新工科背景下醫工融合的建筑設計教學新探索：“VR+ 人因技術”的應用

在建筑設計教育領域，培養學生的創新能力與綜合實踐能力始終是核心目標。傳統教學模式往往側重于理論傳授和案例分析，學生在設計決策中多依賴主觀判斷與經驗積累，缺乏基于客觀數據調整設計方案的有效策略。近年，虛擬現實（VR）技術與人因技術的有機結合，為設計決策提供了全新的科學依據。通過“ VR+ 人因技術”，學生可借助生理數據評估使用者對空間設計的反饋，實現數據驅動的設計優化。然而，當前該技術主要應用于科研領域，在建筑設計教學中的實踐應用較少，缺乏系統性的探索與推廣。本次教學改革以“醫工融合”為切入點，構建基于“ VR+ 人因技術”的教學模式，旨在為學生提供科學的設計工具，開拓建筑設計教育的創新思路。

一、新工科背景下建筑設計教學醫工融合的必要性

在新工科背景下，建筑設計教學急需突破傳統學科邊界，培養具備跨學科知識、實踐能力與創新思維的復合型人才。隨著健康建筑理念的普及，傳統設計模式已難以滿足人們對健康、舒適、可持續空間的需求，建筑設計需通過優化采光、通風等條件增進居住者福祉。這一理念推動建筑設計教學向健康導向轉型，而醫工融合等跨學科實踐，正是提升學生解決復雜設計問題能力的關鍵路徑。在高校建筑學專業的傳統教學體系中，建筑設計課程往往側重于“功能、空間與形態”的基礎設計訓練，學生主要依賴視覺經驗和教師反饋優化方案，缺乏科學量化手段。醫工融合下的“ VR+ 人因技術”提供了新路徑，學生可在VR環境中沉浸式體驗設計效果，并結合心電、皮電等生理數據反饋，量化分析設計對使用者生理與心理狀態的影響，進而優化設計方案。這一過程不僅提升了學生的空間感知能力，還培養了他們運用科學方法的意識，有效促進學科交叉融合（如圖1所示）。本文基于鄭州大學建筑學本科生的教學改革實踐，探討“ VR+ 人因技術”教學方法的可行性與實際效果，為建筑設計課程創新提供新思路。

二、VR技術的特性與發展

（一）VR技術的起源與發展

虛擬現實（VirtualReality，VR）技術的核心是通過計算機生成三維虛擬環境，為用戶提供沉浸式體驗。隨著技術迭代和設備升級，VR設備已實現更高的分辨率、更低的延遲，并具備更自然的人機交互功能。相較于傳統視頻和照片，VR技術構建的實驗場景在沉浸感、真實感、立體感和景深方面具有顯著優勢，目前已廣泛應用于軍事、科研、教育等多個領域。

（二）VR技術在建筑領域的應用

近年，VR技術在建筑領域的應用不斷拓展，逐漸推動傳統設計與教學模式的變革。其主要應用涵蓋空間感知優化、設計效果模擬、項目展示等方面。通過創建逼真的虛擬建筑場景，學生得以直觀體驗空間布局、材質、光線及流線組織，有效彌補二維圖像與實體模型的局限性。在科研場景中，VR技術憑借沉浸式實驗環境，助力科研人員精準控制天氣、時間等變量，以低成本模擬復雜設計場景。然而，VR技術在建筑領域的應用仍面臨多重挑戰。一方面，VR技術對高性能硬件的依賴限制了普及推廣；另一方面，VR技術在細節呈現和物理屬性模擬上存在局限，難以精準還原光影變化、材質質感及聲環境等要素，導致用戶沉浸式體驗大打折扣。為提升應用精準度，研究人員開發了“臨場感問卷”，用于評估VR場景質量。隨著技術迭代與跨學科融合的深化，虛擬現實（VR）技術正成為建筑學與多學科交叉融合的關鍵橋梁，為建筑設計、教育教學及工程實踐帶來全新可能。

三、人因技術的特性與發展

（一）人因技術的起源與發展

人因技術（Human Factors Engineering）是一個跨學科領域，主要研究人在與系統、設備及環境的交互過程中，如何通過優化設計提升效率、舒適度和安全性。這一學科起源于20世紀初，最初應用于航空和軍事領域。此后，隨著工業化進程的推進和技術革新，人因技術的研究范圍從軍事領域拓展到交通、醫療、制造等多個領域，最終形成了現代人因學的理論框架。在學科發展過程中，人因技術與環境設計的結合日益緊密，研究重點逐漸聚焦于人類對環境的生理反應。隨著人工智能、大數據分析和傳感器技術的發展，實驗設計、數據采集和分析變得更加高效、精準。這些技術的進步不僅拓展了人因技術的應用領域，還推動其與建筑設計、城市規劃、環境心理學等多學科實現了深度交叉融合。

（二）人因技術在建筑領域的應用

在建筑領域，人因技術通過采集和分析人體生理與行為數據，為建筑設計提供科學依據。其測量指標涵蓋視覺注意力、壓力水平、行為路徑等維度，每項指標均借助專業傳感器設備進行量化采集。結合沉浸式虛擬環境，用戶能夠直觀體驗設計效果，同步記錄的生理反應數據則實時為設計者提供調整依據。例如，在街道步行空間設計中，基于心電、皮電和腦電信號開展的壓力評估，能夠量化分析行人的空間情緒體驗；通過對行為路徑數據的采集與分析，則可優化空間流線布局，提升場所功能性與用戶體驗。人因技術通過量化研究建筑環境對人體的影響，為健康建筑與宜居環境的構建提供了有力支撐，成為現代建筑設計領域的新興工具。

四、 ⁶⁶VR+ 人因技術”在建筑設計教學中的應用

（一）沉浸式感知虛擬建筑空間環境

在傳統建筑設計教學中，學生往往難以通過二維圖像與實體模型直觀把握設計方案的空間尺度。引入VR技術后，學生得以進入虛擬建筑環境開展沉浸式體驗。在實際教學過程中，學生運用SketchUp軟件完成模型創建，并將模型導入Mars軟件進行場景渲染。區別于傳統渲染方式，學生佩戴HTCVive設備進入虛擬建筑環境后，可通過手柄實時更改材質、調整配景等，以第一人稱視角“行走”于建筑內部，真實感受空間尺度、采光效果，顯著提升了對空間流線、材料質感及光影變化的感知能力。同時，Mars平臺的多機互聯功能支持教學小組的師生同步進入同一場景進行編輯操作，這種協同式教學模式有效增強了小組互動性。學生在自主交流并完成設計任務的過程中，能夠實時獲取教師的反饋與指導，既強化了團隊合作能力，又培養了跨學科協作意識。

（二）精確獲取人體生理數據

在醫工融合的建筑設計教學過程中，教學重點聚焦于通過生理指標測量心理壓力。常見的測量指標包括心率、心率變異性、腦電波、血壓、皮膚電導水平等。綜合考慮數據采集難度及設備可用性，選取心率、心率變異性、皮膚電導水平和腦電波作為核心測量指標。在虛擬環境體驗過程中，借助ErgoLAB人機環境同步云平臺進行生理數據采集。具體而言，心率（HR）指每分鐘心跳次數，是評估心血管系統活動的重要指標。個體處于壓力狀態時，交感神經系統激活會導致心率加快。心率變異性（HRV）反映相鄰心跳間隔的時間波動，用于評估自主神經系統的激活狀態。較高的HRV通常與放松的健康狀態相關。皮膚電導水平（SCL）通過監測皮膚導電性變化反映汗腺活動。當壓力升高時，汗腺活動增強會導致皮膚電導水平上升。腦電波（EEG）用于記錄大腦活動的電信號，不同波段與情緒及壓力狀態密切相關。例如，Alpha波（8-13Hz ）通常與放松狀態相關，該波段相對功率的增加往往意味著壓力水平降低。這些生理指標在壓力水平評估中應用廣泛，能夠有效反映學生在特定虛擬場景中的情緒與壓力狀態。

（三）數據反饋驅動的建筑空間優化設計

本次教學改革課程以宿舍窗戶設計為空間設計切入點，涵蓋實地調研、VR體驗、數據反饋指導設計三個階段，系統培養學生的空間設計能力與科研思維。課程深度融合“ VR+ 人因技術”，將虛擬現實的沉浸感與人因技術的量化分析相結合，深化學生對空間環境與用戶體驗關系的認知。課程緊扣“新工科”教育理念，旨在培養學生數據驅動的創新設計能力，為應對未來復雜的建筑環境挑戰提供全新思路和技術支撐。

1.實地調研與VR場景構建

教學第一階段為實地調研，通過引導學生觀察真實宿舍環境并實測窗戶尺寸，深入理解宿舍窗戶在空間環境中的作用。學生分組前往不同高校宿舍開展調研，采用測繪、攝影、訪談等方法，全面記錄宿舍窗戶的類型、尺寸、空間比例，以及光照、通風、視野等與居住體驗密切相關的環境參數。同時，通過訪談收集居住者的主觀反饋，如窗戶的功能性、采光效果及窗外景觀對緩解心理壓力的作用。這一過程既鍛煉了學生的數據采集與分析能力，又培養了他們將客觀測量與主觀感知相結合的研究思維。調研結束后，學生根據調研數據構建VR模型，通過與實景照片比對，最大程度還原真實場景，為后續實驗奠定基礎。

2.VR體驗與生理數據采集

第二階段依托鄭州大學虛擬仿真實驗中心，通過沉浸式VR體驗探究窗戶設計對宿舍空間環境的影響。學生佩戴HTCVive設備，進入不同窗戶類型的虛擬空間進行體驗。為增強實驗針對性，教學中設置模擬壓力情境（如TSST實驗室加壓任務），以觀察不同場景下的壓力緩解效果。實驗過程中，學生不僅需要記錄主觀感受，還需借助專業設備采集心率變異性（HRV）、心率（HR）、皮膚電導水平（SCL）和腦電波（EEG）等生理數據。通過對比不同窗戶類型下的生理指標變化，學生初步認知設計變量對心理狀態的影響。

3.數據反饋指導設計

第三階段聚焦于數據分析與設計優化結合，通過生理數據反饋指導學生優化宿舍窗戶設計方案。學生首先整理實驗數據，運用SPSS等統計軟件對生理數據進行差異性分析和可視化處理。通過評估不同設計變量的壓力緩解效果，并將分析結果與主觀體驗相結合，探討窗戶設計對心理健康的影響。隨后，教師引導學生在數據分析基礎上，提煉出有助于壓力緩解的設計要素。最后，學生根據分析結果對初始設計方案進行優化調整，開展方案展示與課堂討論。這一過程促使學生將理論知識、實驗技能、數據處理能力與實際設計能力有機結合，為應對未來復雜的設計挑戰奠定堅實基礎。

五、結語

本文基于“新工科”教育理念，探索“ VR+ 人因技術”在建筑設計教學中的創新應用，為建筑設計教學提供新的融合路徑。相較于傳統教學模式，該模式主要有以下幾點創新。首先，傳統建筑設計教學多依賴二維圖像與實體模型，而“ ?VR+ 人因技術”通過沉浸式體驗，幫助學生更直觀地感知空間布局、尺度與氛圍，提升空間理解能力與設計效率。其次，該模式突破了傳統建筑設計中“以人為本”理念的主觀判斷局限，創新性地引入生理數據作為設計評價指標，通過量化空間對人體的影響，使設計決策更具科學性和精準性，同時強化建筑設計中對心理健康因素的關注。最后，該模式推動了建筑學與生物醫學工程、心理學等學科的交叉融合。學生在學習過程中需掌握生理信號采集、數據分析等技術，從而培養跨學科思維，提升綜合實踐能力，為應對未來復雜的設計挑戰提供更廣闊的視角。

目前，該教學模式仍處于探索階段，存在諸多優化空間。在技術層面，數據采集的實時性和精確性有待進一步提升，設備的便攜性和易用性也需優化；在實踐層面，需擴大教學樣本量，規范實驗流程，以評估該模式在不同場景下的適用性。未來，隨著技術進步和教學模式的完善，“ VR+ 人因技術”有望推動建筑設計教學向更科學、人性化的方向發展，培養復合型設計人才。

參考文獻：

[1]王清勤，鄧月超，李國柱，等.我國健康建筑發展的現狀與展望[J].科學通報，2020（4）.

[2]楊青，鐘書華.中國虛擬現實技術發展研究：回顧與展望[J].科學管理研究，2020（5）.

責編：勉耘