基于虛擬現實技術的建筑設計基礎教學研究

楊紹亮，胡 瑩，王依明，劉皆誼

(蘇州科技大學建筑與城市規劃學院，江蘇蘇州，215011)

建筑學專業從廣義上來說是研究建筑及其環境的學科，在通常情況下它更多是指與建筑設計和建造相關的藝術和技術的綜合。建筑學是一門橫跨工程技術和人文藝術，涉及理、工、文、藝等綜合性知識領域，兼具科學與藝術、理工與人文科學特點的學科。受應試教育的影響，剛進入該專業領域的學生普遍存在觀察力差、審美根底薄、形象思維缺乏等問題。[1]如何讓學生快速、有效地理解相關的藝術理念是建筑設計教學，尤其是處于知識體系轉換環節的建筑設計基礎教學亟待解決的問題。

一、建筑基礎教學

建筑設計基礎教學是建筑學、城鄉規劃、風景園林專業的通識性課程。該課程一方面通過一系列有針對性的設計基礎課題訓練，達到強化設計基本功的目的，為其后的建筑設計及專業設計打下扎實基礎；另一方面，通過基礎教學培養、激發學生的專業學習興趣，使其逐步建立起正確的建筑觀，訓練學生建筑視圖、制圖的能力及畫草圖、做模型等方案表現的能力，學習空間分析的方法，培養學生的審美、動手、創造能力，培養理性認識建筑空間的能力。

在現有的教學體系中，建筑設計基礎的教學環節主要劃分為三部分(圖1)。第一部分是工程制圖抄繪。工程制圖抄繪要求學生掌握工程識圖的基本規則，并在識圖基礎上掌握建筑設計手工表達方式，如徒手畫、模型制作等。學生需要能夠根據設計過程不同階段的要求，選用恰當的表達方式與手段，形象地表達設計意圖和設計成果。第二部分是空間認知分析與設計。空間認知分析與設計要求學生熟悉空間的基本概念，了解空間在設計中的重要作用，具備從抽象的空間概念出發到完成具體功能空間塑造的能力。第三部分是經典建筑解析。經典建筑解析旨在讓學生通過對經典作品的深入分析，了解建筑的空間與流線、形體與材料、結構形式與藝術象征。目前，建筑設計基礎的教學方式主要有講授法、討論法、案例法與練習法，具體表現為通過采用PPT教案，結合多媒體與傳統板書介紹知識點；組織學生討論，結合課堂匯報及實地調研針對課程要點及難點問題展開闡述及談論，在此過程中讓學生建立起對知識概念及設計方法的理解；從邏輯相似、尺度相似的角度出發，選擇國內外優秀案例進行剖析，強化空間概念、形式邏輯、心理感悟的理解；圍繞基本功訓練的本意，進行適當訓練。

圖1 建筑設計基礎教學體系

在建筑設計基礎教學過程中有以下難點。第一，建筑學知識體系復雜、概念晦澀艱深。建筑學具有技術與藝術的雙重性，在教學過程中，技術部分的知識較容易被學生接受與理解，但涉及藝術，尤其是造型、空間等方面的知識往往很難通過課堂講授、案例示范讓學生理解。第二，學生基礎薄弱。建筑設計基礎教學針對的是剛進入大學學習、對建筑空間與造型沒有基礎的學生，所教授內容與學生以往的知識體系有較大的差異。同時，建筑設計基礎教學的內容及形式較抽象，部分學生可以短時間消化理解，但對藝術基礎較薄弱的學生則會出現學習上的困難，甚至會影響學生的信心與對專業的興趣，對后續階段的專業培養產生持續的消極影響。[2]

二、虛擬現實技術

虛擬現實技術(VR)是基于現實生活，通過計算機技術模擬將其轉化為能被感受到的三維虛擬空間，為使用者提供視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者實時、無限制地觀察虛擬空間內的事物。虛擬現實技術是多種技術的綜合，包括實時三維計算機圖形技術、廣角立體顯示技術，對使用者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等。同時，虛擬現實技術也是PC或移動設備、頭戴式顯示器、跟蹤傳感器等硬件設備以及提供沉浸式體驗的軟件的集合。[3]隨著技術的發展，虛擬現實技術逐漸擴展出將虛擬物體和信息與真實世界疊加、實現對現實世界增強的增強現實技術(AR)，以及將虛擬世界和真實世界融合創造為一個物理實體和數字對象實時并存，并能相互作用的三維世界的混合現實技術(MR)。

虛擬現實技術廣泛應用于影視娛樂、工業、房地產、軍事訓練、教育、醫學等領域，其沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和想象性(Imagination)的“3I”特性(圖2)為各領域帶來了巨大的變革。[4]

圖2 虛擬現實技術的3I特性

(一)沉浸性

從利用光的散射重構物體立體影像的全息照相技術，到采用3D顯示和立體聲技術的“Sensorama”仿真模擬器，再到EyePhone頭盔和數據手套、Oculus Rift、HTC Vive等沉浸式穿戴設備，虛擬現實技術一直致力于為使用者提供真實的沉浸式體驗。當使用者戴上虛擬現實設備、置身于虛擬環境后，能夠通過非常逼真、無限制地觀察立體圖，獲得與真實世界一樣的感受，從而產生身臨其境的臨場感。沉浸性是虛擬現實技術最典型和直觀的特征。

(二)交互性

Sutherland于1968年在麻省理工學院的林肯實驗室發明了“The Sword of Damocles”頭顯設備，利用手槍形狀的控制棒與頭顯設備的空間定位實現使用者與虛擬環境的互動。[5]此后，虛擬現實設備中都為使用者提供模擬真實交互的操作窗口和反饋機制，讓使用者在虛擬現實世界中具有主觀能動性，能夠實時、自然地與虛擬環境進行交互。

(三)想象性

虛擬現實設備的開發者可以利用計算機圖形學和全景照相等技術，結合各種數字資源，開發出各種作品。使用者在虛擬空間以比較自然的方式與虛擬物體實時交互時，虛擬環境和交互行為狀態的變化會激發使用者實施進一步的互動，進而加強對所感知虛擬環境的想象能力。

虛擬現實技術的沉浸性、交互性和想象性特點，給人類的信息傳播帶來全新的改變，其與教育的結合革新了知識獲取的渠道和學習方式，例如，虛擬現實技術將傳統學習活動中抽象化的知識轉變為具象化的知識，將簡單的視聽學習通道轉變為多感官通道，將被動接收和空洞理解的學習方式轉變為主動參與和直觀體驗的學習方式，將基于結果的學習類型轉變為基于過程的學習類型，將延時的學習反饋轉變為即時的學習反饋，由此推動教學的改革與創新。[6]

三、基于虛擬現實技術的建筑設計基礎教學研究

在建筑設計基礎階段，尤其是涉及較難理解的空間、造型理念部分的教學，嘗試借助虛擬現實技術降低空間概念理解的難度，有助于提高學生學習的積極性與主動性。蘇州科技大學基于其虛擬實驗室平臺，借助“光輝城市”軟件系統和HTC Vive穿戴式傳感設備，對空間認知分析、空間設計及經典建筑解析部分進行教學改革探索研究。虛擬現實技術在學習視角的轉換、沉浸式體驗、交互式設計及想象力提升四個方面給設計教學帶來了較大的變化。

(一)虛擬現實技術介入空間認知分析教學環節

在空間認知分析與設計教學環節中，傳統教學方式是課堂教學、資料閱讀、調研及簡單的模型制作相結合使學生掌握空間的基本知識。該環節的具體教學目標如下：學習并了解空間的構成體系(包括功能、環境、流線、界面、造型)及其相互關系，思考環境因素對建筑各體系的影響；能夠結合實例分析和具體設計操作，初步掌握從場地的環境特點入手，進行方案構思和方案處理的基本方法；學會空間設計的基本知識、原理和方法，并靈活運用于抽象設計訓練中；了解人體活動的基本尺度和常用的空間基本尺寸；理解并掌握空間的構成要素、限定方法、空間的屬性、空間的組合、流線的組織及空間尺度；能夠利用所學的空間知識、原理對實例的空間構成、功能分區、流線組織、空間形態等進行系統分析；能夠利用所學習及調研的內容，使用模型組織設計以空間序列組合。這一階段時間緊、教學目標多，讓學生在入門階段透徹理解并掌握如此多的設計理念具有一定難度。

虛擬現實技術的介入，可為空間認知分析教學帶來以下幫助。

第一，學習視角的轉換。傳統教學采用制作模型的方法讓學生認知、理解空間的概念。這種教學方式相比課堂知識灌輸在一定程度上增強了學生的體驗感，但也有一定的局限性，如受模型比例與材料大小的限制只能使用鳥瞰角度。虛擬現實技術介入基礎教學環節后，除提供模型鳥瞰視角外，還可以讓學生從更貼合人的視角觀察空間、體會空間的效果、理解空間概念。這種學習視角更符合實際，其轉換讓學生更容易接受，降低了學生學習的難度。

第二，以沉浸式體驗的方式學習。空間的構成體系對學生來說是抽象且復雜的知識點。傳統教學通過對經典案例的調研讓學生體驗空間的功能、環境、流線、界面等要素及其相互關系。例如，部分課程教學活動為組織學生參觀留園、平江路、山塘街等具有豐富空間的場所，結合現場的體驗介紹空間要素及其相互關系的知識。借助虛擬現實技術，教師可將這一環節轉換到虛擬空間進行，并根據教學知識點預先營造特定的情境，如營造留園、平江路、山塘街的場景，還可以營造故宮的場景講授空間序列的知識，營造已經消失的御街千步廊講授空間對比的知識，營造圣馬可廣場的場景講授空間的層次感，等等。這些逼真的場景不僅可以使學習者獲得近似于真實游歷的體會，而且可以通過空間的收放、限定、連接、圍合、對比等方式使場景設置匹配課堂講授內容，以此增強教學效果。虛擬現實技術的這一利用在節約大量的時間、經費投入的同時，也更好地突出了教師的講授意圖，降低了學習難度，提升了學習效果。

第三，以交互的方式學習。傳統教學以教師講授空間概念為主。借助虛擬現實技術，學生可以自主選擇在虛擬場景中游歷、體會空間效果。這種學習不受時間和空間限制，學生可以在自己感興趣或者不理解的地方停留、體驗，也可以修改某些場景中的元素體會和學習空間元素間的相互關系。

(二)虛擬現實技術介入空間設計教學環節

在空間設計教學環節中，傳統教學方式主要為以模型制作訓練學生掌握建筑內外部空間設計的能力。在這個環節中，學生需要將教師課堂講授的造型設計、空間設計的基礎知識、原理和方法靈活運用于設計訓練中。在訓練中，學生需要完成室外小廣場設計和室內沙龍設計兩個空間設計訓練題目。這一階段的具體教學目標如下：學習外部空間概念(包括功能、環境、空間、流線、結構、維護、造型)及其相互關系，思考環境因素對人的行為模式及建筑各體系的作用與影響；學習內部空間的構成要素、限定方法、空間屬性、空間組合、流線組織以及空間尺度等內容；學習和掌握設計過程和設計內在邏輯，在理論學習的基礎上，從對相關實例的剖析研究入手，總結其基本的建筑理念、設計構思以及具體處理手法，進而能夠有選擇地借鑒于設計思考之中，啟發并逐步形成設計理念與構思并貫穿始終；熟悉人體活動的基本尺度和常用家具的基本尺寸，并掌握特定場所中人的行為活動規律和環境要求，思考人與空間的互動關系；強化從理論學習到實例分析、手法借鑒、空間構思、空間塑造、方案表達的設計思維邏輯方法。

虛擬現實技術的介入，可以為空間設計教學帶來以下幫助。

第一，學習視角的轉換。虛擬現實技術介入基礎教學環節后，學生可以從使用者的視角進行設計，相比以往模型單一的鳥瞰視角更加真實和靈活。實踐顯示，從使用者視角出發的設計讓學生能夠關注到更多的細節，對人體活動的尺度和家具、構筑物的尺寸的把握更為精確，設計的空間、流線、造型更為完善，設計內容更為成熟。

第二，以沉浸式的方式設計。在虛擬的環境里，學生可以沉浸在自己創作的作品中，對作品的細節、材質、尺度感知得更為敏感。[7]這有利于學生思考環境因素與空間構成元素對作品效果的影響。

第三，以交互的方式設計。在虛擬現實技術的幫助下，學生與自己的作品產生交互，可以實時修改并體驗自己設計的效果。例如，學生通過虛擬現實技術在自己所營造的場所中進行漫游，在過程中發現自己作品中的問題并及時進行修改。學生通過這種交互式的體驗與修改積累了設計的經驗，獲得了掌控空間設計的能力。

第四，想象力得以提升。在虛擬環境下，學生可以不受限制地得到材質、顏色、光線、天氣條件等各種資源，實時地觀察自己的設計轉變為實現的過程，并獲得反饋。這能夠極大地激發學生的想象力和創作欲望。

(三)虛擬現實技術介入經典建筑解析教學環節

在經典建筑解析教學環節中，教學方式是學生查找資料并根據經典建筑作品的特點繪制海報、分析圖并制作手工模型。通過這種方式，可以讓學生觀察和體驗經典建筑，了解建筑作品形成的背景，認識建筑設計中環境與場地的影響因素。該環節的具體教學目標如下：通過對有代表性的具體建筑形體、空間特征的分析，提高建筑設計的審美能力；通過對有代表性的具體建筑平面、功能、流線等的分析，學習建筑設計的基本方法和思路；通過對有代表性的具體建筑結構的分析，為學習建筑結構構造知識打下基礎。

虛擬現實技術的介入，可以為經典建筑解析教學帶來以下幫助。

第一，學習視角的轉換。建筑作品中的空間是為人的使用設計的，大多數空間效果以人的視覺觀察最能感受到設計的本意。根據學生的反饋，以人本視角進行觀察，對空間與尺度有更多的體會。例如，在成羽町美術館中，四面圍合的空間可以讓置身其中的學生產生內向精神上的共鳴，從而對空間的藝術效果有了更直觀的感受。

第二，以沉浸式體驗的方式學習。經典建筑中的一些元素，如質感、光線、尺度是需要以體驗的方式學習。例如，在安藤忠雄所設計的光之教堂中，光線的效果就是空間的靈魂，四周樸拙的素混凝土材質對空間效果的營造具有無法替代的效果。在借助虛擬現實技術的實踐教學中，學生沉浸于光之教堂的內部空間中，感受光線的變化對建筑氛圍所產生的影響、柔和的光線與粗獷的混凝土材質的對比效果，對學生全面地感知建筑大師的設計理念有著積極的作用。

第三，以交互的方式鍛煉設計能力。對初學者來說，最好的方式莫過于通過交互修改經典作品的元素感受不同效果，以此積累空間設計的手法，提升空間設計能力。對建筑形體與空間來說，最精妙的莫過于比例，其差之毫厘、謬以千里。學生在虛擬現實空間里對經典建筑作品進行交互式調試，可以鍛煉建筑空間與形體設計的能力。

四、結語

通過對參與教改實踐的學生學習過程的觀察發現，虛擬現實技術的介入可以為建筑設計基礎教學的三個環節帶來較大改變。根據學生的反饋，虛擬現實技術的使用收到了較好的成效。借助虛擬現實技術強大且不斷發展的能力，如AR和MR在結合現實環境上所展現出的巨大潛力、進一步完善的全景沉浸式三維顯示技術、更為自然的交互方式、與人工智能的進一步結合等，在設計基礎教學中引入虛擬現實技術，對降低設計專業的學習門檻、幫助學生更好地學習和掌握建筑設計理念、提高教育水平、降低學生學習成本、豐富教學資源及培養具有創新精神的一流人才都具有重要的積極作用。