虛擬現實技術在古建筑設計實踐教學中的應用

張 曉 趙軍霞 賈 燕

（河北傳媒學院，河北石家莊 051430）

虛擬現實技術在古建筑設計實踐教學中的應用

張 曉 趙軍霞 賈 燕

（河北傳媒學院，河北石家莊 051430）

虛擬現實技術被應用到古建筑設計實踐教學環節中，可大大提高實踐教學的質量與效率，但當前運用虛擬現實技術開展實踐教學存在硬件設備低端化、程序語言算法難、虛擬場景效果有偏差，以及教師對運用模擬現實技術開展實踐教學存在認識偏差、組織不到位等不足。須采取如下措施：增強硬件對實踐教學的適應度；加強虛擬現實技術系統軟件開發，提高軟件與實踐教學的貼合度；強化師資隊伍對虛擬現實技術的研究和運用。

虛擬現實技術；古建筑設計；實踐教學

虛擬現實技術是采用以計算機技術為核心的現代高科技，生成逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等一體化的虛擬環境，用戶借助必要設備（如傳感頭盔、數據手套等）以自然的方式與虛擬世界中的物體交互，從而產生親臨真實環境的感受和體驗[1]。虛擬現實技術應用范圍很廣，人們熟知的影視藝術、影視廣告、建筑室內外環境設計、園林規劃設計、軍事、房地產、游戲設計等都有所使用。隨著虛擬現實技術的發展，它被逐步引入高校專業實踐教學的環節中，讓更多的學生得到虛擬互動技術的實惠。具體到古建筑設計專業的實踐教學，目前虛擬現實技術雖有所運用，但運用的廣度和深度都尚欠缺，沒有太多的經驗可尋可鑒，故筆者將其列為課題作粗淺的探討。

一、虛擬現實技術在古建筑設計實踐教學中的優勢

古建筑設計專業實踐教學在引入虛擬現實技術之前，傳統的實踐教學有四種常見方式：一是階段實踐考察，二是定崗實習，三是校企合作實習，四是實訓室實踐。這些實踐教學方式對提高古建筑設計專業學生的實踐能力發揮過重要作用，即使虛擬現實技術成為今天古建筑設計專業實踐教學的主要方式，上述傳統的實踐教學方式也仍然沒有完全退出教學舞臺。但是，傳統的古建筑設計專業實踐教學方式所固有的弊端，隨著實踐教學力度的加大愈加凸顯出來。如階段考察實踐教學方式存在對古建筑結構、古建筑構件的銜接方式的實踐內容不連貫，導致學生片段式了解而不能系統地學習掌握；定崗實習實踐教學方式是由教師擇優推薦參加實踐的學生，無法滿足所有學生參加實踐的需求；校企合作實踐教學方式則過于商業化，實踐過程中容易造成學生的設計思路被禁錮在一定的范圍之內，影響設計創新；實訓室實踐制作周期相對較長、效率不高等。

虛擬現實技術的引入，可以顯著地改善古建筑設計傳統實踐教學環節中的弊端和不足。一是使學生可以無限次地重復實踐一個教學內容直到牢記于心、嫻熟于體；二是可以打破傳統實踐教學中因受實踐場所規模、容量對實踐人數的限制，分組分批地照顧到所有的學生；三是可以拓展課題的內容，將課程中的每種古建筑結構形式都練習到，使每個教學知識點銜接得更緊湊；四是只要技術人員定期充實古建筑虛擬系統中的模型庫，不需要長期地定制實體模型，能夠有效擺脫實驗實訓材料更新慢的弊端等等。

總之，充分利用虛擬現實技術使學生能夠在虛擬的學習環境中全身心的投入，非常有利于均衡的技能訓練。它所營造的特殊的自主學習環境使學生通過自身與信息環境的相互交換獲得知識、技能。形象化的三維模式更易接受和掌握，為學生提供了古建筑設計領域里的無限虛擬體驗，主動地交互能夠顯著增強學生的探究興趣，提高學習能動性，有利于培養學生自主探索問題的能力和創新能力。

二、虛擬現實技術在古建筑設計實踐教學中面臨的問題

虛擬現實技術在古建筑設計實踐教學使用過程中雖然具有很多優勢，但作為一項新教學改革行為，必然會碰到矛盾和問題。這些矛盾和問題有硬件設備方面的，也有軟件開發方面的，還有使用主體本身的一些觀念、目的、方法方面的，如果不及時解決就會影響虛擬現實技術在實踐教學中優勢的發揮。

（一）虛擬現實技術運用存在的問題

一是硬件方面不能滿足實踐教學的需要。從現實情況看，主要反映在兩個方面。

首先，設備低端化，導致軟件不能正常運行。虛擬現實技術使用過程中，如果計算機綜合硬件配置較低，處理大量三維數據時就會出現速度跟不上、數據存儲性能不足等缺陷。這種情況在民辦院校中比較突出。一方面，由于資金來源相對緊張，投入周期長，不能及時地更新計算機設備；另一方面，系統軟件的更新頻率卻較快。在現有的條件下，就容易造成計算機配置不能滿足虛擬現實技術運行要求，導致實際交互使用過程中出現卡頓不流暢，甚至卡死的現象，影響了古建筑設計專業實踐教學的順利實施。

其次，體驗設備數量過少，增加了實踐教學的時間成本。虛擬現實技術屬于沉浸式的一種視覺體驗，需要借助相關硬件設備來實現，如眼鏡、頭盔等設備終端。同樣因為資金投入不足等原因，不少院校體驗設備數量有限，學生在使用過程中不得不分期分批地進行，其結果，或拉長了實踐教學的過程，或縮短學生機上實踐的時間。無論哪種情況都會削弱運用虛擬現實技術開展古建筑設計專業實踐教學的效果。

二是軟件運用還不能盡如人意。也面臨著兩個方面的困擾。

首先，交互系統計算語言算法難。運用虛擬現實技術開展古建筑設計專業實踐教學，其軟件系統的專業化程度要求很高。這種軟件系統的編寫制作，最理想的狀態，是由具有豐富古建筑設計專業教學經驗的教師來做。因為他們了解實踐教學的整體過程和每一處細節的要求，懂得怎樣的系統才能更有利于學生實踐能力的形成和提高。但虛擬現實技術交互軟件打包過程中，需要將所有的三維模型，按照使用者的需求，將所有涉及三維交互內容的程序全部寫入系統，再通過三維交互引擎渲染輸出給各種現代化終端設備，這對并不精通此類計算機語言編寫的古建筑設計專業教師來說，無疑是個越不過去的難關。因此，各院校普遍采用將此類軟件外包給專門的軟件公司制作的方法。但這種方法也存在軟件公司因不懂古建筑設計專業因而不能深入了解其專業細節要求的弊端，制作出來的軟件讓專業教師和學生使用起來有不盡如人意的感覺，達不到實踐教學的理想狀態。

其次，虛擬環境場景呈現的真實效果有偏差。創建的虛擬環境須符合人的理解特點和生活經驗，包括物理真實感、時間真實感、行為真實感。但是古建筑設計實踐環節的虛擬現實交互系統中，場景設計只注重幾何圖形的表現，而忽略了逼真的物理模型、行為模型，尤其是在視覺方面，還原真實環境的效果大打折扣。

（二）教師在虛擬現實技術應用過程中存在的問題

一是部分教師觀念守舊，對虛擬現實技術應用有抵觸心理。古建筑設計專業的實踐環節，以往都是通過手工制作1∶25的古建筑模型的形式來進行。在制作過程中，教師一邊講一邊做，口傳手授地將理論知識點融入操作中，多年來已經形成了一種實踐教學的習慣和模式。而虛擬現實技術的引入，打破了以往實踐教學的習慣和模式，如教師往往須先作講解，其后才能讓學生動手實踐。一時不能適應這種改變的教師不免覺得不太合理，從而對虛擬現實技術的運用產生排斥心理，認為虛擬現實技術只是單純地迎合了學生的好奇心理，有嘩眾取寵之嫌；擔心時間一長，學生的新鮮勁過了，也就不會感興趣了。在這部分教師眼中，還是手工制作開展教學實踐得到的樂趣多，而且學生可以一邊制作一邊和教師溝通，發現問題處理起來的更便捷、更及時。

二是教學模型設計貪多求全，主次不分。目前，古建筑設計專業培養方案中古建筑樣式重點定位在明清時期的建筑，所以在選擇前期系統模型制作時，須適應這一定位，根據培養方案有目的地進行選擇。然而，目前部分古建筑設計專業為教學實踐設計制作中存在著貪多求全、主次不分、眉毛胡子一把抓的現象，力圖把各個時代的古建筑模型都塞進系統里。作為基本建設，多搜集和反映古建筑模型似乎無可厚非，但必須認識到，古建筑模型的形式非常多，而且樣式繁雜，尤其是施工工藝、卯榫結構形式、屋面搭建樣式、基座樣式、雕梁畫棟等非常的繁瑣和復雜，將各個時期的建筑樣式進行模型制作需要大量資金和精力，企圖面面俱到往往會適得其反。

三是數據搜集整理滯后，影響系統改進和完善。支持古建筑設計專業實踐教學的虛擬現實技術系統應當是一個開放的系統，能夠不斷地改進和完善。每一次的古建筑設計專業實踐過程中，教師、學生都會碰到新問題、獲得新體驗、得出新結論，既有硬件方面的，也有軟件方面的。同時，隨著古建筑設計專業理論和實踐的不斷發展，以及虛擬現實技術的發展，會產生許多新的數據。只有把這些新的信息和數據及時反饋到系統中，才能使系統不斷得到完善，從而更加有力地支持古建筑設計專業實踐教學的開展，促進實踐教學質量的提高。但是，目前的實踐教學中，不少古建筑設計專業教師往往注重了對虛擬現實技術的運用，卻忽略了新的教學數據的搜集、整理，并及時地反饋到系統中。有些教師在指導學生教學實踐中處理了大量的具體問題，獲得了許多寶貴的數據和信息，但在完成實踐教學任務后，這些數據和信息就被擱置一旁，并不能對系統的完善和升級產生應有的作用。

三、充分發揮虛擬現實技術在古建筑設計實踐教學中優勢的對策

在古建筑設計實踐教學過程中，虛擬現實技術在不斷地和實踐教學進行磨合，使用中出現的上述問題，需要在不斷摸索和研究中找到較合適的方式方法應對，以求能在有限的實踐教學條件中發揮虛擬現實技術的最大化使用效果。

（一）軟硬兼施，增強硬件對實踐教學的適應度

所謂軟硬兼施，是指從硬件設備和軟件運行兩個維度，解決古建筑設計專業虛擬現實系統運行不夠流暢的問題。

從硬件角度講，應及時更新計算機設備。計算機設備是虛擬現實技術運用最基礎的硬件條件。眾所周知，計算機設備硬件技術更新換代的速度非常之快，而院校特別是民辦高校在更新計算機設備上卻存在明顯的滯后性。有的教學單位計算機更新一次后，五六年不再全面更新。作為教學使用單位，必須及時向學校相關管理部門提出更新計算機設備的申請，闡明更新的理由，引起重視，促使學校作必要的投資。當然，作為教學使用單位，也應有大局觀念，顧及計算機技術更新快與學校經費困難的矛盾，在更新計算機硬件方面采取更為經濟化的策略。比如，計算機可逐次更新，在一個教學單位內，使計算機多代并存，既能保證最新虛擬現實技術在本單位及時運用，又不致因一次更新計算機經費量過大而難以實現申請意圖。

除了硬件更新及時使用計算機新技術外，還可以在古建筑專業虛擬現實技術系統軟件的科學使用上下工夫。比如用“次時代圖形技術”優化系統軟件，以克服設備低端化帶來的實踐教學困境。虛擬現實技術需要后臺的支持來完成互動的環節，也就是三維實時互動，采用“次時代圖形技術”可以將古建筑的模型面數降到最低，但不會影響質量，保證系統中的模型旋轉、移動、拉伸的時候不會出現撕裂、變形、失真的情況。這一點，可在平時的3dmax課程中，通過重點改變教學任務來完成，除了教授學生建模的方法，還要強調制作流程。通過VRP虛擬現實編輯器（三維場景編輯器）、二次開發工具包、3D互聯網平臺、虛擬社區系統、虛擬旅游平臺、虛擬展館、數字城市平臺、粒子特效編輯器、物理引擎系統、立體投影軟件融合系統、工業仿真平臺等[2]，進行下一步的開發、合成、輸出、運行。優化以后的系統可以在相對低端的硬件設備上運行，能夠有效地避免出現卡頓、閃退、死機的現象。

（二）加強虛擬現實技術系統軟件開發，提高軟件與實踐教學的貼合度

運用虛擬現實技術開展古建筑設計專業實踐教學，專業軟件的優劣即與實踐教學要求的貼合度高低，對實踐教學的效果有著至關重要的影響。在軟件開發制作上必須下大工夫提高其與實踐教學的貼合度。

提高貼合度，當前須解決的問題，在于細化場景設定，促進虛擬場景真實度更符合教學要求。為使學生在虛擬現實場景中更好地體驗古建筑搭建，可將環境設定為可更換的選項，學生可以選擇在自己喜歡的環境中完成古建筑搭建。所以前期場景設定一定要真實，人和環境的交互更舒適更人性化，設定需要互動的部分保證完整性和獨立性[3]。古建筑場景的設定，需要根據環境制作不同的背景模塊、輔助模塊，如攝影機機位（平視、仰視、俯視、鳥瞰、360度環視）、觀察者路線、園林設計元素（假山、水體、植物、輔助設施）、建筑結構觀察角度（平面圖、剖面圖、結構圖、細部圖）等，都需要進行分鏡頭畫面的繪制，為后臺程序設計提供鏡頭設定依據。人性化的沉浸環境可以調動學生學習的主動性和積極性，既能達到動手實踐的目的，又能提高學習效率。

與實踐教學貼合度高的軟件的開發制作，一方面，須依托專業的軟件公司，同時也應充分地、合理地利用本校的教學資源。目前許多高校都設置有計算機信息專業，其中不乏軟件編程的行家里手。充分整合本校的計算機信息專業人才資源，古建筑設計專業與計算機信息專業鼎力合作開發古建筑設計虛擬現實技術軟件，是一個可以操作的選擇。具體辦法是針對實踐教學的需要，古建筑設計專業與計算機信息專業聯合立項，完成某些實踐教學軟件。在現有條件下，應將合作研究的重點放在虛擬現實技術的前期軟件編程部分。這種聯合開發，既可以降低古建筑設計專業實踐教學的成本，又可以鍛煉、提高古建筑設計專業教師的軟件開發能力，還可促進計算機專業為本校教學服務，真可謂一舉三得。

（三）強化師資隊伍對虛擬現實技術的研究和運用，促進實踐教學效果的最大化

首先，引導教師正確認識虛擬現實技術的作用，確立實踐教學用科技的觀念。一方面，古建筑設計專業教學單位應有針對性地組織教師學習、研究虛擬現實技術的相關概念、技術特點、發展現狀和未來趨勢，讓教師們充分了解虛擬現實技術的強大功能，以及對現代社會的巨大影響；認識虛擬現實技術被應用于古建筑設計專業實踐教學，是信息化時代發展的必然結果，是古建筑設計專業實踐教學的必然選擇，它的出現是為了更好地適應實踐教學要求。通過學習和研究，使教師們認識到，作為高校教師應時刻保持探索的精神、銳意進取，適應現代信息技術發展的要求，不斷更新觀念，做到與時俱進，在教學改革中樂于接納、勇于嘗試虛擬現實技術。另一方面，組織教師深入學習、研究虛擬現實技術在實踐教學中優勢。讓教師們在與自己專業的結合中更深入、更具體地了解虛擬現實技術的優點、操作方法等，感性地把握虛擬現實技術在古建筑設計專業實踐教學環節中的優勢，消除陌生感，拉近與虛擬現實技術的距離，從而增強教師學習、運用虛擬現實技術的興趣，提高在實踐教學中運用虛擬現實技術的自覺性、主動性。

其次，教師對古建筑模型的選擇須突出重點，以點帶面地引導學生展開教學實踐。

中國古代建筑源遠流長，各個時代有各自的特點，但是，明清時代的建筑設計是最具代表性的古建筑，既薈萃、傳承了中國各個歷史時期古建筑的特點、突出的裝飾效果，又有自己的鮮明風格，是中國古建筑的最后一個高峰期。在有限的教學課時內引導學生切實掌握明清時期的建筑相關問題，就可以實現專業上的承上啟下、舉一反三的效果。因此，教師們在理論教學上應該遵循這一原則，實踐教學也應堅持這一原則。在系統中設定古建筑模型的時候，教師應始終頭腦清醒地突出明清古建筑這一重點，堅決克服貪多求全、面面俱到的傾向，防止學生學習中的消化不良。

當然，突出重點也要適當兼顧次重點。可以設計一定數量其他朝代的建筑模型，為學有余力的學生提供拓展的空間。

再次，教師應自覺為系統的完善做好數據搜集整理工作。

虛擬現實技術參與的古建筑設計實踐教學活動應該是一個設計、使用、數據搜集從而不斷完善的完整鏈條。作為一名古建筑設計專業教師，參與前期設計是為了系統更好地適應教學，而使用的過程是引導學生將理論付諸實踐。但是使用并不是最后的環節。整個系統應該是開放的，是不斷充實完善的。唯有如此，系統才能隨著實踐教學的持續進行而不斷升級到更高層次。而這種升級與使用系統的每位教師相關，需要使用者持續地將使用過程中產生的大量數據反饋到系統中，才能使系統更加適應實踐教學的需要。根據數據的特征可以將其分類為建模、貼圖、燈光、渲染、數據輸出等，因此，教學單位應引導教師認識自己在完善系統中的責任和使命，并明確地賦予每位教師搜集使用數據的任務，制定數據反饋的相關制度，要求對每次使用過程中出現的問題等數據進行整理，為系統完善提供有力的數據支持。

尾論

虛擬現實技術在古建筑設計專業實踐教學中的運用，無疑具有巨大的優勢，但目前完全沉浸虛擬現實技術硬件設施價格昂貴，制約了虛擬現實技術在實踐教學中的普及。但是，筆者相信，隨著虛擬現實技術的日益成熟、普及，其成本將會不斷下降，軟件的適用性不斷增強，這種新的教學媒體必將更加廣泛地應用于教學。

[1]趙筱斌.虛擬現實技術與應用研究.[M].北京，中國水利水電出版社，2014:2.

[2]張濤.多媒體技術與虛擬現實.[M].北京，清華大學出版社，2008:37.

[3]鄭伯川.3D模型檢索技術綜述［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2004（7）：882.

（責任編輯：杭長釗）

2016-11-12

張曉，河北傳媒學院藝術設計學院副教授，碩士，研究方向：環境藝術設計；趙軍霞，河北傳媒學院藝術設計學院副教授，本科，研究方向：視覺傳達設計；賈燕，河北傳媒學院藝術設計學院副教授，碩士，研究方向：環境藝術設計。