虛擬仿真技術(shù)下適老化空間設(shè)計(jì)教學(xué)創(chuàng)新

隨著人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，高校課程改革創(chuàng)新成為教育領(lǐng)域的重要議題。本文基于高校環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)類專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀，將虛擬仿真技術(shù)作為“適老化空間設(shè)計(jì)”課程教學(xué)創(chuàng)新的核心，通過(guò)從二維到三維的轉(zhuǎn)化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，并分析了傳統(tǒng)教學(xué)方式的問(wèn)題，探討了虛擬仿真技術(shù)在本課程中的應(yīng)用內(nèi)容、方法及其優(yōu)勢(shì)，規(guī)劃了虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的模式建設(shè)，旨在培養(yǎng)專業(yè)設(shè)計(jì)人才，改善老年居住環(huán)境。

1 教育教學(xué)體系下的虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用研究現(xiàn)狀

虛擬仿真技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的運(yùn)用，有助于提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。虛擬仿真技術(shù)所構(gòu)建的虛擬教學(xué)環(huán)境，在國(guó)內(nèi)外教學(xué)實(shí)踐中日益得到廣泛應(yīng)用和推廣，具有身臨其境、效率高、安全便捷、節(jié)約成本等特點(diǎn)。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

據(jù)國(guó)外研究報(bào)道，虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)將會(huì)在很大程度上改變傳統(tǒng)教學(xué)方式，為傳統(tǒng)教學(xué)改革、人才質(zhì)量提升提供新方法。德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，涵蓋化學(xué)工程、機(jī)械工程、電子工程等多個(gè)領(lǐng)域，為學(xué)生提供了豐富的虛擬實(shí)驗(yàn)室資源。英國(guó)倫敦大學(xué)使用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行考古學(xué)教學(xué)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境重現(xiàn)古代文明，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行挖掘、分析和研究?？傮w來(lái)看，國(guó)外在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的研究形成了跨學(xué)科融合涵蓋如醫(yī)學(xué)、航空航天、軍事、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科的資源共享和協(xié)同研究。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要組成部分，在國(guó)內(nèi)高校教學(xué)創(chuàng)新中扮演著越來(lái)越重要的角色。在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，開(kāi)始應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行研究的學(xué)者也比較多。我國(guó)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀如下所述。

首先，在理論上，主要探討教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用模式、教學(xué)設(shè)計(jì)原則、學(xué)習(xí)效果評(píng)估等方面的問(wèn)題。

其次，在課程開(kāi)發(fā)上，高校圍繞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)發(fā)了特色課程和教學(xué)資源，注重課程與虛擬仿真技術(shù)的融合，提高課程的實(shí)踐性和互動(dòng)性。

最后，在實(shí)訓(xùn)應(yīng)用研究上，虛擬仿真技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中，可以很好地彌補(bǔ)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的不足，使學(xué)生更加了解項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)過(guò)程和其中的注意事項(xiàng)?？傮w來(lái)看，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在國(guó)內(nèi)高校教學(xué)創(chuàng)新中的應(yīng)用較多，正在逐步成為提升教學(xué)質(zhì)量、推動(dòng)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要手段[1]。

2 環(huán)境設(shè)計(jì)專業(yè)傳統(tǒng)培養(yǎng)模式下的問(wèn)題現(xiàn)狀

首先，“適老化空間設(shè)計(jì)”是環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)主要課程之一，其傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)于扁平化，以教師講授為主，教師一般通過(guò)案例及圖片等方式講解，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，因此，這種單向傳輸?shù)慕虒W(xué)模式缺乏互動(dòng)性。在傳統(tǒng)教學(xué)中，理論教學(xué)往往占據(jù)主導(dǎo)地位，而實(shí)踐環(huán)節(jié)相對(duì)較弱。這導(dǎo)致學(xué)生雖然掌握了大量理論知識(shí)，但缺乏實(shí)際操作能力，難以將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際工作中。

其次，在環(huán)境設(shè)計(jì)專業(yè)課程的傳統(tǒng)教學(xué)方法中，教師常用空間形態(tài)的營(yíng)造，空間功能的梳理，空間動(dòng)線的組織等引導(dǎo)學(xué)生分析和探索空間。因此，對(duì)學(xué)生的空間想象力和表達(dá)能力有一定要求，對(duì)于空間想象能力較弱的同學(xué)而言，該教學(xué)環(huán)節(jié)的知識(shí)學(xué)習(xí)和理解便較為困難。

最后，對(duì)于細(xì)節(jié)部分的展示，三維（3D）成像軟件雖然能夠?qū)崿F(xiàn)角度旋轉(zhuǎn)和漫游，但目前還有待完善。特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)和材料、燈光的配置以及空間尺度等細(xì)節(jié)部分的展示，這些在環(huán)境設(shè)計(jì)類課程體系中至關(guān)重要的信息，往往無(wú)法完全、準(zhǔn)確地傳遞給學(xué)生。因此，學(xué)生在這些方面的理解和掌握上存在一定的困難和不足。

3 虛擬仿真技術(shù)在適老化空間設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用內(nèi)容和設(shè)計(jì)思路

虛擬仿真技術(shù)在適老化空間設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用，能夠顯著提升學(xué)生的情景認(rèn)知能力，并幫助他們建立起空間尺度意識(shí)。通過(guò)這一技術(shù)，學(xué)生能夠在軟件平臺(tái)上提高二維與三維模型聯(lián)合應(yīng)用的能力，從而更全面地掌握設(shè)計(jì)技巧。此外，虛擬仿真技術(shù)還能為適老化空間設(shè)計(jì)課程構(gòu)建一個(gè)包含“基礎(chǔ)理論+空間結(jié)構(gòu)+材料工藝+燈光設(shè)計(jì)+尺度規(guī)范+表達(dá)呈現(xiàn)”的完整知識(shí)鏈條，為理論教學(xué)提供生動(dòng)、直觀的場(chǎng)景。在該技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，復(fù)雜的理論和概念能夠以圖形化的方式被呈現(xiàn)出來(lái)，這使得原本抽象的概念變得具體且易于理解。

在適老化空間設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，針對(duì)課程特點(diǎn)，構(gòu)建“適老化空間設(shè)計(jì)”課程的虛擬仿真空間的還原及模擬，可直觀地反映出設(shè)計(jì)項(xiàng)目存在問(wèn)題和不當(dāng)之處，學(xué)生可以立即修正并重新嘗試。因此，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)的輔助教學(xué)，逐步向?qū)嵺`項(xiàng)目的空間設(shè)計(jì)與表達(dá)呈現(xiàn)等環(huán)節(jié)過(guò)渡[2]。

4 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系的優(yōu)勢(shì)探討

4.1 為案例教學(xué)環(huán)節(jié)提供虛擬演示場(chǎng)景

通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，可以創(chuàng)建和整合更多的教學(xué)資源，為案例教學(xué)提供更為豐富和多樣的教學(xué)素材，從而拓寬學(xué)生的知識(shí)視野。虛擬仿真教學(xué)演示還可以直觀地展示案例中的理論概念如何在實(shí)踐中應(yīng)用，幫助學(xué)生建立理論與實(shí)踐之間的聯(lián)系，如適老化空間虛擬仿真環(huán)境建模、空間虛擬漫游、虛擬仿燈光配置運(yùn)行程序模擬、燈光色溫調(diào)節(jié)、燈光亮度調(diào)節(jié)等。虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系能夠?qū)⒉煌瑢W(xué)科知識(shí)融合展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的知識(shí)整合和技能應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)科間的交叉融合，提高學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。

4.2 使學(xué)生具有真實(shí)的體驗(yàn)感

虛擬仿真技術(shù)能夠創(chuàng)建一個(gè)高度逼真的三維空間環(huán)境，讓學(xué)生在其中進(jìn)行設(shè)計(jì)和探索。這種技術(shù)能夠使學(xué)生更直觀地理解空間關(guān)系和設(shè)計(jì)效果，從而極大地增強(qiáng)學(xué)習(xí)的沉浸感。以適老化空間的燈光配置為例，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以模擬燈具選型、色溫調(diào)節(jié)和亮度調(diào)配等過(guò)程，隨時(shí)調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。這種教學(xué)方式有效解決了環(huán)境設(shè)計(jì)專業(yè)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的單一化、扁平化問(wèn)題，使學(xué)生能夠在實(shí)踐中不斷試錯(cuò)、修正，進(jìn)而提升他們的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)造力。

4.3 方便調(diào)整實(shí)踐作業(yè)過(guò)程和效果

“適老化空間設(shè)計(jì)”課程以實(shí)際項(xiàng)目為導(dǎo)向，其設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜且漫長(zhǎng)，設(shè)計(jì)作業(yè)往往貫穿整個(gè)學(xué)期。在此期間，學(xué)生能夠在虛擬空間中進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程和效果的實(shí)時(shí)觀察。通過(guò)虛擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)際操作，如家具布局、燈光設(shè)計(jì)等，學(xué)生可以直觀地發(fā)現(xiàn)空間中存在的相關(guān)問(wèn)題。這種虛擬環(huán)境允許學(xué)生快速調(diào)整設(shè)計(jì)元素、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并實(shí)時(shí)查看設(shè)計(jì)效果，從而大大提高了設(shè)計(jì)迭代的速度和效率。

5 虛擬仿真技術(shù)下適老化空間設(shè)計(jì)教學(xué)創(chuàng)新路徑

適老化空間設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，主要基于團(tuán)結(jié)（Unity）三維建模和虛幻（Unreal）引擎技術(shù)來(lái)還原空間場(chǎng)景。通過(guò)其可視化和直觀化的特點(diǎn)，構(gòu)建多元虛擬系統(tǒng)，模擬適老化空間的環(huán)境。該研究旨在探索利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，在適老化空間設(shè)計(jì)中提高教學(xué)質(zhì)量，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

5.1 利用虛擬仿真技術(shù)更新適老化空間設(shè)計(jì)的教學(xué)方法

5.1.1 仿真建模實(shí)踐法

將適老化空間利用虛擬仿真技術(shù)對(duì)空間場(chǎng)景進(jìn)行還原，使學(xué)生有身臨其境的感受，從而提升學(xué)生對(duì)空間的認(rèn)知。

5.1.2 三維可視化實(shí)驗(yàn)法

進(jìn)行適老化空間效果渲染烘焙，結(jié)合團(tuán)結(jié)三維建模和虛幻引擎技術(shù)，可以讓學(xué)生以第一或第三人稱在空間中漫游，再次搭建新的空間場(chǎng)景，可以通過(guò)虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間場(chǎng)景的切換，以此幫助同學(xué)構(gòu)建空間意識(shí)，樹(shù)立空間尺度感。此外，三維可視化實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)的教學(xué)目的，將適老化空間設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論、空間尺度、材料工藝、空間照明、照明參數(shù)選擇、照明控制、燈具選型及造價(jià)、額定功率及相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)、相關(guān)知識(shí)通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)等教學(xué)內(nèi)容，按照實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的要求，有機(jī)地融合在一起，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)。

5.1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)法

通過(guò)選擇合適的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備和軟件，根據(jù)教學(xué)需求選擇性能穩(wěn)定、易操作的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。構(gòu)建虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建真實(shí)的老年空間設(shè)計(jì)場(chǎng)景，包括不同類型的居住環(huán)境、設(shè)施布局等。在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)的設(shè)計(jì)流程，如空間規(guī)劃、家具選擇、照明設(shè)計(jì)并通過(guò)交互按鈕對(duì)燈光強(qiáng)度和色溫的控制，了解適老化燈光設(shè)計(jì)的方法和過(guò)程，更加直觀、可視化地進(jìn)行課程設(shè)計(jì)和課程教學(xué)。學(xué)生可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備親自進(jìn)入虛擬環(huán)境，進(jìn)行設(shè)計(jì)操作，如調(diào)整空間布局、選擇裝飾材料等。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生分析不同案例，如老年住宅、康復(fù)中心等，讓他們?cè)谔摂M環(huán)境中體驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的效果。

5.1.4 交互式實(shí)驗(yàn)法

利用虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器（HTC Vive） 進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)操作，通過(guò)選燈參數(shù)、控?zé)?、選燈及造價(jià)、額定功率統(tǒng)計(jì)及相關(guān)參數(shù)等交互體驗(yàn)，將燈光調(diào)節(jié)置于虛擬環(huán)境中的適老化環(huán)境中，掌握燈光調(diào)節(jié)對(duì)環(huán)境變化所產(chǎn)生的效果。另外，可借助綠幕摳像技術(shù)和光輝城市“一拍”軟件的動(dòng)畫(huà)結(jié)合，制作微課，幫助同學(xué)們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

5.2 利用三維建模和虛擬技術(shù)，提高學(xué)生的理解與認(rèn)識(shí)

團(tuán)結(jié)三維建模和虛幻引擎技術(shù)，在空間設(shè)計(jì)中，扮演著重要的角色。團(tuán)結(jié)三維建模技術(shù)具備可視化呈現(xiàn)、空間布局和演示、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、空間導(dǎo)航和用戶體驗(yàn)的功能。

虛幻引擎擁有強(qiáng)大的圖形渲染、高逼真的可視化、實(shí)時(shí)漫游和交互、全景演示和沉浸式體驗(yàn)，虛擬攝影和渲染的功能，可呈現(xiàn)高逼真的圖像效果，包括光照、陰影和材質(zhì)等。

上述兩種內(nèi)容創(chuàng)作和開(kāi)發(fā)平臺(tái)在空間設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要的作用。通過(guò)它們的強(qiáng)大功能和工具，學(xué)生可以創(chuàng)建出逼真、互動(dòng)和沉浸式的空間體驗(yàn)，同時(shí)可以提升學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)方案的理解，并發(fā)現(xiàn)其中的問(wèn)題，以便后期更好地通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐解決問(wèn)題。

5.3 基于“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)+虛擬現(xiàn)實(shí)”的混合教學(xué)模式，提升學(xué)生理論及實(shí)踐能力

“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)+虛擬現(xiàn)實(shí)”的混合教學(xué)模式貫穿于本課程始終。在講解相關(guān)理論的同時(shí)，穿插設(shè)計(jì)項(xiàng)目任務(wù)，以項(xiàng)目實(shí)踐中的難點(diǎn)和問(wèn)題為導(dǎo)向，將理論知識(shí)點(diǎn)與項(xiàng)目的不同階段相結(jié)合。通過(guò)還原度高、操作性強(qiáng)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，展示適老化空間設(shè)計(jì)人機(jī)理論和實(shí)踐照明理論。同時(shí)，利用三維成像技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的三維空間想象能力。利用其空間的可視性等優(yōu)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并提出相應(yīng)的解決措施，以此提升學(xué)生的理論及實(shí)踐能力[3]。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)將虛擬仿真技術(shù)融入適老化空間設(shè)計(jì)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生對(duì)適老化空間的深入認(rèn)知和實(shí)踐體驗(yàn)。通過(guò)空間場(chǎng)景的還原，利用虛擬感官設(shè)備，讓學(xué)生能夠身臨其境地體驗(yàn)適老化空間的細(xì)節(jié)和氛圍。場(chǎng)景可分為實(shí)景和優(yōu)化改造兩種：實(shí)景主要用于讓學(xué)生身臨其境地體驗(yàn)原有的適老化場(chǎng)景，獲取相關(guān)參數(shù)知識(shí)；優(yōu)化改造性場(chǎng)景則是借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還原后的場(chǎng)景現(xiàn)狀，通過(guò)情景體驗(yàn)和再現(xiàn)，讓學(xué)生充分了解現(xiàn)場(chǎng)信息，并根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容和現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者對(duì)該場(chǎng)景進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，重新優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到課程的教學(xué)目的。

引用

[1] 繆志偉，馬棟梁.與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相融合的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)創(chuàng)新與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2020（18）：384-385.

[2] 楊博.環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)課程教學(xué)改革創(chuàng)新探索[J].投資與合作，2021（5）：194-195.

[3] 陳瑩.高校環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)教學(xué)模式創(chuàng)新路徑研究[J].林區(qū)教學(xué)，2020（12）：33-35.