虛擬現實技術在建筑設計課程教學改革中的應用分析

張 彩

（鄭州工業應用技術學院，河南 新鄭 451100）

計算機數字技術與虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術為建筑設計的發展帶來了新的契機，影像建筑、數字仿真、虛擬場景等技術，可以使建筑師在設計過程中更加真實地感受建筑、體驗建筑[1]。設計對象的變化促進了建筑師角色的變化，建筑學的教學方向也要隨之進行變革，才能更好地適應技術發展。

VR技術是一種輔助教學手段，在建筑設計教學中優勢非常突出，在建筑設計課程中引入VR 技術就是為建筑設計教學注入了新的活力。不過VR技術的普及及應用還需要一個長期摸索、創新的過程，教學過程要不斷總結教學經驗，不斷更新教學理念，研發新的教學方法，才能將VR 技術的作用充分發揮出來。

1 建筑設計教學的內容

所謂建筑設計是指在建造建筑物之前，根據業主的要求，設計師將施工過程及建筑使用過程中可能存在或可能發生的問題事先做好全面設想，提前擬定解決這些問題的方案，并用圖紙把自己的設想表達出來的過程。

建筑設計教學就是指導學生如何實現、表達這些設想，并對建筑設計的過程進行優化。所以建筑設計教學的基本內容要實現空間環境的組合設計與構造設計，為學生創設直觀的學習情境，增強學生的沉浸感與臨場感[2]。完成建筑設計課程學習后，學生在設計作品時不僅要能夠在功能、要求上創造良好的空間環境，滿足業主的各種需求，同時還要賦予建筑作品更多的審美價值。因此在實際教學過程中，老師要有意識地將抽象的問題具體化、形象化，引導學生更深入地理解建筑作品的設計意圖；加強與學生的溝通、交流，充分調動學生的學習積極性與主動性，提高建筑設計教學的有效性，幫助學生完成新知識的構建。

2 建筑設計教學中應用VR 技術的優勢

VR 技術是一種擴展的計算機人機界面技術，它可以說是計算機圖形學、多媒體技術、人機接口技術、傳感器技術與人體行為學技術的集合體，從某種程度上講，它是多媒體技術更高級的形式[3]。VR 技術包括桌面VR 系統、沉浸VR 系統、分布VR系統、增強現實系統等多種，目前建筑設計教學領域中應用最廣泛的是桌面VR 系統。作為一種有效的輔助教學手段，相比其他教學技術，VR 技術在建筑設計教學中的優勢主要體現在虛擬學習情境和直觀教學2 個方面。

2.1 創設以學生為中心的虛擬學習情境

建筑設計課程的內容比較抽象，學生從形象上理解這些知識比較困難，應用VR 技術可以創造更真實、更形象的教學場景。

一方面，可以呈現現實生活中無法觀察到的自然現象或事物變化過程，比如展現一些虛擬的、不復存在的建筑作品，使學生更直觀地感受建筑之美，增強其專業認同感；通過VR 技術，老師可在三維物體與二維圖形之間任意切換，學生在理解物體與視圖之間的相互對應關系也更加簡單。

另一方面，VR 技術可將老師無法用語言表達的、建筑設計中的抽象概念及理論直觀、形象地表述出來，比如在講解光照強度、透明度等專業術語時，傳統的教學方法只能向學生呈現抽象的概念，而應用VR 技術則可以直接展示光照強度的大小、透明度的高低等，學生對于相關概念、專業術語的理解也更深入[4]。

2.2 直觀教學可增強學生對設計過程的認知

無論哪種教學方法都是服務于教學目標與教學任務，VR 技術同樣如此，其主要目的就是通過直觀教學豐富學生的感官，增強學生對建筑設計過程的認知。

直觀教學法包括實物直觀教學、語言直觀教學、模象直觀教學等多種。所謂實物直觀教學顧名思義就是觀察實物，通過實物驗證理論知識。不過建筑設計課程中實物直觀教學的局限性較大，實施起來成本較高。

語言直觀教學就是通過老師的語言描述向學生傳達相關知識，不過這種教學方法對老師的語言表達能力及學生的理解能力都有較大的考驗。

模象直觀教學則是模擬實物形象直接向學生展示。傳統的教學掛圖、幻燈片、模型等均屬于模象直觀教學的范疇，而VR 技術的應用更是擴大了模象直觀教學的范圍，創新了模象直觀教學的方法。比如應用Sketch UP 軟件可以使學生獲得更加直接的感性認知，激發學生的學習積極性；完成建筑設計作品后，可以通過VR 技術讓學生親臨現場，觀察建筑設計作品的缺陷，并反饋到設計過程進行完善；再比如，建筑設計中對建筑物功能的劃分、建筑材料的認識、建筑光影效果的體現等知識，均可以通過VR 技術呈現出來，從而優化教學效果[5]。

3 建筑設計教學改革中VR 技術的應用

在實際的建筑設計教學中，VR 技術的應用主要包括以下4 個方面。

3.1 展示立體物體

建筑設計課程中涉及到大量的抽象概念，傳統教學中為了使學生更形象地感受三維物體的信息，多采用圖片投影儀、實物展示、利用計算機建立三維模型等，但是如上文所述，傳統的模象直觀教學方法都存在一定的局限性。

應用VR 技術則可以構建一個與實物十分接近的三維物體，打破了時間、空間及成本的限制[6]。比如在學習高層建筑結構設計的相關內容時，高層建筑的結構會對建筑作品的整體造型產生直接影響。此時就可以先利用3Ds MAX 建模，再通過VRML 語言構建一個虛擬的境界。學生可以根據自己所學的結構力學知識，對建筑結構做出合理調整，通過調整梁、柱、墻的數量、比例、排列方式、截面形式等進一步強化結構力學知識，比如可以把柱子陳列成柱廊，而柱廊的長度、高度、間距等參數不同，柱廊的結構也會發生根本性變化；也可以把柱子和墻當成結構中的線與面，組成一定的肌理，框架結構并不是只有小規模見方的柱網，而是有著相當大的寬容度。學生在處理每個柱與柱、柱與梁、墻與柱關系的過程，就是強化其結構設計能力的過程，而且這種教學方法趣味性更強，更能激發學生的學習主動性。

3.2 構造虛擬場景

傳統教學中多通過老師的語言描述、圖片展示、錄像播放等形式創設學習情境，學生多數只能被動地接受，并沒有真實的參與感；且很多情境都是通過老師的語言描述再傳達到學生那里，可能已經相去甚遠。比如很多老師都會向學生介紹中國園林與建筑藝術的巔峰圓明園，即使老師說“圓明園幾乎集合了所有中國建筑形式和包括巴洛克式的西洋建筑形式”，但是學生仍然無法真正了解“所有的中國建筑形式”都有哪些，或者“巴洛克式的西洋建筑放在圓明園中是什么樣子”。但是VR 技術卻可以在不同的時間、不同的地點呈現出虛擬卻又真實的場景。學生在虛擬的圓明園中可以看到亭、臺、樓、榭等各種中國建筑形式，再與教材中的相關內容對比分析，可以對中國建筑形式有更立體的了解。如果條件允許，還可以采用沉浸式VR 技術，學生戴上頭盔顯示器可以真的置身于各種風格的建筑中，橋、墻、塔等等，感受圓明園采用的多種手段的布局構思，了解什么叫做對比，什么叫做陪襯，什么是相對空間，什么又是深度排列，這些場景可以使學生更好地感受什么叫做“效法自然”的設計原則，這種教學效果是傳統教學方法無法比擬的[7]。

3.3 開展教學實訓

建筑設計教學中，很多實驗受硬件資源條件的限制無法正常操作，因此很難達到實驗教學目標。而應用VR 技術可以很好地緩解這一問題。可以在計算機上構建一個虛擬的實驗室實訓系統，用VR技術替代昂貴的教學器材，學生在虛擬的實驗室中進行逼真的儀器操作，并及時接收系統反饋的實驗結果。通過虛擬實訓，學生可以進一步了解自己的操作是否規范，存在什么問題，便于及時做出改進。基于VR 技術，在建筑設計課程網絡平臺，如光輝城市、Uncity 等，還可以為學生提供作業展示、分享、交流的機會。平臺的主干結構由網站+電腦客戶端+移動客戶端組成，三者數據互通、關聯互動。并且VR 技術不會產生實驗器材損耗，也不受環境條件的限制，能夠重復性操作，雖然購買VR 設備需要投入大量資金，但是一次性投入可長期獲益；并且操作安全，避免學生實際操作時由于操作失誤而發生事故的問題，既保證了學生的安全，又提高了教學效果[8]。

3.4 VR 技術應用的局限性

作為一種新技術，VR 技術在建筑設計課程教學中的應用還存在一些局限性。

一是VR 技術應用存在技術方面的局限性。目前VR 技術還不夠普及，終端設備的性價比還差強人意，硬件性能還需提升，比如傳感器的性能、數據傳輸速率等，只有提高數據處理與顯示的效率，才能持續改進用戶的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、力覺等感官體驗。

二是VR 技術應用存在教學內容方面的局限性。要真正應用VR 技術實現對現實技術的模擬，需要一個龐大的資源數據庫做支撐，目前VR 技術畢竟還剛起步，數據庫資源還十分有限，針對現有的教學內容進行重新建模耗時長、投入大，并且從基礎平臺到應用軟件需要投入更多，這些均是需要慢慢積累的[9]。

4 結束語

總之，VR 技術在教育領域的應用才剛剛起步，無疑，在未來的教育領域，VR 技術將會對建筑設計及相關課程的教學產生深遠的影響。專業教師要充分認識到VR 技術的重要價值，更新教育理念，完善教學方法，將VR 技術更深入融合在建筑設計課程教學中來。可以預見，將來的建筑設計教學將與大數據技術、人工智能技術、VR 技術有更深度的融合，我們可以大膽暢想一下：未來的建筑設計專業課程很有可能在任意地點的一套VR 設備上實現教與學，建筑設計課程的學習將打破時間與空間的限制。無論如何，我們都要擁有捕捉時代變革的眼睛，勇于接受新事物，并將其轉變成變革建筑設計課程教學的有利推手。