學中的組織與建設

空間設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)理念為導向，結合各教學環(huán)節(jié)特點和要求，探索組織、建設有利于空間設計課程開展和評價的虛擬仿真實驗資源，以推動空間設計課程的教學方法、教學過程以及教學目標的優(yōu)化。

（一）結合現(xiàn)有教學系統(tǒng)結構，搭建模塊化虛擬仿真實驗教學體系

現(xiàn)有的空間設計教學系統(tǒng)主要分為理論認知學習、空間調研分析、方案設計評價三大部分，依托現(xiàn)有教學系統(tǒng)結構，突出學習過程的遞進性和層次性，構建“理論學習模塊+空間分析模塊+方案設計模塊”的虛擬仿真實驗教學體系[4]。在理論學習模塊，通過引入相關的視頻、音頻、圖片等教學資源，能夠提高理論知識學習的時間靈活性、內容豐富性以及知識延展性。在空間分析模塊，利用VR、大數據分析、聲光熱環(huán)境模擬等虛擬仿真技術，增強學生對空間現(xiàn)狀的認知和分析能力，使現(xiàn)場調研更加便捷，環(huán)境認知更加準確、客觀。在方案設計模塊，運用BIM、參數化建模、建成環(huán)境分析等仿真軟件，將設計方案在虛擬環(huán)境中進行建構、分析、評價、推敲，使設計過程更加高效，使設計成果的獲得更加真實。

（二）優(yōu)化現(xiàn)有教學環(huán)節(jié)及內容，構建空間設計虛擬仿真實驗教學平臺

空間設計教學環(huán)節(jié)通常按照“理論講授—場地調研—現(xiàn)狀分析—方案生成—成果評價”的邏輯逐步進行，并針對不同教學環(huán)節(jié)不斷豐富完善相關教學資源[5]，搭建空間設計虛擬仿真實驗教學平臺（見圖1）。在理論講授環(huán)節(jié)，搜集、錄制相關知識點的微課、微視頻，利用在線虛擬仿真實驗資源展現(xiàn)理論知識內容，形成沉浸式虛擬課堂平臺。在場地調研環(huán)節(jié)，利用虛擬現(xiàn)實技術、地理信息系統(tǒng)技術等，構建空間場景虛擬平臺及周邊環(huán)境數據資料庫，增加調研的廣度，縮短時間的跨度，提高調研的效率。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，構建場地空間分析平臺，對任務場地現(xiàn)狀進行客觀、量化分析。在方案生成環(huán)節(jié)，要求學生掌握Revit、Sketchup、BIM等繪圖建模軟件，創(chuàng)建仿真交互設計平臺，為學生比較、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，真實還原設計方案，并從不同角度對其進行定量分析，使師生都能夠客觀參與設計成果評價。

二、虛擬仿真實驗資源在空間設計教學過程中的運用與教學模式改進

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

（一）轉換課堂師生角色，創(chuàng)造“體驗式學習”過程

教師要堅持“以學生為中心”，改善課堂學習體驗，注重學生的參與、互動和體驗感，使學生的學習過程從“被動接受”向“主動思考”轉變。要充分利用虛擬仿真實驗教學資源，增加課中、課后自主學習時間的靈活性和內容的延展性，形成具體案例體驗、項目反思觀察、設計概念抽象以及成果主動檢驗的“體驗式學習”循環(huán)教學模式。在空間設計課程中引入虛擬仿真實驗教學資源，使教師從知識輸出者向引導者的角色轉變[7]。教師通過指導學生使用虛擬仿真實驗教學資源，使其主動從相應的資源中獲取、掌握、內化知識和技能，從而由知識的接收者轉變?yōu)橹R的發(fā)掘者。虛擬仿真實驗資源使學生在實踐操作中進一步鞏固理論知識，實現(xiàn)理論教學與設計實踐的無縫銜接，極大地調動了學生的積極性，拓寬了教學維度。

（二）增強教師的引導和組織作用，優(yōu)化課堂教學方式

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

（三）改善教學環(huán)境，創(chuàng)建多樣化的實驗教學場景

搭建虛擬仿真教學平臺，為空間設計教學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、智能數據采集設備以及網絡云平臺等軟、硬件配套設備，打造多樣化的空間設計體驗式教學新環(huán)境。多樣化實驗教學場景的創(chuàng)建，為學生從不同方面開展空間設計、設計方案推敲及評價提供條件，設計成果方案可轉變?yōu)樘摂M條件下的真實三維空間，供學生體驗、感受和分析，增強了課程教學的互動性和趣味性。虛擬仿真實驗教學資源的開發(fā)與建立，能夠進一步為融合線上和線下教學提供條件，拓展了學生學習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計實驗無法進行的問題，使空間設計課程的教學內容更加豐富、全面，提高了學生的動手實踐能力。

（四）融合多種教學手段，挖掘虛擬仿真實驗教學價值

在空間設計教學中運用虛擬仿真實驗資源，應當拓展應用范圍，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變，形成空間設計實踐教學體系[5]。在課堂教學過程中，要從不同角度挖掘虛擬仿真實驗教學資源的使用價值。如結合對分課堂、翻轉課堂的教學模式，組織學生分組對設定的教學目標和教學內容展開討論，讓學生共同協(xié)作完成任務，進一步加深學生對專業(yè)知識的思考和理解。再者，結合OBE和CDIO教學理念，將設計實踐項目內容引入課程，加深學生對空間設計實際問題的理解，使學生自覺將理論知識與實踐操作相結合，更好地對接設計市場。同時，除了課堂教學外，還應該鼓勵學生利用虛擬仿真實驗資源預習、鞏固所學知識，積極參與各項學科設計競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽以及設計工作坊，通過多種形式深化理解、應用以及提高專業(yè)知識技能，實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標。

三、虛擬仿真實驗資源在空間設計教學中的應用評價

從“教”和“學”兩方面對虛擬仿真實驗教學資源進行應用評價。一方面，通過虛擬仿真技術從多方位建立對學生設計成果客觀、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資源的應用情況進行評價，完善機制。

（一）實現(xiàn)全過程、多方位的空間設計方案評價

對學生的設計成果進行客觀、全面的評價，有助于激發(fā)師生對課程投入的積極性，提高課程教學改革的動力。在對設計成果進行評價的過程中，應當融合多學科，從空間視覺感知、聲光熱物理環(huán)境、人體行為模式等方面，對方案進行量化測評。設計成果的評價不應局限于學生的最終設計方案，而應該綜合評價設計開展的各階段情況，強調評價其全過程性和動態(tài)性。同時，對學生的評價還應該從理論知識、設計方法、實踐技能、空間認知、成果匯報等能力素質方面進行，體現(xiàn)評價的全面性和綜合性。通過全過程、多方位的設計方案評價，教師可以及時了解學生的學習情況、個體差異，并對教學過程及時做出調整，制訂個性化的教學指導方案；此外，學生通過評價結果，能充分了解自身的學習程度，以此總結經驗，找出差距，優(yōu)化學習方法，進而提高學習效率。

（二）建立一套評價反饋體系、質量控制系統(tǒng)

虛擬仿真實驗教學資源的引入，需要任課教師、教學管理者就課程的教學目的、教學進度、教學方法以及學生的學習狀態(tài)、學習感受、學習效果等方面進行溝通協(xié)調，進而形成一套評價反饋體系、教學質量控制系統(tǒng)。質量控制系統(tǒng)是將實際教學質量進行標準量化，并與預期的教學質量進行對比，找出差距并分析產生偏差的原因，然后制定相關糾正計劃與措施。建立評價反饋體系與質量控制系統(tǒng)需要關注三方面內容，一是根據教學實施計劃有針對性地選擇對教學質量有顯著影響的關鍵控制因素；二是制定相關指標，將教學目標和質量進行量化，找出具體偏差；三是通過學生評價、問卷調查、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、結語

在空間設計教學中引入虛擬仿真實驗教學資源，應當從資源的建設、應用以及評價等方面入手，更新、轉變教學理念和組織模式，促使虛擬仿真實驗教學資源平臺處于動態(tài)開放和循環(huán)調整的狀態(tài)，使其發(fā)揮最大的教學功效，充分拓展設計教學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資源能夠促進學生的自主學習、師生的互動交流以及教學成果的全方位評價，從而推動空間設計教學向多學科融合、信息共享方向轉變。

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［責任編輯：黃緊德］