基于虛擬仿真技術的民族景觀建筑實驗教學探索

梅駿翔 孫雅沄

【摘 要】當前民族景觀建筑實驗教學過程面臨不直觀、不可逆、成本高等問題，通過構件基于傾斜攝影和unity三維仿真技術的廣西侗族特色建筑風雨橋虛擬仿真實驗系統，實現民族景觀建筑認知由傳統的文字、圖片插畫等靜態展示教學向可漫游、可交互的虛擬三維立體式教學的轉變，學生使用三大功能模塊實現對風雨橋的建筑外部形制和內部結構的學習，特別是對重要傳統榫卯技術穿斗式結構的認知和實踐運用能力。具有教學方法、評價方式和表現形式上的創新。

【關鍵詞】虛擬仿真實驗;民族景觀建筑;高校教育

1、實驗背景與目的

侗族特色景觀建——筑風雨橋多為年代久遠的文物保護建筑，且多位于交通不便的偏遠地區，當前在對其認知教學過程中面臨著一旦遭受破壞便不可逆、學生集體外出成本高昂等難題[1]。同時傳統的靜態展示無法讓學生接觸到風雨橋建筑內部結構和裝配施工的真實場景，限制了學生對該類民族景觀特色建筑的理解和掌握[2]，從而使風景園林類、土木類專業大學生對這些未來工作需要的施工技術缺乏基本技能訓練和切身體會，難以支撐專業人才培養目標的實現。

基于此情況，桂林理工大學發揮地處西南民族地區的地域優勢，依托區域一流學科風景園林專業的發展建設，嘗試搭建一套廣西侗族特色風雨橋虛擬仿真建構實驗教學系統，借助虛擬仿真技術讓學生體驗風雨橋建筑的三維虛擬實景，使學生感受到身臨其境的沉浸感[3]。該項目以高精度風雨橋建筑虛擬模型為載體，完整再現了建筑外觀形制、內部構造和裝配搭建流程的全過程，有效克服了傳統圖文靜態展示帶來的實習實驗教學瓶頸，學生通過人機交互實驗學習感知風雨橋建筑的內外構成和裝配過程，能夠快速實現對建筑的全面理解，還能對相關的理論知識進行鞏固和應用實踐，實現理論知識和工程實際相結合，真實工程和虛擬建筑相結合，綜合了培養學生的信息獲取能力，自主學習能力以及創新創造能力[4]。

2、實驗儀器與設備

（1）硬件設備：數據服務器、液晶拼接顯示器、工作站、交換機、個人客戶端等;手機及網絡環境;APP、電腦及網絡環境。

（2）軟件系統：Unity WebView插件、網絡版實驗教學軟件、高精度三維虛擬模型、穿斗式結構三維虛擬模型、風雨橋裝配三維虛擬模型。

3、實驗原理及內容

本實驗項目依托傾斜攝影三維建模技術，采集風雨橋建筑外部紋理和內部結構數據，然后導入unity軟件中進行實驗交互步驟設計，最后整合為一套集認知學習、互動操作和在線考核評價的綜合型虛擬仿真實驗教學系統。學生通過上機實踐對高精度建筑模型進行鍵鼠交互操作，實現對建筑各重要構件的多維綜合認知學習，同時通過風雨橋建筑的搭建組裝流程的交互化和可視化，增強學生對少數民族傳統建筑設計思想與營造技藝的理解，從在線認知學習、認知考核以及建造學習等多方面綜合培養學生專業能力[5]。具體包括以下三大功能模塊：

（1）建筑基本結構環繞觀察模塊：以感官認知為主，通過選擇橋墩、基座、橋身和亭廊等基本結構組件，學生可進行點擊查看和自主漫游，實現對建筑模型的整體環繞觀察、基本結構觀察和透視結構觀察。

（2）穿斗式構件認知學習模塊：選取橋身的一個局部切面進行放大，了解其內部榫卯結構細節。該切面包含5個建筑構件，分別為：立柱、穿枋、瓜柱、檁和椽。學生通過觀察和選擇具體構件，實現構件拆解、構件認知和一鍵還原等仿真效果。

（3）風雨橋裝配組裝學習模塊：進入該模塊后，視角窗口重置至可觀察模型整體的視角。此時模型整體呈半透明狀態，點擊“開始裝配”按鈕，在畫面左側出現“組件工具箱”，工具箱中有模塊一、二中編好組的各個組件，根據出現的文字提示，分步在工具箱中選中對應組件并拖放至指定的半透明高亮位置，完成整體風雨橋模型的搭建。

4、實驗教學具體方法

（1）多媒體講授教學法：1、實驗概述：介紹本次實驗教學目的、意義、教學大綱。說明應遵守的實驗規程和操作細則，并確定實驗的成果要求和進度時間節點。2、理論和知識點講授：首先介紹侗族風雨橋建筑相關背景知識，虛擬仿真技術在建筑營建研究中的作用和趨勢，使學生建立起民族景觀建筑設計的主要技術框架。

（2）實踐指導互動教學：1、下發實驗指導書，學生在提示指導下對建筑模型進行簡單操作，遇到模型卡頓、視角無法縮放移動、渲染超載等易發問題以及相對應的處理方法。2、觀看相關操作演示視頻后，幫助學生理解建筑外部形制和內部結構要點，對容易出差錯的穿斗式建筑結構拆解和整體模型拼裝等具體問題進行指導，使學生能夠根據系統提示自主完成建筑模型的交互操作。

（3）多維教學評價：豐富實驗結果評價體系，學生實驗成績除在虛擬仿真實驗系統中完成指定操作外，還包括配套習題訓練、課后分組討論和經驗心得匯報，確定同學的最終實驗教學成績。通過多維教學評價使參與實驗的同學綜合掌握理論知識和動手實操能力，匯報環節鍛煉了參與實驗同學的口頭表達能力和匯報邏輯思維變被動接受為主動學習，提升專業整體學習效果。

5、實驗創新與亮點

（1）教學方法創新：本虛擬實驗改變了傳統講課式的教學方法，采用任務驅動式、項目案例式及討論啟發式等現代化教學手段進行教學，改變以往“以教師為主體”的教學模式，強調“以學生為中心”的實驗教學理念，在實驗教學過程中，老師對整個實驗前、中、后全過程加以指導和引導，通過任務驅動的方式來激發學生對實驗內容的學習興趣，通過啟發討論方式激勵同學們充分發揮想象，對風雨橋建筑的構造提出新的思考和見解。

（2）表現形式創新：本實驗教學項目采用生動、逼真、立體的表現形式，將抽象的實驗過程用形象逼真的動畫來展示，使學習者體驗置身其中的沉浸感，能夠實現人機交互，激發學生的學習興趣和自主學習創新的動力，極大提高了學生的實驗操作技能，是對傳統實驗教學的極大延伸和拓展。此外，本項目還為學生提供了一個不同時間、不同空間以及不同維度的學習空間，為學生提供了更為廣泛的信息資源，具有信息獲取更加便利，學習環境更具安全性，實驗過程綠色環保的特點。

（3）評價體系創新：本實驗采用綜合評價法對學生進行實驗效果考核。主要考核指標有實驗預習，實驗操作，實驗報告以及知識考核，注重對實驗的過程性評價，提高評價的公正性。該評價體系對實驗預習，實驗操作，實驗報告、知識考核各部分的具體考核點進行了詳細劃分，并賦予不同的權重，整個評價體系更注重學生實際處理問題的能力和創新創造能力的考核。

【參考文獻】

[1]張千. 廣西三江侗族木構建筑的符號學研究[D].廣西大學，2018.

[2]鄧夢帆，李舒陽，陳曉婷.虛擬現實建筑場景中距離認知還原度研究[J].中外建筑，2019（04）：40-43.

[3]趙曉松. 基于Untiy3D的可視化虛擬仿真實驗平臺的設計與開發[D].西安電子科技大學，2017.

[4]石堅韌.建筑與城市設計專業的虛擬仿真教學模式探索[J].高等建筑教育，2009，18（01）：123-125.

[5]李虹江.基于VR技術的藝術類虛擬仿真實驗教學平臺構建探討[J].大眾文藝，2019（10）：227-229.

作者簡介：梅駿翔（1991-），男，講師，碩士，研究方向為風景旅游規劃設計。

通訊作者：孫雅沄（1991-），女，助教，碩士，研究方向為景觀設計。

基金項目：桂林理工大學教改項目（2017B28）;廣西旅游產業研究院開放基金項目（GXTA201706Q）;廣西中青年教師基礎能力提升項目（2019KY0276）。