信息時代背景下的虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用研究

俞冠伊

摘要：隨著信息技術(shù)革命的不斷進(jìn)步與發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已成為多種領(lǐng)域中的技術(shù)開源。為滿足當(dāng)下環(huán)境設(shè)計領(lǐng)域的新需求，該文針對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在環(huán)境設(shè)計新型教學(xué)模式需求的情感化、多樣化、復(fù)合化三者中的實(shí)際應(yīng)用狀況進(jìn)行研究，通過導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對實(shí)際設(shè)計過程所帶來的深遠(yuǎn)影響，以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)環(huán)境下的情景化教學(xué)、可觸碰化教學(xué)和復(fù)合化教學(xué)的策略要點(diǎn)，來應(yīng)對信息時代背景下的虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境設(shè)計教學(xué)中的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，以期為拓寬環(huán)境設(shè)計教學(xué)改革思路提供借鑒。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù);情感需求;智能復(fù)合;多元化;應(yīng)用研究

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）01-0097-02

21世紀(jì)隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的加快發(fā)展，各類多媒體技術(shù)的涌現(xiàn)，形成多元化的技術(shù)空間。虛擬仿真技術(shù)可以說是未來世界發(fā)展的一個導(dǎo)向載體。使用者只需要通過模擬器或者由計算機(jī)生成的虛擬仿真系統(tǒng)，就可以體驗到最“真實(shí)”的物化環(huán)境。同時，信息技術(shù)的迅猛發(fā)展也給傳統(tǒng)教環(huán)境設(shè)計課堂教學(xué)帶來了新的挑戰(zhàn)。環(huán)境設(shè)計本科專業(yè)主要以培養(yǎng)應(yīng)用型學(xué)生為目標(biāo)，課程主要分為理論學(xué)時（30%課程量）和實(shí)踐學(xué)時（70%課程量）。傳統(tǒng)課堂多為理論教學(xué)以教師為主，學(xué)生為輔的扁平式講授教學(xué);實(shí)踐考察課雖以學(xué)生實(shí)踐調(diào)研為主導(dǎo)，但也會因施工安全性及項目場所限定性導(dǎo)致學(xué)生參與感較低。由此可見，如何將傳統(tǒng)的環(huán)境設(shè)計課堂教學(xué)手段與環(huán)境設(shè)計學(xué)生的實(shí)踐行為得到有效發(fā)揮，是目前信息時代背景下的環(huán)境設(shè)計專業(yè)課堂教學(xué)改革的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

1 “VR+”環(huán)境設(shè)計的新途徑

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

Virtual Reality，即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將仿真技術(shù)與人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、計算機(jī)圖形、傳感技術(shù)等多種技術(shù)集合而實(shí)現(xiàn)的極具挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科[1]。通俗地說，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是使用計算機(jī)生成一個逼真三維立體的虛擬場景，在交互期間將模擬環(huán)境、視覺系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)同步捆綁合為一體，讓使用者可以通過使用傳感設(shè)備輕松獲得多種感知的一種技術(shù)。該技術(shù)依托高科技硬件和軟件生成一個模擬真實(shí)世界的虛擬環(huán)境，給人一種身臨其境的觀看體驗。用戶能在這個具有沉 “要識廬山真面目，不需身在此山中”的臨場感（Immersion），廣闊可想象空間的構(gòu)建感（Imagination）和強(qiáng)烈互動的參與感。也就是說VR能夠?qū)崿F(xiàn)三維現(xiàn)實(shí)，并模擬真實(shí)世界的交互環(huán)境，是一門新興的綜合性實(shí)用技術(shù)，應(yīng)用前景極為廣闊。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬情景模擬，依托高科技硬件和軟件生成逼真的虛擬環(huán)境，用戶通過五感與虛擬環(huán)境中的人物、場景、事件、主題等建立聯(lián)系，產(chǎn)生交互性和多感知性的體驗。

1.2 虛擬仿真技術(shù)的建模途徑

虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境建設(shè)主要包括：收集素材（DLG影像測量、影像解析）、虛擬仿真環(huán)境建模、虛擬仿真運(yùn)行程序開發(fā)（GIS云計算平臺）、系統(tǒng)集成、安裝和配置演示環(huán)境。而要完成虛擬現(xiàn)實(shí)功能，其步驟包含：虛擬漫游、操作模型、環(huán)境配置、方案比較、信息查詢、空間量算。而規(guī)劃仿真系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)大致包含三種：1）利用三維地形生成軟件Terra Builder構(gòu)建真實(shí)世界的地形模型，并將道路、河流、山川以及人文景觀疊加到MPT地形圖中，統(tǒng)一生成三維地形模型。2）在.net平臺上，利用三維GIS軟件Skyline系統(tǒng)軟件開發(fā)包，建立系統(tǒng)的三維顯示框架程序。3）在.net平臺上，利用三維GIS軟件Skyline系統(tǒng)軟件組件開發(fā)接口實(shí)現(xiàn)各種信息的二維查看、查詢、測量等一系列功能以及二維與三維的交互性查看、漫游、并實(shí)現(xiàn)二維地圖與三維場景的互響應(yīng)[2]。

1.3 虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)途徑

環(huán)境設(shè)計教育與培訓(xùn)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域之廣泛，主要包括城市規(guī)劃、景觀設(shè)計、室內(nèi)設(shè)計、建筑數(shù)據(jù)和模型可視化等。比如說在景觀設(shè)計測繪方面，可以輕松地對規(guī)劃空間域場域面積進(jìn)行測繪。或是通過DEM進(jìn)行土方等工程計算，對房屋的建筑方案，也能隨意改動替換。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還具備集成化、虛擬化與網(wǎng)絡(luò)化的特性，通過網(wǎng)絡(luò)即可對室內(nèi)空間的每一樣物體都能具體呈現(xiàn)。由此可見，嶄新的技術(shù)可以帶來新的教育思維，解決環(huán)境設(shè)計專業(yè)課堂限制等扁平式教學(xué)模式，解決我們以前無法突破的問題，尤其是在虛擬仿真技術(shù)的影響下更具廣泛性。但就目前國內(nèi)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于學(xué)校課程教學(xué)的還不多見，目前仍處于重點(diǎn)高校實(shí)驗室與相關(guān)科技公司合作研究的階段，如北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗室、清華大學(xué)國家光盤工程研究中心、浙江大學(xué)CAD&CG國家重點(diǎn)實(shí)驗室等[3]。

2 信息時代下的新型教學(xué)模式需求

2.1 教學(xué)空間的感知化需求

情境認(rèn)知理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)活動必須在具體情境中開展，有效學(xué)習(xí)發(fā)生在當(dāng)學(xué)生沉浸在一個情境中，并通過用在該情境中獲得的知識與技能來解決問題[4]。而真正的學(xué)習(xí)因涉及學(xué)習(xí)者本身，而不僅僅是為學(xué)習(xí)者提供單一的學(xué)習(xí)內(nèi)容，應(yīng)更加注重知識傳播的途徑和方法。真正的學(xué)習(xí)經(jīng)驗?zāi)軌蚴箤W(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)自己獨(dú)特的品質(zhì)，發(fā)現(xiàn)自己作為一個人的特征。因此，信息時代背景下的教學(xué)環(huán)境，教師不僅應(yīng)根據(jù)教材特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容的要求，創(chuàng)設(shè)一個有關(guān)的情境，還需使學(xué)生如身臨其境，如聞其聲如見其人，以激發(fā)學(xué)生的理論認(rèn)知和情感認(rèn)同，學(xué)習(xí)興趣和積極性，更應(yīng)該使學(xué)生靈活地掌握知識，發(fā)展創(chuàng)造力。

2.2 教學(xué)手段的多樣化需求

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的深入，教育也不再受環(huán)境、場地、設(shè)備和時間等局限，將規(guī)模化教育走向網(wǎng)絡(luò)化推進(jìn)。因此，教學(xué)形式的多樣化需求日益突出，如數(shù)字化學(xué)校、數(shù)字化教師、網(wǎng)絡(luò)課堂、遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)、在線教育、云教育、云計算大數(shù)據(jù)等虛擬化、扁平化的交互學(xué)習(xí)平臺等將成為教學(xué)的新途徑。其次，固定化教學(xué)環(huán)境及教學(xué)內(nèi)容會間接地給學(xué)習(xí)者施加壓力，甚至產(chǎn)生抵觸情緒。再者，教學(xué)場所的限制、藝術(shù)思考受力學(xué)、材料工藝等造物法則限制。所以，環(huán)境設(shè)計傳統(tǒng)課堂中的靜態(tài)化教學(xué)手段并未更好的有效地促進(jìn)教學(xué)效果，很難滿足課程的多樣化、動態(tài)化與超時空的個性化環(huán)境需求。

2.3 教學(xué)模式的復(fù)合化需求

在一定教學(xué)思想或教學(xué)理論指導(dǎo)下建立起來的較為穩(wěn)定的教學(xué)活動結(jié)構(gòu)框架和教學(xué)活動程序。美國學(xué)者喬伊斯和韋爾將教學(xué)模式分為以下四類。信息加工教學(xué)模式、人格（人性）發(fā)展教學(xué)模式、設(shè)計會交往教學(xué)模式、行為修正教學(xué)模式。不論是教師還是學(xué)生希望在同一個環(huán)境里能夠得到多層次，各類型需求的教學(xué)滿足。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)造的教學(xué)環(huán)境更像是一個圍繞“學(xué)習(xí)者”為中心而建構(gòu)的多功能信息數(shù)據(jù)平臺，成為承擔(dān)教學(xué)、市場、工地、休閑、娛樂等多功能復(fù)合場所。教師可以利用該數(shù)據(jù)平臺實(shí)現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)的教學(xué)環(huán)境轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)多功能復(fù)合化的教學(xué)模式需求。

3 虛擬化環(huán)境設(shè)計教學(xué)的策略要點(diǎn)

3.1 虛擬化的情境化教學(xué)

從情境認(rèn)知理論出發(fā)，認(rèn)知不能脫離具體的情境，當(dāng)具體情境與現(xiàn)實(shí)越接近，有效學(xué)習(xí)的概率越大[5]。情境教學(xué)法指教師根據(jù)教材特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容的要求，創(chuàng)設(shè)一個有關(guān)的情境，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，使學(xué)生靈活地掌握知識，發(fā)展創(chuàng)造力。環(huán)境設(shè)計學(xué)科主要以空間設(shè)計為媒介，“虛實(shí)共在”，對于學(xué)生來說需要極強(qiáng)的想象力。教師在課堂教學(xué)過程中，單一的通過圖畫、音樂等藝術(shù)方式缺少代入感，很難幫助學(xué)生理解復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以幫助學(xué)生更好的理解多維空間情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。如，侗族傳統(tǒng)桿欄式民居建筑的榫卯結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)，需要獲取實(shí)際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。并通過虛擬仿真技術(shù)將場景做出對應(yīng)的情境，可以幫助學(xué)生更好的理解空間尺度、建筑構(gòu)造等，從而多維度的視覺感官可激發(fā)學(xué)生的求知欲與創(chuàng)造力。

3.2 虛擬化的可觸碰化教學(xué)

VR屬于數(shù)字感知技術(shù)，將信息分享傳播并將其可視化，同時，也具備觸覺反饋技術(shù)，用戶能夠直接操作虛擬物體，并感覺到物體的重量、方向等，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺。比如，安全性上，環(huán)境設(shè)計中的施工工藝課程學(xué)習(xí)。由于場所限制尤其是器械安全等因素，導(dǎo)致實(shí)操性較強(qiáng)課程的局限性。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生在沉浸的基礎(chǔ)上可以用自然的方式操作虛擬物體，模擬實(shí)操施工技術(shù)，可以大大降低安全風(fēng)險和資金成本。同時，從虛擬場景中學(xué)到的經(jīng)驗同樣可用于實(shí)際場景。藝術(shù)創(chuàng)新上，環(huán)境設(shè)計中的方案概念創(chuàng)新，可根據(jù)不同類別的專業(yè)課程設(shè)計不同主題場景，加深學(xué)生對場景的感官認(rèn)知等。

3.3 虛擬化的智能復(fù)合化教學(xué)

課程改革的核心理念是教育以人為本，即“一切為每一位學(xué)生的發(fā)展”。不同于傳統(tǒng)教學(xué)模式，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在更大程度上突破現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境的束縛與限制，專注于信息化界面與現(xiàn)實(shí)界面的復(fù)合設(shè)計，即在原有的學(xué)習(xí)環(huán)境之上復(fù)合了一層信息化、智能化的交互環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)智能化、沉浸式、超現(xiàn)實(shí)空間等環(huán)境體驗。如，智能復(fù)合化學(xué)習(xí)環(huán)境空間，在有限的物理環(huán)境中，將理論與實(shí)踐結(jié)合，結(jié)合顯性主動交互中的感知交互與技術(shù)交互效果。再如實(shí)際場所轉(zhuǎn)化為信息交互界面，教師通過虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生們展示教學(xué)內(nèi)容中的參照物與情景，之后學(xué)生通過自己的雙眼和雙手在虛擬化空間中完成“真實(shí)”地觸摸、觀察、丈量、比對等在教室中無法實(shí)現(xiàn)的交互，從而調(diào)動學(xué)生們的好奇心與探索欲望，并激發(fā)學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)的動力。

4 結(jié)束語

通過利用超級云計算以及物聯(lián)網(wǎng)所支撐的云計算的整合，虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展無疑將帶動教育行業(yè)的前景，起到良好開端和引導(dǎo)作用。目前已有300多個城市實(shí)踐了虛擬仿真教學(xué)技術(shù)，搭配使用SAR信息提取與應(yīng)用，有效解決教學(xué)中環(huán)境設(shè)計實(shí)際操作、場域限制、技術(shù)局限性等潛在問題。可以說虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境設(shè)計教學(xué)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足。因此，環(huán)境設(shè)計教學(xué)在虛擬仿真技術(shù)的架構(gòu)下定會獲得多元化的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張選中，遲宇辰.顛覆教育的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）探究——評《VR+教育：可視化學(xué)習(xí)的未來》[J].中國教育學(xué)刊，2018（8）：144.

[2] 劉京，賈宏濤，常慶瑞，等.GIS三維建模在城市規(guī)劃中的應(yīng)用——以江西瑞金市為例[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，15（3）：39-41.

[3] 沈陽，逯行，曾海軍.虛擬現(xiàn)實(shí)：教育技術(shù)發(fā)展的新篇章——訪中國工程院院士趙沁平教授[J].電化教育研究，2020，41（1）：5-9.

[4] 杜穎.VR+教育：可視化學(xué)習(xí)的未來[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[5] 顏士剛，馮友梅，李藝.“知識”及其把握方式再論——緣于對認(rèn)知心理學(xué)之理論困境的思考[J].電化教育研究，2019，40（5）：18-24.

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