基于虛擬仿真技術的中國建筑簡史教學實踐與思考

摘要：在傳統建筑教學模式下，學生難以沉浸式感受古代城市空間的真實狀態。傳統教學主要依靠板書和數字媒體，認知主體永遠處于媒介之外，學生接受信息的途徑相對間接。虛擬仿真技術是以現存實物為骨架，虛擬古代建筑格局的原貌、改變過程和缺失之處，將虛擬實驗與傳統課程相結合，能夠做到教學的“虛實結合”，實現“溝通古今”。以虛擬仿真實驗在中國建筑簡史教學上的探索性實踐為例，闡述了虛擬仿真技術在建筑史專業課程中的重要價值，評估了其相對于傳統教育手段的優越性，反思了在當前課程中使用虛擬仿真技術的若干問題。

關鍵詞：虛擬仿真；教學；中國建筑簡史；混合教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2024）05-0127-08

基金項目：2023—2024年河北省教育廳高等教育教學改革研究與實踐項目“基于虛擬仿真實驗平臺的建筑史教學體系建設與探索”（2023GJJG250）；2024年河北省高等教育學會“十四五”規劃一般課題“基于中國建筑史教學的虛擬仿真平臺設計與應用研究”（GJXH2024-083）

高等教育越來越強調信息化技術手段的應用與拓展，虛擬仿真實驗與教學實踐的結合和共同發展是大勢所趨[1]。中國建筑簡史是環境藝術設計等專業的必修課程，古代城市空間及經典建筑是該課程的核心內容，空間體驗是該課程的重要教學手段，但由于現狀改變、時間和地域條件限制等，在實際情況中實地參觀已不能全面地感受空間狀態，將虛擬仿真空間融入課程教學是建筑學科建設的重要趨勢和特色內容。

一、虛擬仿真實驗

虛擬仿真是指利用計算機生成的虛擬系統模仿另一個真實系統，主要通過虛擬世界與人的交互反映真實世界[2]。一般而言，虛擬仿真實驗具有真實性、交互性、共享性，以及隱性部分顯性展示等特征。近年來，教育部先后出臺了多個關于虛擬仿真實驗教學項目建設的文件，《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》明確指出，虛擬仿真實驗教學中心建設應充分體現虛實結合、相互補充、能實不虛的原則[3]。

古城正定為藍本的虛擬仿真實驗高度契合了上述三項要求，一是虛擬仿真實驗為觀察古城提供了現實中難以實現的各種視角、視高和視距；二是基本按真實尺寸復原的古城，不僅包括重點建筑和建筑群的各種細節，而且包括各種個性化定制功能，如以不同形制的民用建筑為基本單元來設計街區等虛擬仿真。

二、中國建筑簡史教學實驗的構建與實施

建筑是空間的藝術，是城市文化的載體。古城反映的是特定時代下社會的綜合特征與風貌。古城再生的虛擬仿真實驗對環藝設計、建筑學、城市規劃等專業的學習具有重大意義。傳統的專業教學形式主要為板書、數字媒體或兩者的結合應用，這不利于講授一些難以用語言表達的抽象概念與動態知識點。但是，虛擬仿真能夠做到實際意義上的情景教學，使學生直觀地理解教師所要傳達的信息。

（一） 虛擬仿真教學實驗原理

在傳統的教學模式中，往往側重知識點的傳授，傾向于灌輸式和機械式的訓練。建筑史課程中的諸多內容在現實中不便觀察，也很難憑語言、文字或圖片充分展示，因此，空間場景的真實體驗是專業訓練的重要內容。首先，運用虛擬仿真的硬件設施與軟件環境，學生可以獲得身臨其境的體驗，形成對古城空間的多維度認知。大部分古城面貌已經不復當年，在虛擬現實技術的輔助下，學生不僅可以任意選擇位置和視角，體驗不同的觀感效果，而且可以調控不同的空間場景氛圍，理解古代城市空間形態[4]。其次，虛擬仿真實驗可以融合文字、聲音、圖像、影視、動畫、模型等內容，在古城全貌的基礎上逐步深化局部虛擬精度，使學生能夠全面理解教學內容中較為抽象和模糊的內容，如建筑的建構形式和模擬拆解還原的過程等。最后，虛擬仿真實驗可以提升學生空間設計的能力。在虛擬仿真環境下，學生能較為容易地觀察空間設計中涉及的比例和尺度，掌握內部和外部空間的構成情況，嘗試特殊類型空間的氛圍創造等。

正定古城在中國古代城市中既有代表性，又有特殊性。正定縣位于河北省西南部，華北平原中部的冀中平原，歷史上曾與北京、保定并稱“北方三雄鎮”，是國家歷史文化名城，中國民間藝術之鄉，也是百歲帝王趙佗、常勝將軍趙云故里[5]。截至2010年，正定有國家級文物保護單位9處，省級文物保護單位6處。正定古稱常山、真定，古云：“河朔為天下之根本，真定又為河朔之根本。”足以可見，正定的歷史地位舉足輕重。

在虛擬仿真技術的幫助下，可以再現正定古城歷史上較為完整的狀態，包括城市的全貌、重要或特殊的場所空間的模擬，后期還可以逐漸深化至微觀部分，甚至可以對模擬建筑進行拆解重構、嘗試改造等。古代城市有其特別的構成內容，空間布局強調防御系統和設施，以道路為“骨架”，設置相應的官府、衙署等管理機構，配合禮制制度設置禮制建筑，民居和市場成為城市的基調。以古城正定為例，虛擬仿真的核心內容如表1所示。

教學共涉及10個知識點：（1）古代城市發展階段及典型案例；（2）構成古代城市格局的要素，規劃控制之下不同的空間形態；（3）影響城市空間格局的主要因素；（4）城市選址及地理位置；（5）城市城防系統基本布置；（6）古代城市道路及節點設施；（7）古代城市不同性質建筑群的分布；（8）城市中標志性建筑的空間形態；（9）城市空間中的藝術性表達方式；（10）古代城市空間設計，并將其與當下的城市設計實踐相融合。

（二） 虛擬仿真實驗教學設計

利用虛擬仿真平臺，圍繞知識點設計若干題目方向，分必選題目和自選題目。必選題目側重于體驗分析，包括古城各類空間系統的表達形式和控制手段，學生需借助虛擬仿真環境作出分析報告；自選題目側重于細節的深化了解和空間再造，學生根據興趣和能力進行選擇，目的在于培養鉆研精神和創新能力。以古城正定城區格局的自主設計案例為例，對應知識點：構成古代城市格局的要素，規劃控制之下不同的空間形態。

1.使用目的

鞏固之前所學知識點，并培養實操能力。此題屬于必選題目之一，在選擇此題前，應做好相應的前期積累：（1）古代城市的地理位置選擇（主動式生成），或者哪些戰爭、商貿線路、其他因素會導致城市崛起（被動式生成）；（2）古代城市的總體布局輪廓形式；（3）古代城市的朝向選擇及出入口設置；（4）圍城筑墻的慣用形式；（5）城市內部防御體系構建，包括主次各級層級系統；（6）古代城市道路系統設置規制；（7）朝、市設置規制，政府行政管理機構、禮制建筑、宗教建筑、集市等商業集中用地設置規制；（8）民宅形制；（9）城市附屬設施、休閑娛樂及景觀等設置規制。傳統教學依靠死記硬背或制圖表達。此題目使學生置身于虛擬空間，對古城正定城區格局進行自主設計，方案完成之后與復原現狀進行對比，不僅能夠鞏固知識點，而且能夠鍛煉實操能力，促進設計概念和實際搭建的結合。

2.實施過程

（1）讓學生限定城區范圍，設計城市總體輪廓，選定朝向后開啟主次出入口；（2）筑墻圍城，注意甕城等附屬區域的設置和城市內部防御體系的構建，根據樹形圖主次秩序依次布置；（3）布置道路系統，包括寬度、排水等；（4）設置衙署、禮制建筑、宗教建筑、商業建筑、民宅，以及城市附屬設施。以上項目設置均有多個可選項，在大項下分多個層級子選項。實驗可調制城區的視角，以此題為例，可先設置為更易于操作的平面形式，選定選項后切換為立體視圖，觀察面積、高度、規模等。

3.實際效果

在虛擬世界進行立體搭建，突破了二維制圖的限制。二維制圖缺乏空間體驗，即使進行三維建模，也僅僅是視覺感受。虛擬世界的立體搭建過程，基本實現了設計方案的落地，縮短了與實際項目的差距，極大強化了學生對基礎知識的記憶。需要澄清的是，應放寬此實驗的評價標準，實驗是為了讓學生熟練掌握知識點，學會舉一反三，只要學生設置的規制沒有錯誤，具體形式可與正定古城復原現狀有所差異，應按通過處理。另外，虛擬搭建相較實際制作模型而言，具有節省時間、節約材料、體驗真切、多感官刺激等優勢，可以部分取代模型制作工作。此題基本包含古代城市宏觀層面的設置及規制，遠勝于文字記憶及制圖表達的效果。

（三） 實驗方法與步驟要求

1.實驗方法

整個實驗項目內容完整，倡導自主式、合作式、探究式學習。項目主要分為前期相關知識學習、實驗操作流程、成果完成及評價三部分，線下交互側重于實驗原理虛擬體驗，線上系統為web端提供登錄界面，學生賬號和教師賬號連接校園學生管理平臺，以便對人員信息和實驗過程進行管理。本實驗項目的突出特點是學生的自主實驗部分、認知部分和實驗部分的步驟基本相同，兩者區別主要在于虛擬仿真實驗的認知部分不需要完成實驗報告。

2.學生交互性操作步驟說明

實驗步驟共分為五個模塊。（1）登錄模塊，包括單人登錄模式和多人聯合作業模式。（2）前期儲備模塊（供預習復習使用），分類表述如圖1所示，其中分為3個子模塊，子模塊1為中國代表性古城總規（布局藝術和城規思想），分類表述如圖2所示；子模塊2為古代城市規劃構架子要素，如圖3所示；子模塊3為建筑群布局（指各種類型的建筑群的位置），如圖4所示；子模塊4為各類建筑詳細布局，如圖5所示。（3）正定古城規劃設計仿真過程模塊，如圖6所示，包括明確用地范圍的依據（從全國范圍看正定的地域特征及重要性）；筑墻圍城，明確城墻平面結構及各部分用途；布置城市防御體系，明確防御體系的層級結構及分工；布置城市內部道路系統，確定骨架大體形制，兼顧城區劃分；布置道路節點，主要指城市廣場或場地；布置政府行政管理機構，如衙署等（明確行政類建筑群的單體分布制式）；布置禮制建筑及其用地范圍（明確禮制類建筑群的單體分布制式）；布置宗教建筑及其用地范圍（明確宗教類建筑群的單體分布制式）；布置集市等商業集中用地（明確商業類建筑群的單體分布制式）；布置民宅及其附屬用房（明確民用類建筑形制）；布置城市休閑用地，如綠地、水景、休閑娛樂場所等。布置城市節點時，需做到既有先后，又有同時。（4）實驗流程考核模塊。（5）實驗報告生成模塊（實驗成績）。

（四） 考核要求

1.過程考核

系統中含有示例模式和自主學習模式，在示例模式下，學生必須完成所有實驗操作，有效保證學生知曉每一步的正確操作。系統自帶計時功能，可以記錄學生的學習時長。

2.能力考核

系統的自主學習模式中包含古代城市建設的相關知識點，在此模式下，系統對學生完成的測試內容進行自動糾錯，學生可通過評分系統清楚地了解知識點的掌握情況，培養了學生的學習能力。

3.形成性評價

系統擁有完整性評價，既有系統測評，又有教師測評。學生完成每一部分的學習后都需要提交相應報告，報告包括客觀題和主觀題，系統判定客觀題，教師批改主觀題，教師可以根據主觀題的答題情況，了解學生的解題思路和實驗方法。所有實驗完成后，系統還將生成一份綜合報告，供學生下載查看，學生自行選擇是否公開共享報告，學生可以查詢別人已共享的報告，互相學習。教師端則可查看所有學生報告情況，并可審核學生報告的公開請求。

三、虛擬仿真實驗的成效與思考

（一） 實施情況

目前，該實驗操作人員已覆蓋建筑學、環境設計等專業。從題目的正確率來看，城防體系、宗教及官署、禮制建筑模塊中的選擇和填空題得分率較高，失分較多的題目主要集中在宋式與清式建筑的辨析上，當建筑群歷經朝代較多，不同時期的建筑置于同一建筑群內，更增加了辨析的難度。另外，選擇地塊進行街坊設計（商業建筑與民宅擺放）時，系統無法自動糾錯，需要教師進行手動批改，效率較低，如圖7所示。此模塊未能設計為系統測評，主要原因是無法固化正確答案和無法量化設計成果，有待后續系統改進和完善。

（二） 實施效果

1.方便學生隨時隨地體驗，適應現代學生成長特點

建筑史課程主要面向二年級學生，其課程設置緊張，少有閑暇時間，若組織實地考察，次數有限。另外，現場體驗還受地域、場地、天氣、資金等條件的限制。虛擬仿真技術徹底打破了上述限制，使學生隨時隨地體驗往昔之境。同時，現在的大學生身處信息社會，對傳媒的多樣化已習以為常。虛擬仿真技術能夠適應現代學生的成長特點，緊跟時代步伐。

2.獲得不同角度、形式的體驗，提升學生學習效果

史學課程僅靠講授和板書難免枯燥乏味，即便輔以圖片和視頻，也是間接信息，采用虛擬仿真實驗，一方面，可直接刺激感官；另一方面，虛擬仿真下的再生古城，由于是虛擬空間，可上可下、可進可退、可遠可近，極大地突破了距離及尺度上的限制，不僅使學生記憶深刻，而且有利于提高其學習自主性和積極性，從而大大提升學習效果。

3.培養學生創新能力，拓展教師科研思路

古城虛擬仿真給予了學生極大的自主發揮空間，可以激發學生對課程內容的興趣，培養其創新能力。例如，“虛擬缺失”就是要求學生在現有經驗的基礎上設計原有建筑，同時，虛擬仿真可以拓展教師的科研思路，做到“傳承”而“革新”。“傳承”是基于原有城市、建筑的設計規律進行搭建、填補和完善，“革新”是基于現代城市、建筑的觀點，將原有格局中的不協調、不合理之處完善，甚至解構重建，只有在虛擬空間中才能淋漓盡致地進行這種大膽且客觀理性的嘗試[6]。

（三） 關于實驗的思考

1.提供便捷的教具資源

實驗涉及較多古代城市建制和規劃方面的知識點，傳統教具通常是完整的，不易拆卸，不利于理解知識點。在虛擬仿真項目中，學生可以對3D模型進行任意形式的拆分，更加清楚地了解古代城市的結構與各種構成要素。同時，3D模型與傳統沙盤相比，更易制作、保存和維護。傳統沙盤不僅制作工藝復雜，制作精度較低，而且模型存放占用大量空間，需要專人維護。在虛擬仿真軟件中，3D模型代替傳統模型，既節約成本，又方便教學。

2.遵循“兩性一度”的標準

實驗的設計和構思，應將“兩性一度”作為核心價值和基本準則。以商業與民居建筑街區擺放模塊為例，學生在掌握古代城市規劃的相關基礎知識后，進行的古城街區設計，旨在提高學生解決現實復雜問題的能力，鍛煉學生將設計理念運用于實際的高級思維，體現了“高階性”。在教學方式上，這種模擬設計充分發揮了虛擬仿真的特性，與傳統的制圖方式相比，無疑具有前沿性和時代性，體現了“創新性”。學生完成此模塊具有一定難度，教師對學生實驗成果的評價，亦是具有挑戰性的工作，體現了“挑戰度”[7]。

3.強調教學方法和評價體系的創新

在虛擬仿真實驗過程中，采用“虛實結合”的教學方法，教師以演示的形式講授古代城市的相關知識，學生在學習方法后可以進行自主練習，做到了以學生為主體，培養了學生的自主學習能力[8]。虛擬仿真實驗為每個學生創造了獨立思考和實踐的機遇，做到了“一人一方法”的個性化教育[9]。虛擬現實仿真教學還可打通時間與空間之間的隔墻[10]，訓練學員的空間綜合意識和探索創新的能力[11-12]。實驗系統擁有不斷更新的評價體系，實驗報告可以保存與共享，實驗過程可記錄與追溯。實驗系統既包含客觀題的自動糾錯功能，又包含教師對主觀題的批改功能。根據學生和教師的反饋，將實驗操作的易用度、理論與實踐結合的密切度、學生課后的滿意度等作為評價指標，制定了相關的教學效果評價辦法。用戶還可以在實驗系統中對實驗的方案、結構、形式等提出創新性建議，實驗內容可以根據使用建議進行合理的調整與變動，不斷擴展、更新，做到與時俱進。目前，學生的反饋集中于實驗內容，學生希望不僅能從宏觀角度對城市及建筑群有所了解，還能通過實驗進一步體驗建筑單體的結構形式。本實驗的初衷是“古代城市空間”的認知，因此，宏觀層面的考慮較多，微觀層面的單體建筑的針對性訓練較少。這種由宏觀至微觀，由大及小的改進建議將是本實驗不斷完善之路上的重要指向。

四、結語

根據虛擬仿真實驗的成效顯示，與傳統教學或者單純的網絡教學相比，融入了虛擬仿真實驗的混合教學方式，無論是教學內容、教學方式，還是教學流程、教學評價等都有不同程度的創新[13]，教學資源得到了充分利用，學生的學習興趣得到了提高，學生的理論基礎得到了夯實，學生的實踐能力得到了檢驗，其創新能力也得到了拓展。綜合而言，將虛擬仿真實驗納入現有教學體系是教學改革與建設的有力舉措。

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Practice and reflection on the teaching of brief history of Chinese architecture based on virtual simulation technology： a case study of virtual simulation experiment on spatial cognition and analysis of ancient Chinese local cities

PENG Peng

（School of Architecture and Art， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043， P. R. China）

Abstract： Under the traditional teaching mode of architectural education， it is difficult to truly experience the real state of ancient space. Traditional teaching mainly depends on blackboard writing and digital media. The cognitive subject is always outside the media， and the information received by students is relatively indirect. Virtual simulation technology takes existing objects as the skeleton to virtualize the original appearance， changes and deficiencies of ancient architectural pattern. The combination of virtual experiment and traditional curriculum can achieve the combination of virtual and real in teaching， and attain the real communication between ancient and modern. Taking the exploratory practice of virtual simulation experiment in the teaching of brief history of Chinese architecture as an example， this paper expounds the important value of virtual simulation technology in the curriculum of architectural history， evaluates its advantages over traditional education methods， and reflects on some problems when using virtual simulation technology in the current curriculum.

Key words： virtual simulation； education； brief history of Chinese architecture； mixed teaching

（責任編輯 代小進）