沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校建筑學(xué)科課程中的應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2025）04-0058-10

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualReality，VR）作為一種新興數(shù)字技術(shù)，經(jīng)由幾十年的發(fā)展逐步從設(shè)想步人實(shí)用階段，教育領(lǐng)域被認(rèn)為是其未來最具發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)用領(lǐng)域之一[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、構(gòu)想性（Imagination）的特征[2-3]，作為一種教學(xué)媒介能夠部分彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方式的缺陷，形成新的師、生、平臺(tái)關(guān)系結(jié)構(gòu)，并最終促使教育形態(tài)和教學(xué)過程發(fā)生重大變化。建構(gòu)主義理論認(rèn)為“學(xué)習(xí)情境\"對(duì)于思維認(rèn)知訓(xùn)練具有重要作用，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程就是通過與情境互動(dòng)實(shí)現(xiàn)意義構(gòu)建[4]。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬情境能夠在教學(xué)過程中構(gòu)建出更為豐富的多感官刺激，從而利于學(xué)習(xí)者利用具身體驗(yàn)習(xí)得知識(shí)與技能[5。經(jīng)由技術(shù)快速迭代，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的擬真感不斷增強(qiáng)，由早期桌面式平臺(tái)演變?yōu)槌两教摂M現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，也為以較低成本快速創(chuàng)建虛擬空間場景提供了底層技術(shù)支撐，為城市與建筑空間領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)性研究和教學(xué)場景提供了新的可能。在學(xué)科轉(zhuǎn)型與技術(shù)發(fā)展的背景下，諸多建筑院校積極探索建立沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室。但較多已經(jīng)建成的案例面臨著實(shí)驗(yàn)室資源的低使用率、低滲透率的現(xiàn)實(shí)問題。由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的使用存在一定技術(shù)門檻，且長期穩(wěn)定的教學(xué)方式使得教師和學(xué)生在教與學(xué)的過程中可能形成路徑依賴，實(shí)驗(yàn)室管理者需要通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)引導(dǎo)教師和學(xué)生掌握并適應(yīng)新技術(shù)。實(shí)驗(yàn)室建成后是否能夠真正服務(wù)于建筑教學(xué)與研究，較大程度上取決于實(shí)驗(yàn)室配套課程體系的建設(shè)，包括針對(duì)建筑學(xué)教學(xué)需求與特征持續(xù)進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)與課程設(shè)計(jì)。

總體而言，雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)建筑設(shè)計(jì)教學(xué)的促進(jìn)得到較為普遍的認(rèn)可，甚至有學(xué)者通過對(duì)照實(shí)驗(yàn)的方式檢驗(yàn)了其在空間設(shè)計(jì)教學(xué)中的效用5，但是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑教育領(lǐng)域的效能尚未充分發(fā)揮。目前，該技術(shù)如何在建筑教學(xué)體系的不同場景中加以應(yīng)用還有待系統(tǒng)地梳理分析。

一、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的內(nèi)容建設(shè)及課程體系

從整體上看，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的內(nèi)容建設(shè)和課程體系設(shè)置遵循“體驗(yàn)一學(xué)習(xí)一應(yīng)用—反思”的知識(shí)構(gòu)建過程，模式如圖1所示。從“金字塔”底部向上，對(duì)學(xué)生技術(shù)能力要求遞增。高階課程面向更小規(guī)模學(xué)生群體，要求學(xué)生對(duì)技術(shù)在建筑空間設(shè)計(jì)所起的作用具備更加深人的反思與批判能力。高階課程對(duì)內(nèi)容和工具的開發(fā)將“反哺\"于低階課程中的空間體驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)。

（一）體驗(yàn)：認(rèn)知學(xué)習(xí)

空間認(rèn)知與體驗(yàn)平臺(tái)主要是利用已開發(fā)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具，幫助學(xué)生進(jìn)行空間認(rèn)知學(xué)習(xí)、案例沉浸體驗(yàn)和執(zhí)行可交互的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，目的是幫助學(xué)生理解抽象知識(shí)，適用于低年級(jí)課程教學(xué)。學(xué)生的主體性體現(xiàn)在參與空間體驗(yàn)過程中，對(duì)教師傳授的知識(shí)與概念產(chǎn)生主動(dòng)批判。例如，密歇根大學(xué)建筑學(xué)院本科生建造課程Arch317Construction（UG）華僑大學(xué)建筑學(xué)院張恒教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的地域建筑空間組織與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助學(xué)生建立對(duì)基本建筑元素及其組合方式的理解，并在經(jīng)典案例中漫游、交互。

（二）基礎(chǔ)：技術(shù)培訓(xùn)

對(duì)于技術(shù)能力的培養(yǎng)可大致劃分為兩類課程。一類是基礎(chǔ)入門課程，旨在滿足建筑系學(xué)生基本能夠使用VR技術(shù)輔助設(shè)計(jì)的要求，從學(xué)生實(shí)際需求出發(fā)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)、制定需要掌握的技術(shù)清單。例如，明尼蘇達(dá)大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院曾開設(shè)入門課程ARCH 3250 Design And Perception In Virtual Re-ality，在課程中學(xué)生通過建立簡單的概念方案模型，導(dǎo)人VR實(shí)驗(yàn)室，以實(shí)踐的方式來理解VR。基礎(chǔ)入門課程可以通過兩種方式代替：（1）利用IVR實(shí)驗(yàn)室資源，如定期組織的公開課、工作坊或者在線課程;（2）將簡單的技術(shù)培訓(xùn)直接整合在設(shè)計(jì)課教學(xué)過程中，學(xué)生只需要更具針對(duì)性地掌握基本的工作流程，能夠?qū)崿F(xiàn)在IVE中審查、展示設(shè)計(jì)方案，從而最大限度避免信息冗余，聚焦于技術(shù)在輔助建筑設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。

另一類課程則具有更明顯的技術(shù)導(dǎo)向、提供更扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，對(duì)于學(xué)生技術(shù)能力的培訓(xùn)不限于從事建筑設(shè)計(jì)過程的需要，而是涉及建模、動(dòng)畫、渲染、可視化開發(fā)等技術(shù)，以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的底層知識(shí)。例如，康奈爾大學(xué)的建筑、藝術(shù)與規(guī)劃學(xué)院（AAP）與計(jì)算機(jī)系合作開設(shè)課程ComputerScience 4654 Architecture（Special Experimental） Studio，不僅涉及通過簡單的實(shí)踐實(shí)現(xiàn)在所選擇VR系統(tǒng)中建模的能力，還包括了大量關(guān)于底層技術(shù)原理的理解，提供了直接的跨學(xué)科背景協(xié)作交流機(jī)會(huì)。

進(jìn)階的技術(shù)課程面向高年級(jí)本科生及研究生，不僅針對(duì)簡單建模應(yīng)用，還以提高研究能力為目的，提供關(guān)于設(shè)計(jì)研究的方法論和技術(shù)工具集。例如，MIT建筑系課程4.s52Feeling Architecture：Affective Computing and Digital Heritage使學(xué)生在掌握基本研究方法論的基礎(chǔ)上，能夠獨(dú)立構(gòu)建數(shù)字遺產(chǎn)相關(guān)研究項(xiàng)目的技術(shù)路徑;密歇根大學(xué)的48-558 Reality Computing課程將需要學(xué)習(xí)的技術(shù)拓展至數(shù)據(jù)獲取（三維光掃描）數(shù)據(jù)處理、建模，以及實(shí)時(shí)渲染等，基本形成了構(gòu)建數(shù)字孿生空間的完整工作流。

（三）應(yīng)用：媒介敘事

面向具備基本應(yīng)用VR技術(shù)能力的高年級(jí)本科生及研究生，其中一類核心設(shè)計(jì)課程為深入討論VR的媒介屬性，與電影、游戲、考古、遺產(chǎn)保護(hù)，以及數(shù)字人文等領(lǐng)域進(jìn)行跨學(xué)科交叉研究。在系列設(shè)計(jì)課程中，以研討會(huì)、工作坊的形式聚集對(duì)此方向感興趣的學(xué)生，完成對(duì)相關(guān)建筑空間敘事（Nar-ratives）內(nèi)容的開發(fā)。例如，麻省理工建筑學(xué)院系、柏林大學(xué)建筑學(xué)院和以色列理工學(xué)院建筑與城市規(guī)劃學(xué)院2022年春季合作開展的設(shè)計(jì)工坊——增強(qiáng)歷史教學(xué)：蒂爾加滕隱秘的城市敘事（Augment-ed Historical Pedagogies：Tiergarten’s Hidden Urban Narratives），以扎實(shí)的研究為基礎(chǔ)，以實(shí)踐為導(dǎo)向，學(xué)習(xí)使用環(huán)境傳感、激光掃描和攝影測量的技術(shù)對(duì)歷史進(jìn)行追溯復(fù)原，并基于游戲引擎制作沉浸式表現(xiàn)。知識(shí)以可交互的方式被整合在數(shù)字空間的呈現(xiàn)中，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)造的數(shù)字空間不同于原空間的被動(dòng)重建，體現(xiàn)了新的敘事多樣性。

除了歷史敘事，媒介導(dǎo)向的設(shè)計(jì)課程還會(huì)探討塑造沉浸式空間體驗(yàn)的感染力，從而回應(yīng)生態(tài)環(huán)境、社會(huì)公平等重大議題。例如，哥大建筑與規(guī)劃學(xué)院2021年夏季開展為期12天的工作坊——想象氣候：虛擬現(xiàn)實(shí)研討會(huì)（Envision Climate：Virtual Reality Seminar），建筑師通過在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中創(chuàng)造獨(dú)特的氛圍激勵(lì)人們產(chǎn)生共鳴，旨在討論虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在激發(fā)同理心上的作用。

（四）進(jìn)階：交互開發(fā)

面向全面掌握IVR應(yīng)用技術(shù)并具備編程能力的高年級(jí)本科生及研究生，課程進(jìn)一步提供深入技術(shù)方向的研究機(jī)會(huì)。課程以研討會(huì)（seminar）或工作坊（workshop）形式，采取基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式，針對(duì)具體學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行程序開發(fā)，最終形成可交互的學(xué)習(xí)工具等。例如，密歇根大學(xué)建筑學(xué)院2022年冬季學(xué)期課程Arch509 Advanced Tectonic，10名學(xué)生在教師的帶領(lǐng)下開發(fā)應(yīng)用于建筑構(gòu)造學(xué)習(xí)的VR模型與可交互模塊，該工具在該校低年級(jí)建造課程Arch317中得到實(shí)際運(yùn)用。

除了服務(wù)于學(xué)院內(nèi)部的建筑教學(xué)工具開發(fā)，課程還可以與外部的終端用戶合作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)、教、研的融合。基于UCBXRLab 資源的課程Arch129/229在2019春季學(xué)期開展了項(xiàng)目式教學(xué)——XRMaps of Berkeley：Learning in Virtual Reality，創(chuàng)建了六個(gè)沉浸式環(huán)境傳達(dá)的研究或創(chuàng)造性工作，組合呈現(xiàn)使用技術(shù)信息、環(huán)境體驗(yàn)和游戲玩法。

總體而言，IVE的課程體系包括體驗(yàn)、基礎(chǔ)、應(yīng)用、進(jìn)階四方面，如圖2所示。

二、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑教學(xué)中的應(yīng)用

（一）設(shè)計(jì)教學(xué)

設(shè)計(jì)系列課程是建筑教學(xué)的核心課程，建筑系學(xué)生通過參與設(shè)計(jì)課程實(shí)踐提升能力。建筑設(shè)計(jì)課程教學(xué)的難點(diǎn)在于如何將現(xiàn)實(shí)中具象的建筑物與其表象的意義教授給初學(xué)者，傳統(tǒng)的二維圖紙空間、三維動(dòng)畫或模型空間不能較全面地還原為場景實(shí)體，對(duì)學(xué)生理解建筑本質(zhì)造成轉(zhuǎn)譯上的困難。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用可以從兩方面賦予設(shè)計(jì)教學(xué)新的可能性。一方面，針對(duì)建筑設(shè)計(jì)課程教學(xué)過程的改變;另一方面，為非設(shè)計(jì)專題的內(nèi)容，針對(duì)設(shè)計(jì)課程關(guān)鍵問題的改變。

1.教學(xué)形式變化

建筑設(shè)計(jì)課程教學(xué)過程包含前期調(diào)研、案例分析、概念構(gòu)思、方案比較、方案深化、方案表現(xiàn)、匯報(bào)評(píng)圖，以及展示歸檔。在各個(gè)環(huán)節(jié)中IVE都可能提供不同形式的幫助。總體而言，在教學(xué)中VR可以執(zhí)行教學(xué)工具、輔助設(shè)計(jì)和匯報(bào)展示三個(gè)基礎(chǔ)功能，如表1所示。其中，IVR相對(duì)于傳統(tǒng)教育媒介在輔助設(shè)計(jì)方面所能起到的作用更為突出，IVR的突出優(yōu)勢在于能夠讓學(xué)生從第一視角檢查空間關(guān)系和體驗(yàn)空間氛圍。在IVE環(huán)境中，學(xué)生能夠通過“體驗(yàn)\"獲得直接知識(shí)，從而降低了獲取知識(shí)的難度。由于后者與材料、色彩等元素密切關(guān)聯(lián)，更適配于方案成型后的深化階段。而在概念構(gòu)思階段，對(duì)于空間的想象需以高度抽象的形式存在，傳統(tǒng)媒介如草圖或桌面式平臺(tái)能夠保留各種潛在可能，因此更加實(shí)用。在建筑設(shè)計(jì)過程中，將模型置人虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境有助于師生之間的知識(shí)傳遞。學(xué)生在沉浸式空間中對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查，可以更加直觀地理解相應(yīng)的空間設(shè)計(jì)問題，從而有助于將經(jīng)驗(yàn)內(nèi)化為自身的知識(shí)構(gòu)建。針對(duì)教學(xué)規(guī)模問題，Tokuhara等6對(duì)CAVE中沉浸式學(xué)習(xí)的班級(jí)規(guī)模和應(yīng)用時(shí)長進(jìn)行了研究，研究表明單人組的學(xué)生學(xué)習(xí)成果最多，并且學(xué)習(xí)成果隨著小組規(guī)模的增加而減少。因此，對(duì)于學(xué)生人數(shù)眾多的課程，建議將小組人數(shù)分散至中等規(guī)模，如兩到四人，以在學(xué)習(xí)成果和為所有學(xué)生提供沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)的實(shí)際可行性之間取得平衡。對(duì)于人數(shù)較少的學(xué)生，建議使用較小規(guī)模的小組，以獲得最大的學(xué)習(xí)收益。

2.教學(xué)內(nèi)容變化

新技術(shù)的引入也會(huì)刺激教學(xué)內(nèi)容的變革，產(chǎn)生交叉創(chuàng)新的題目內(nèi)容。通過梳理國外課程體系，能夠發(fā)現(xiàn)部分建筑高校在設(shè)計(jì)系列課程中，還向?qū)W生提供兩類深人研究的機(jī)會(huì)，一類是媒介敘事；一類是技術(shù)導(dǎo)向，進(jìn)行交互開發(fā)或工具開發(fā)。目前，這兩類課程的實(shí)踐相對(duì)較少，應(yīng)是進(jìn)一步深化發(fā)展的方向。

（二）非設(shè)計(jì)教學(xué)

在非設(shè)計(jì)教學(xué)中，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要功能為提供新型教學(xué)工具，作用于學(xué)生的直接知識(shí)獲取。在理論課程中，傳統(tǒng)的教學(xué)模式是將抽象經(jīng)驗(yàn)單向傳遞給學(xué)生，而沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用將使得教學(xué)方式轉(zhuǎn)向交互式教學(xué)、以學(xué)生為中心。其作用機(jī)制是將抽象概念轉(zhuǎn)化為具身體驗(yàn)，轉(zhuǎn)化為“做的經(jīng)驗(yàn)”。適合應(yīng)用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理論課程主要包括建筑歷史教學(xué)與建筑技術(shù)教學(xué)。借助虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行建筑歷史課程教學(xué)的優(yōu)勢在于能夠以更低的獲取成本、更清晰的學(xué)習(xí)過程幫助學(xué)生建立直觀認(rèn)知。基于VR的文化遺產(chǎn)展示活動(dòng)能夠突破時(shí)間和空間的維度，實(shí)現(xiàn)信息雙向交互。目前，由于內(nèi)容與程序的開發(fā)成本相對(duì)較高，無法形成充足教學(xué)資源庫，未來的發(fā)展有賴于高度集成化模塊化的程序開發(fā)手段，以及各個(gè)高校之間的數(shù)據(jù)開放共享程度。

利用VR技術(shù)建立的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)已經(jīng)在國內(nèi)工程學(xué)科得到廣泛應(yīng)用，其意義在于使學(xué)習(xí)者在安全、易達(dá)的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐操作。在建筑技術(shù)教學(xué)方面，Maghool等[7基于UE與Blue-print可視化編程語言開發(fā)了一套細(xì)部構(gòu)造學(xué)習(xí)工具，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含三個(gè)環(huán)節(jié)——施工建造過程演示、建造細(xì)部觀察和學(xué)習(xí)結(jié)果評(píng)估，該評(píng)估以游戲化的方式進(jìn)行，學(xué)生需要結(jié)合前面兩個(gè)環(huán)節(jié)積累的知識(shí)補(bǔ)全缺失構(gòu)件。同濟(jì)大學(xué)建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開發(fā)了幫助學(xué)生學(xué)習(xí)保國寺的建筑結(jié)構(gòu)施工過程的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，該實(shí)驗(yàn)?zāi)K能夠通過桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)和HMD設(shè)備，以不同沉浸度的方式進(jìn)行訪問。對(duì)于缺乏實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生而言，施工過程、建筑細(xì)部往往是理解難度較高的部分，以沉浸式、游戲化的工具幫助學(xué)生對(duì)陌生過程產(chǎn)生具體認(rèn)知，是VR技術(shù)應(yīng)用的主要目的。

值得注意的是，在教學(xué)過程中應(yīng)用了相關(guān)工具的教師對(duì)學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)效果開展了調(diào)查。結(jié)果顯示沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)工具作為一種媒介，其具備陌生感與新穎性，的確能夠?qū)W(xué)生產(chǎn)生更強(qiáng)的吸引力。同時(shí)，相較于在現(xiàn)實(shí)場景中的教學(xué)，虛擬仿真模型能夠?yàn)閷W(xué)生提供更大密度的信息容量，反復(fù)、近距離觀察的機(jī)會(huì)將復(fù)雜的過程清晰化。然而，從教學(xué)效果上進(jìn)行評(píng)估，采用這一新的教學(xué)媒介不一定比傳統(tǒng)方式更有效，即不能夠讓學(xué)生在評(píng)估測試中取得更好表現(xiàn)，更快完成知識(shí)構(gòu)建，或保持對(duì)知識(shí)的清晰記憶。

開發(fā)建筑教學(xué)相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要的優(yōu)勢在于能夠以更加安全的方式進(jìn)行實(shí)踐，降低教學(xué)成本、減少實(shí)踐教學(xué)的難度，并能夠與在線課程銜接。基于長期持續(xù)、多樣化的項(xiàng)目開發(fā)，能夠逐步實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源庫的建立。但是，由于交互開發(fā)難度大、缺乏相應(yīng)人才、投入時(shí)間成本高等問題，對(duì)于教學(xué)內(nèi)容和工具的開發(fā)在當(dāng)下難以快速推進(jìn)。針對(duì)這一問題需要從兩方面入手：一是與行業(yè)公司合作，依托外部成熟的技術(shù)資源對(duì)同類型教學(xué)工具開發(fā)建立基本的技術(shù)底座;二是充分利用與研究結(jié)合的機(jī)會(huì)，以研究帶動(dòng)教學(xué)，即在研究生中先建立相應(yīng)學(xué)術(shù)群體，形成技術(shù)能力，通過專題研究攻克專業(yè)問題。

三、清華大學(xué)城市人因?qū)嶒?yàn)室全景仿真分室應(yīng)用實(shí)例

為推進(jìn)對(duì)學(xué)科未來的探索，在學(xué)科交叉的語境下拓寬新時(shí)期建筑人才培養(yǎng)的窗口，提出將建筑系系館作為動(dòng)態(tài)更新、多學(xué)科交叉融合的實(shí)驗(yàn)室。以實(shí)驗(yàn)室為核心來組織空間與資源，有利于具體地實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科聯(lián)系，并將研究與教學(xué)更加緊密地結(jié)合。其中，城市人因?qū)嶒?yàn)室全景仿真分室（以下簡稱VR實(shí)驗(yàn)室）的建設(shè)是起步階段的關(guān)鍵一環(huán)。該實(shí)驗(yàn)室主要目的是為師生提供CAVE系統(tǒng)VR技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)室位于清華大學(xué)建筑館一層南翼，包括2個(gè) 4m×4m 的CAVE空間。實(shí)驗(yàn)室從空間設(shè)計(jì)上主要考慮復(fù)合利用的需求，其中一個(gè)CAVE空間與走廊整合形成24m² 左右的可靈活使用的空間，在實(shí)際使用中，可以利用兩面投影墻面或“兩面墻 + 一側(cè)幕布\"的形式構(gòu)成兩面或三面CAVE空間，適用于需要多人進(jìn)行協(xié)作設(shè)計(jì)、項(xiàng)目審查、評(píng)圖展示的情況。靠近走廊的界面采用透明玻璃材質(zhì)，并使用透明LED屏幕同步實(shí)驗(yàn)場景，從而起到展示作用，如圖3所示。同時(shí)，該空間日常可作為小型會(huì)議空間使用，滿足教學(xué)、討論、自習(xí)的需求。

清華大學(xué)城市人因?qū)嶒?yàn)室全景仿真分室的應(yīng)用以設(shè)計(jì)教學(xué)為出發(fā)點(diǎn)，在2023年建成后首先選定基礎(chǔ)平臺(tái)作為試點(diǎn)，建立實(shí)驗(yàn)室技術(shù)助教團(tuán)隊(duì)，承擔(dān)設(shè)備使用培訓(xùn)的職能。基礎(chǔ)平臺(tái)在整個(gè)設(shè)計(jì)課系列中的定位是培養(yǎng)學(xué)生的基本識(shí)圖制圖、方案構(gòu)思和方案設(shè)計(jì)能力。實(shí)驗(yàn)室技術(shù)助教團(tuán)隊(duì)組織大一、大二年級(jí)學(xué)生，分組體驗(yàn)了實(shí)景空間漫游、模型實(shí)時(shí)編輯等功能，并已有部分設(shè)計(jì)課小組應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行課上設(shè)計(jì)方案討論。針對(duì)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的40名低年級(jí)本科生進(jìn)行調(diào)查，評(píng)估基于CAVE系統(tǒng)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用過程中的接受度，得到基本結(jié)果如圖4所示， 45% 的學(xué)生表示完全不了解VR設(shè)備， 20% 的學(xué)生有了解但沒使用過VR設(shè)備，即 65% 的學(xué)生在本次設(shè)計(jì)課使用VR實(shí)驗(yàn)室之前，完全沒有VR設(shè)備（包括CAVE系統(tǒng)、HMD、AR眼鏡等）的使用經(jīng)驗(yàn)； 33% 的學(xué)生有使用過VR設(shè)備但僅有少量經(jīng)驗(yàn)。總體上，對(duì)于學(xué)生而言，VR仍然是一項(xiàng)非常陌生的技術(shù)。但是，對(duì)于VR實(shí)驗(yàn)室的整體看法，學(xué)生普遍持積極態(tài)度， 86% 的學(xué)生認(rèn)為建成該全景仿真VR實(shí)驗(yàn)室對(duì)于設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)是有用的，如圖5所示。

針對(duì)VR在哪一設(shè)計(jì)階段使用需求最大這一問題，在調(diào)查問卷中設(shè)置排序，從強(qiáng)到弱排序依次為深化方案、評(píng)圖匯報(bào)、場地調(diào)研、概念構(gòu)思、圖紙表達(dá)，如圖6所示。學(xué)生普遍認(rèn)為在深化方案階段使用VR非常合適，該項(xiàng)綜合得分遠(yuǎn)超其他階段，間接表明中期后對(duì)空間氛圍、細(xì)部進(jìn)行推敲的這一階段，學(xué)生可能有更多的使用需求。因此，在實(shí)驗(yàn)室長期運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)當(dāng)關(guān)注這種周期性的需求變化，使得資源得到更有效的利用。

目前，VR實(shí)驗(yàn)室吸引學(xué)生的原因主要在于有助于直觀理解空間、提供真實(shí)體驗(yàn)、體驗(yàn)新穎有趣、容易發(fā)現(xiàn)問題、展示效果好等，而認(rèn)為互動(dòng)交流方便、可以拓展技能的學(xué)生較少，如圖7所示。方便協(xié)作是CAVE系統(tǒng)相較于HMD設(shè)備應(yīng)用于設(shè)計(jì)教學(xué)的優(yōu)勢之一，而實(shí)驗(yàn)室的作用不僅在于幫助學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，還在于提供了豐富的技能拓展的可能性，這兩點(diǎn)優(yōu)勢在實(shí)驗(yàn)室起步階段尚未體現(xiàn)。隨著實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展，一方面，需要解決VR實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)中出現(xiàn)的實(shí)際應(yīng)用問題。另一方面，需要借助實(shí)驗(yàn)室深人發(fā)展和整合跨學(xué)科資源，從而真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢。

進(jìn)一步調(diào)查學(xué)生對(duì)于設(shè)計(jì)課上VR所起到作用的評(píng)價(jià)，如圖8所示，超過 50% 的學(xué)生認(rèn)為VR對(duì)于發(fā)現(xiàn)方案問題、掌握設(shè)計(jì)要點(diǎn)、理解老師建議、表達(dá)設(shè)計(jì)想法這四個(gè)方面均有幫助。而其中最突出的是， 90% 的學(xué)生都認(rèn)為VR可以讓人更容易地發(fā)現(xiàn)方案中的問題。針對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)課上主要使用的兩個(gè)功能——模型漫游體驗(yàn)和實(shí)時(shí)編輯，目前的操作流程和程序雖然已經(jīng)降低了學(xué)生使用的技術(shù)門檻，但是仍存在約四分之一的學(xué)生認(rèn)為該功能使用起來不容易。因此，還需要進(jìn)一步迭代優(yōu)化，并形成最簡化的培訓(xùn)機(jī)制。

學(xué)生不使用或不主動(dòng)使用VR實(shí)驗(yàn)室的原因如圖9所示，主要包括預(yù)約不方便、建模要求高、操作流程復(fù)雜、已有工具能夠滿足設(shè)計(jì)需要、會(huì)出現(xiàn)眩暈等。因此，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的過程中，需要參考前文的分析案例，建立起清晰的預(yù)約、培訓(xùn)機(jī)制，持續(xù)更新迭代與學(xué)生需求相適應(yīng)的工具包，從而簡化學(xué)生學(xué)習(xí)操作的過程，使學(xué)生把重心放在內(nèi)容創(chuàng)作上。容易眩暈是阻礙VR廣泛應(yīng)用的嚴(yán)重問題之一，解決該問題的根本辦法是VR技術(shù)的迭代更新。從應(yīng)用層面，設(shè)計(jì)者可選擇適用的技術(shù)，如以教學(xué)為主的場景中，選擇CAVE，CAVE相較于HMD，在協(xié)作性和避免短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生眩暈等方面表現(xiàn)更優(yōu)。再如VR評(píng)圖場景中，如果選擇分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，學(xué)生與評(píng)委都處在虛擬空間中，可一定程度上避免學(xué)生只看著屏幕第一視角畫面而產(chǎn)生的眩暈感。此外，從空間設(shè)計(jì)上，鑒于這種常見的眩暈狀況，應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)門的標(biāo)識(shí)性，采取向房間外開啟的方式，并單獨(dú)設(shè)置一些可供休息調(diào)整的空間。

學(xué)生對(duì)于CAVE空間大小的感受，如圖10所示， 90% 以上的學(xué)生認(rèn)為，目前 4m×4m 大小的CAVE空間對(duì)于單人使用以及3～4人小組討論是相對(duì)合適的尺度。但是，針對(duì)于10人左右的設(shè)計(jì)課教學(xué)單元， 95% 以上的學(xué)生表示，現(xiàn)有的空間不足以滿足上課需要。

結(jié)合設(shè)計(jì)課上學(xué)生實(shí)驗(yàn)室使用過程的實(shí)際觀察，可以發(fā)現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于課堂的現(xiàn)實(shí)難點(diǎn)。當(dāng)前CAVE系統(tǒng)是捕捉個(gè)體動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的計(jì)算，當(dāng)多人站立于空間之中，追蹤系統(tǒng)可能受到干擾，反復(fù)切換不同追蹤對(duì)象，導(dǎo)致畫面出現(xiàn)抖動(dòng)、跳躍，影響交互教學(xué)體驗(yàn)。例如，在實(shí)際10人左右為小組的教學(xué)場景中，當(dāng)教師一對(duì)一指導(dǎo)某個(gè)學(xué)生時(shí)，其他學(xué)生不得不緊貼著墻或蹲或坐。缺少一個(gè)同步學(xué)習(xí)和準(zhǔn)備模型的空間，課堂參與度下降。學(xué)生在靜坐等待的過程中也容易由于錯(cuò)位、變動(dòng)的視覺畫面產(chǎn)生眩暈等生理不適癥狀。然而，僅單純地?cái)U(kuò)大CAVE面積，并不能解決設(shè)計(jì)教學(xué)應(yīng)用的實(shí)際問題。一方面，增加CAVE空間的面積，需要考慮到使用更高規(guī)格的設(shè)備所增加的成本，以及熱源增加、制冷需求增大給能耗負(fù)荷帶來的壓力等;另一方面，讓學(xué)生長時(shí)間在CAVE里更可能誘發(fā)身體不適。因此，設(shè)計(jì)需要更加靈活地結(jié)合CAVE空間和日常教學(xué)空間的實(shí)驗(yàn)室模塊。

四、總結(jié)

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為建筑學(xué)科教學(xué)帶來新的可能，但實(shí)驗(yàn)室能否真正在教學(xué)中充分發(fā)揮效用有賴于相關(guān)課程體系的建設(shè)。從內(nèi)容建設(shè)及課程體系上看，相對(duì)完整的IVR課程體系呈現(xiàn)金字塔式結(jié)構(gòu)，從底部基礎(chǔ)平臺(tái)向上，課程任務(wù)難度由低階向高階發(fā)展，技術(shù)能力要求遞增，反思與批判的能力要求也相應(yīng)遞增。高階課程以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為主，結(jié)合了研究能力的培養(yǎng)，其成果包括對(duì)內(nèi)容和工具的開發(fā)將“反哺”于基礎(chǔ)課程中的空間體驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)、輔助設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。針對(duì)各個(gè)學(xué)校的不同情況，課程體系的開發(fā)以及具體課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)有賴于學(xué)校的師資、設(shè)備等因素，部分學(xué)校可能會(huì)缺少高階課程設(shè)置，或?qū)⒒A(chǔ)技術(shù)課程整合進(jìn)設(shè)計(jì)教學(xué)或研究導(dǎo)向課程，或利用實(shí)驗(yàn)室培訓(xùn)資源替代單獨(dú)設(shè)置基礎(chǔ)技術(shù)課程，但總體遵循\"體驗(yàn)—學(xué)習(xí)—應(yīng)用—反思\"的知識(shí)構(gòu)建過程。

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)在建筑教學(xué)中的應(yīng)用體現(xiàn)于設(shè)計(jì)教學(xué)和非設(shè)計(jì)教學(xué)兩方面，對(duì)建筑教學(xué)的改變涉及方式和內(nèi)容。近年來，國內(nèi)多所建筑高校正在同步探索基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的建筑教學(xué)方式變革。虛擬仿真技術(shù)在建筑遺產(chǎn)保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)深人，已經(jīng)取得了扎實(shí)的項(xiàng)目成果。例如，同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院于2014年成立“建筑規(guī)劃景觀國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”，孫澄宇教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的保國寺（大殿）仿真建構(gòu)實(shí)驗(yàn)軟件，已應(yīng)用于本科生中國古代建筑史課程，該軟件可在HTC等HMD設(shè)備上運(yùn)行，或在手機(jī)端AR環(huán)境中運(yùn)行，功能包括構(gòu)件認(rèn)知、構(gòu)件考核、建造過程認(rèn)知，以及建造過程考核[8]。針對(duì)核心設(shè)計(jì)課程，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用尚處于探索階段，北京交通大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院、重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院開展了基本的教學(xué)試點(diǎn)9，天津大學(xué)建筑學(xué)院于2021年建成VR實(shí)驗(yàn)艙進(jìn)行空間認(rèn)知實(shí)驗(yàn)[1]。

總體而言，在當(dāng)前國內(nèi)應(yīng)用IVR的教學(xué)實(shí)踐中，教學(xué)方式的改變已經(jīng)可以明顯地體現(xiàn)于設(shè)計(jì)教學(xué)、理論教學(xué)等環(huán)節(jié)。然而，IVR對(duì)于教學(xué)內(nèi)容的變革亟待實(shí)踐探索，包括在課程體系中增加IVR相關(guān)技術(shù)方向課程，在設(shè)計(jì)系列課程中增加設(shè)計(jì)專題研究方向，以及鼓勵(lì)有興趣的學(xué)生深入到敘事、交互、數(shù)字人文等某一學(xué)科交叉方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]de Back TT，TingaAM，NguyenP，etal.Benefitsofimmersivecollborativelearning inCAVE-basedvirtualreality[J].International Journal of Educational Technology inHigher Education，2O20，17（1） ：51.

[2]Jonassen D，Davidson M，Collins M，etal.Constructivismandcomputer-mediated communicationindistanceeducation[J].American Journal of Distance Education，1995，9（2） ：7-26.

[3]KalantariS，TripathiV，KanJ，etal.Evaluating theimpacts ofcolor，graphics，andarchitecturalfeaturesonwayfindinginhealthcaresetingsusingEEGdataandvirtualresponsetestingJ].JournalofEnvironmentalPsychology，2O22，79：101744.

[4]KobayashiY，HawkerR，TerzidisK，etal.World8：Interationalworkinggroupfornewvirtualrealityapplicationsiarchi-tecture[C]//CAAD Future， Joining Languages， Cultures and Visions，20o9：547-556.

[5]MagholSAH，MoeiniSHI，ArefazarY.Aneducationalapplicationbasedonvirtualrealitytechnologyforleaingarchi-tecturaldetails：chaengesandbenefits[J].International JournalofArchitecturalResearch：ArchNet-IJAR，2018，12（3）：246.

[6]Tokuhara T，F(xiàn)ukudaT，YabukiN.Developmentofa CityPresentation MethodbyLinking ViewpointsofaPhysical ScaleModeland VR[J]. Journal of Environmental Engineering，2011，76（668）：953-961.

[7]胡映東，康杰，張開宇，等.VR在建筑設(shè)計(jì)思維訓(xùn)練中的效用再研究[C]/全國高等學(xué)校建筑學(xué)專業(yè)教育指導(dǎo)分委員會(huì)建筑數(shù)字技術(shù)教學(xué)工作委員會(huì).共享·協(xié)同——2019全國建筑院系建筑數(shù)字技術(shù)教學(xué)與研究學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2019：7.

[8]黃鑫.基于VR技術(shù)的虛擬教學(xué)應(yīng)用研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2005.

[9]孫澄宇，黃一如.同濟(jì)大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)2.0建設(shè)[J].城市建筑，2015（28）：43-46.

[10]趙銘超，孫澄宇．虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（4）：90-93.

The application of immersive virtual reality technology in architecture coursesincollegesanduniversities

CUI Jiayu，CHENGXiaoxi，LI Xinran （SchoolofArchitecture，TsinghuaUniversity，Beijing1Ooo84，P.R. China）

Abstract： Immersive virtual reality （IVR） technology ofers new possibilities for architecture teaching scenarios as well as empirical research in emerging design science.In the context of disciplinary transformation and technological development，this study analyzes the IVR-related courses ofered by architecture schools at home and abroad，and concludes that the complete course system utilizing VR is divided into four categories presenting a pyramidal structure of technical difficulty from low to high，with higher-order results being applied in lower-order courses.Its application in architectural teaching can be divided into two categories： design teachingand non-design teaching.For design teaching，VRcan make students check spatial relationships and experience from the first perspective and understand spatial design problems.In non-design teaching， shifting to interactive teaching through IVR technologycan help students to establish intuitive cognition with lower acquisition cost and clearer learning process，and enable learners to practice in a safe and accessible environment.However，IVR technology hasnot yet enabled students toachieve beter performance in assessment tests.This study finally takes the design and realization of the panoramic simulation laboratory of Tsinghua University's Urban Human Factors Laboratory as an example，applies the research results and combines them with the needs to put forward the problems facing the currnt laboratory development，i.e.， for the dual change of the teaching methods and contentof architecture education triggered by IVR，the change of the teaching content is the most important issue to be explored by domestic collges and universities at present.

Key words： virtual reality; architecture education; design teaching

（責(zé)任編輯 代小進(jìn)）