混合現實技術在建筑室內設計專業教學中的應用
——以“裝飾材料與施工工藝”課程為例

魏 莎

（湖南環境生物職業技術學院，湖南 衡陽，421000）

建筑室內設計是我國高職土木建筑大類的重要組成專業，涉及藝術、歷史、生態、建筑、管理等多個知識領域，其跨學科、重實踐、抽象化的專業特點，給課程教學帶來了極大的挑戰，而混合現實(Mixed Reality，簡稱MR)技術的出現為該課程教學帶來了全新的思路。

一、MR技術的應用現狀

MR借助先進的計算機圖像處理、人機交互技術和顯示設備，在現實世界、虛擬世界與用戶之間搭起一個能夠進行交互反饋的信息回路[1]，生成一個新的具有真實性、互動性的可視化環境，實現了現實與虛擬的完美融合。MR技術在建筑領域的發展迅速，自2016年天寶導航（Trimble）開發出Windows Store中第一個可擴展的微軟HoloLands商業應用程序SketchUp Viewer，實現了MR技術在建筑設計與方案表現上的革新，到2017年我國中建一局利用MR技術建成世界首座匈奴歷史博物館——昭君博物館，實現了MR技術在中國工程建設領域的首次應用，短短數年，MR技術憑借其在建筑方案可視化、設計協同化、施工標準化、監管透明化以及運維高效化等方面的顯著優勢，席卷全球建筑領域[2-4]。MR技術同樣受到了教育領域的青睞，尤其是在醫學教育方面，大量的教學實踐案例充分證明，MR技術在提升醫學生的空間感知和手眼協調能力等方面具有無可比擬的優勢。[5]然而，MR技術在建筑室內設計專業教學方面的應用案例較少，還需不斷進行實踐探索。

二、MR技術在建筑室內設計專業教學中的優勢

（一）真實的空間體驗與強大的實時交互優勢

“空間規劃”是室內設計的核心，如何打破空間限制讓學生體驗真實的比例與尺度，一直困擾著專業教師。此外，受方案呈現方式的限制，無論是二維圖紙表現、三維空間建模，還是小型模型制作，都無法實現抽象設計信息的高效溝通。而借助MR技術，師生可以針對空間全息圖進行方案的闡述與調整，還可以置身于1∶1尺度的設計方案三維模型中，以自然、沉浸的方式進行設計信息的實時交流。MR技術構建的混合現實環境是當前師生之間進行復雜空間設計信息傳達與溝通的最佳方式。

（二）豐富的場景資源與復雜的細節展示優勢

從神秘的古埃及金字塔到莊嚴的北京故宮，從陜北的窯洞到湖南的吊腳樓，從鄉土的民居到現代的高層樓宇，從溫馨的住宅到快節奏的辦公室，古今中外，不同傳統、功能、空間構成了復雜而龐大的建筑室內設計基礎。教師可以借助MR豐富的場景資源，在課堂上進行虛擬場景的快速切換，也可以將虛擬場景中的某一結構細節進行放大、剖切、分解，學生可以旋轉觀察場景模型的任一切面和組成構件，甚至可以動手進行構件的組裝。這極大地豐富了教學內容，使教學變得更加有趣，復雜構造和工藝步驟也變得直觀而易懂，從而降低了學習的難度，提升了學生的主動性；同時，在教室內進行虛擬場景的構建與切換，也為一體化教學的實施提供了極大的便利。

（三）安全的訓練環境和直觀的技能輔導優勢

實訓環境與操作過程的安全性是開展實訓教學的前提，對于如何在保障學生人身安全的前提下，盡可能還原施工現場情境、提供更加全面的技能訓練模塊，并進行實時操作指導與糾正，MR技術提供了最佳的解決方案。它可以將工藝技術信息疊加到現實場景材料、工具上，指導學生按照規范的工藝步驟進行操作；還可以在實訓室中構建全息的施工現場情境，運用虛擬材料或工具進行操作訓練，用于完成存在安全隱患或體量過大不易實施的訓練項目。

三、MR技術在“裝飾材料與施工工藝”課程中的教學實踐

“裝飾材料與施工工藝”是建筑室內設計專業一門代表性的核心課程，該課程致力于培養具備相關專業知識以及建筑裝飾材料選擇與施工指導實踐能力的高素質技術技能型人才。現以該課程為例，探討MR技術在建筑室內設計專業課程教學中的優勢與實現途徑。

（一）當前課程教學存在的問題

1.授課模式傳統，不利于專業知識掌握

融合文字、圖片、視頻資料的PPT講解是當前該課程最為常見的授課模式，教師絞盡腦汁提升課程的趣味性與實踐性，例如：運用高清材料圖片，表現建筑材料的質感；借助3ds MAX、SU等建模軟件，展示結構內部細節；播放施工現場視頻，貼合實際工藝流程。然而，以上形式仍舊沒有突破傳統灌輸式教學的禁錮，單通道輸出的教學模式無法真正提升學生學習的主觀能動性，尤其是面對龐雜的裝飾材料和工藝，學生更是覺得晦澀難懂。

2.實訓條件限制，不利于一體化教學開展

借助校內外實訓基地，以項目為載體進行課程一體化教學是當前提升學生專業技能，使其快速掌握理論知識的最佳方式，然而在實際教學過程中，卻存在著許多的困難。一方面，高校校內實訓室受現有場地和經費投入的限制，很難實現不同建筑結構、裝飾風格、功能空間、節點細節的全方位展示和實時更新，而校外實訓室具有距離劣勢，只能開展短期集訓。此外，較多的施工實操訓練，需借助大量裝飾材料與電動工具，涉及水、電，存在很大的安全隱患，不利于實際的操作培訓和反復的試錯訓練，從而極大限制了學生專業技能的提升。

（二）基于MR技術的課程設計與實施

1.課程整體設計

基于地方專業特色，本課程以某鄉村民宿的裝飾施工項目為載體，針對臥室、餐廳包間、小型娛樂室三個空間場景的五個施工任務展開教學。課程設置打破了傳統理實分設的方式，采取“教、學、做”一體化的教學模式，以學生為主導，教師為輔助，以綜合素質培養為目標，借助MR技術優勢進行課程的整體設計。為便于MR技術應用效果分析，在五個施工任務中，各選取兩個難度相近的子任務進行兩種教學形式的實施效果比較（見表1）。

表1 采取不同教學形式的子任務對照表

2.課程實施條件

授課場地建議為校內一體化教室，面積約240 m2，提供30個工位。一體化教室劃分為項目討論和施工操作兩個區域。項目討論區約占100 m2，在該區域教師通過MR技術將空間場景全息圖展現在真實環境中，并針對虛擬模型利用局部放大、剖切、分解等操作進行工藝細節講解。學生佩戴混合現實雙目MR全息智能眼鏡，通過觀察場景模型進行專業知識的學習，學習過程中可借助文字或視頻提示，通過手部簡單操作，對場景模型進行旋轉、移動、分解、組合進而加深對知識的理解。施工操作區約占140 m2，配備常用的施工工具、裝飾材料等。在該區域通過MR技術創建1∶1的全息虛擬空間場景，還可以將虛擬模型疊加到真實的材料、工具上，進行施工操作指導或者全虛擬模型施工操作訓練。此外，需進行該課程MR全息教學資源素材包的開發，針對三個空間場景、五個施工結構模型以及相應的文字提示和示范視頻進行研發，便于學生通過凝視、語音、手勢等交互方式進行檢索、調取素材資源和觀摩學習。

3.課程實施過程

課程實施分為五個步驟，即任務下達、學生分組、任務實施、完成評價、后期總結。但在具體教學形式上，針對不同的子任務分別采取傳統教學和MR技術應用教學兩種形式，方便教學效果比較。現以頂棚工程施工任務為例，進行具體說明：教師將任務書下發給各小組，并對任務內容進行說明。在木龍骨吊頂施工子任務中，教師按照傳統的授課方式，以文字、圖片、視頻形式向學生講解任務相關專業知識，學生根據任務要求分組討論，依照人員分工，進行木龍骨結構與施工工藝設計，并通過PPT的形式進行小組成果展示，根據展示情況，教師、學生、小組三方進行評價和考核，最后根據評價結果進行成果完善；而在輕鋼龍骨吊頂施工子任務中，教師借助MR技術進行教學，將小型娛樂室的場景全息圖展現在一體化教室中，師生佩戴MR全息智能眼鏡針對場景中頂棚的輕鋼龍骨吊頂結構、技術要點與施工流程進行互動交流，小組成員分工合作完成全息場景中輕鋼龍骨吊頂的設計與施工操作，根據操作規范性與用時時長進行系統評分，后期根據系統提示針對錯誤和不熟練的操作步驟進行反復練習。

四、實施效果分析

課程實施后，通過學生問卷調查對兩種教學方式進行比較，結果顯示：與傳統教學形式相比，MR技術應用教學形式在趣味性、易掌握性、知識豐富性三個方面優勢明顯，極大提升了學生的學習興趣和主觀能動性，有利于專業能力培養，但受限于現有MR技術水平，其教學應用優勢還未得到充分發揮。未來，隨著專業素材資源和硬件操作流暢性的提升，其應用效果將會更加凸顯，值得在土木建筑類課程教學中推廣。