交互体验式建筑构造虚拟实验教学软件的创新研究

◆姚 珏 张林文君

(浙江理工大学艺术与设计学院)

交互体验式建筑构造虚拟实验教学软件的创新研究

◆姚 珏 张林文君

(浙江理工大学艺术与设计学院)

随着多媒体技术的发展，虚拟实验教学已成为加强艺术类实践教学、提高教学质量的重要手段。本文通过介绍2011年第十届浙江省大学生多媒体作品设计竞赛的参赛作品“虚拟建构实验”教学软件的研发与制作过程，尝试探索虚拟实验教学与高等艺术教育、艺术实践教学结合的全新模式。

虚拟实验 艺术实践 建筑 构造

随着计算机辅助教学CAI在艺术类高校教学中的深入实践，运用多媒体制作课件在艺术教学或实验中亦越来越广泛。以往传统艺术教学课件的形式大致有:黑板粉笔板书、透明幻灯片投影、教学挂图等。近年来，多媒体制作技术的极大发展促进了艺术教学课件走向可视化、网络化、互动化，彻底颠覆了传统意义上的教学内容、教学形式和教学效果。

1 高等艺术实践教学中虚拟实验平台的创新

虚拟实验以现代教育理论为基础，运用计算机仿真技术、虚拟现实多媒体技术来模拟真实的实验环境与过程，以达到实验目的的教学平台，这是一种新型的网络化计算机实践教学模式。虚拟实验平台的教学环境能提供学生自由配置、连接、调节和使用实验仪器没备来进行实验，它具有网络教学建没速度快、更新率高的优势，并有使用方便、成本低、易于拓展等特点。现阶段，虚拟实验教学推广有限，大都集中运用在在理工类学科领域，如数字电路实验、机械传动类实验、物理化工实验等。

我国2000余所高等院校有70%设置艺术设计专业，在校生达150万，每年约15万人毕业，中国的艺术设计教育规模占全球第一。但艺术设计还是新兴学科，存在院校之间学科体系雷同、课件保守陈旧、实践教学模式、内容雷同，课程整合联动性差、教学资源管理粗放等问题。以虚拟实验教学软件的研发与使用为切入点，探索高等艺术教育实践教学模式的改革和创新，并利用计算机、多媒体及网络技术来实现艺术教学虚拟实验情景，不仅可以有效地改善艺术类高校实验教学资源严重短缺和分布不均的现状，而且可以激发学生学习的动机、增强学习兴趣。针对虚拟实验软件研发多学科交叉的特点，结合艺术设计的图形表达、用户界面设计和人机交互技术，研究虚拟实验软件的对象建模和表现技术，开发艺术设计虚拟实验教学资源信息的安装平台，建立开放式、网络化的艺术虚拟实验教学平台，支持多用户多虚拟实验环境的交叉反馈与协同。从根本上解决网络远程教育中艺术实验教学无法实施的关键问题。

2 “虚拟建筑构造实验”教学软件的设计思路

2.1 软件介绍及制作目的

以环境艺术设计专业课程《建筑构造》为主题研发“虚拟建筑构造实验”教学软件为例，展开虚拟实验系统在艺术学实践教学改革的构成与实现。“虚拟建构实验”教学软件是2011年第十届浙江省大学生多媒体作品设计竞赛的参赛作品，并获得了优异成绩。

建筑构造是环境艺术专业学生接触的第一门专业课程，是专业学习的入门课。针对建筑构造课传统理论教学手法单一、知识枯燥、抽象的三维空间难以理解、理论与实际脱节等教学弊端，尤其重点解决学生对真实的建筑物结构施工过程了解的不足和传统实践教学中学生对施工现场认知的匮乏，通过“虚拟建构实验”教学软件可以使学生们足不出户即可身临其境地感知各种建筑物的实际施工过程与其结构关系。并且学生必须能灵活运用所学知识进行虚拟搭建实验，在虚拟实验环境中进行自由构思和设计，这种全新的实践教学模式将激发学生学习的兴趣，提高学生的动手能力和创新能力。

虚拟建筑构造实验教学软件采用了Flash、SketchUp、3D max、Photoshop等软件技术进行研发制作，使用了大量的动画影片和交互元素，发挥了虚拟实验任务的可操作性和可控制性。软件研发的核心技术应用了Action Script程序语言技术和3D max三维建模技术，提高虚拟实验的逼真度，形成多维交互的教学平台。

2.2 软件研发的重点和亮点

(1)基于三维图形的虚拟实验对象建模与表现技术

①通过虚拟平台实现文字教学、视频认知、全景漫游、实验搭建等强大的功能集成化。

②智能一键导航的创作灵感来自汽车导航仪，方便快捷的操作减少了很多选择菜单的麻烦。软件中强大的智能导航键能根据场景的不同转换功能，能够在任何界面下满足各类需求。用户可以使用键盘方向键切换教学内容、转换虚拟漫游视角、切换分类界面等。相比PowerPoint课件，虽然也能使用方向键进行页面切换，但是没有其他功能性。本课件中一直使用右方向键可以按照预定教学顺序浏览界面。现有的虚拟实验教学软件中，应用导航键设计的案例几乎处于空白。

③全景平台背景。全景模式能够较好的满足视觉需求。平台背景与全景体验教学使用的是同一种技术，动态的背景比普通的单一背景更显生动。

④智能助手模式。小助手实时出现在虚拟实验场景中提供学生实验所需的提示，软件使用感觉交互性强、亲近感良好。现有的虚拟实验中应用助手的案例也极少。

⑤优美视觉感受。软件所有控件都进行了美化，符合现代审美需求。外观风格紧紧围绕建筑设计中主流的现代风格，在给人以大气感受的同时还能激发创新灵感。

⑥典雅背景音乐。背景音乐采用了门德尔松的小提琴协奏曲，在不同功能场景下自动切换乐章。典雅的音乐体现建筑的内涵与精神，令人回味无穷。

(2)虚拟环境的漫游教学和人机交互技术

①虚拟漫游教学模式是通过学生能自由切换视角及点击知识点学习来实现的。学生能在全景漫游中真实感知虚拟场景中的建筑结构、构造细部等知识，是虚拟实验的主流模式。学生可以根据需要随意选择视角来观察虚拟环境并点击场景中的预备知识点。只需点击就能直接链接相关知识，有效地解决了学生集体外出考察时间、天气、地点等限制的弊端。虚拟漫游教学模式的技术是重点和难点，必须解决用户能够舒适的漫游体验虚拟场景这个关键问题。所以，利用360o全景技术取景摄制场景照片，容易出现照片高度不齐或透视角度变形等情况，必须反复拍摄并后期处理。另一难点是如何让用户掌控视角?只有在反复研究尝试之后才实现了合理的视角和即时互动的设计，最后结合导航键功能使即时互动变得操作简便。

②虚拟搭建实验是该虚拟实验软件的核心。用户可以在虚拟实验的功能平台上自由搭建或按照实验规定操作。该模块的开发应用了较多的软件技术，从3DMAX建模到Photoshop照片修整，以及FLASH中Action Script语言的应用，每一项都包含着巨大的技术知识量。在3DMAX建模中，必须根据开发的背景贴好材质，并且要保证建模渲染图的视角在正交模式下一致。Photoshop对渲染图做细节修整，确保所有组件的三维效果基本一致。FLASH中Action Script代码编写技术实现构件的正常拖拽和复制，用户可以根据需要建立新构件，并且在Action Script技术支持下，建筑构造虚拟实验软件的组件面板、辅助网格、坐标提示等经过长期设计制作而成，饱含了人机工程学的原理。

(3)3D影片制作

3D影片的制作主要依托Autodesk 3D MAX 2011。制作影片的难点在于如何简化模块让用户看得更加简洁明了，在制作每一段影片之前都需查阅大量书籍仔细构思，精简内容。在3D MAX中建三维模块并且赋予材质，然后根据需要设定好时间轴，以出现动画搭建效果。在渲染之前还需要对速度进行调整，确保用户观看的舒适性并满足教学需要。在渲染生成AVI影片后，需要使用Win MPG、Video Convert等软件进行格式转化，然后在FLASH中使用播放组件链接影片播放。

2.3 虚拟实验模块分类

“虚拟建筑构造实验”教学平台基于由浅至深的梯度化教学，包括基础知识概念、全景漫游认知、虚拟建构实验、创新搭建平台四大模块。

①基础知识概念。根据建筑构造教学大纲以及知识链逻辑关系，分为八部分内容:建筑基本构造、地基基础。墙体砌筑、楼板地面等，其中每一级知识链都有下一层的细分内容，层次分明，节点完整。

②全景漫游认知。以虚拟全景认知代替传统的现场课，在真实场景的选择上坚持原创、持续更新和贴近生活的准则，拍摄建筑物各阶段各部分的全景照片，帮助学生在虚拟实验漫游环境中进一步认知。

③虚拟实验实验。实验搭建平台是该软件的主体部分，是学生自主完成题库中实验题的过程。学生首先根据题目要求进行实验分析，然后从界面右侧的构件栏中选择构件进行搭建实验，完成后点击［检查］按钮，平台最后会根据学生的虚拟搭建过程与结果给出评价和提示。

④创新搭建平台。创新搭建平台是将是该虚拟实验平台的无限拓展，是艺术设计实践教学自由创新的要求。该平台提供正交视角，用户可以自主选取构件进行搭建。构件无需像3D MAX或Sketch Up软件般输入数据。用户只需将预制的构件从面板中拖出即可使用。

3 软件制作核心技术的研究与开发

①界面设计与组件制作

良好的操作界面能给用户更深刻和舒适的体验，虚拟建构实验的操作界面主要分为三大块:搭建界面、构件面板、导航按钮。搭建用户界面设计选用Photoshop和Coreldraw软件技术，用户能根据二维的图形体验到三维的虚拟效果。构建面板中主要内容为各建筑构造的构件和材料放置区。构件使用3DS MAX进行制作然后导成平面图形后插入FLASH中的构件板中。构件面板色调采用深浅相间的形式，能使构建更清晰展示和用户的更便捷选取。材料放置区主要为用户提供一个临时放置构件或放置废弃构建的场所，该区域中用户可随心所欲的将构件拖入或拖出拼搭界面。不同大小的构件可通过基本构件多次拼接实现，视觉感官体验感强，用户点击场景中构件即可使其置顶。构建面板是建筑构造的构件和材料放置区。导航栏主要与建筑构造虚拟实验教学平台主模块相衔接，功能与使用方法都与主模块中相同。导航栏主要起到返回主模块的作用，用户在任意一题情况下，点击“返回”即可进入主模块中。

②AS代码编写

虚拟建构实验教学软件主要使用AS代码编写，虚拟搭建场景需编写复制命令，如下:

编写构件代码可复制命令，主要利用新建影片剪辑的技术，当点击构件后，可激活在拼搭场景内的复制命令，复制新影片剪辑:

辅助功能是提示板和小助手。提示板功能是显示实验题和实验结果的评价，该功能通过制作影片剪辑构件实现。小助手实时提示使用方法，拖动小助手可使其移动位置。

4 结语

随着多媒体网络技术的发展，虚拟实验教学已成为加强艺术类实践教学、提高教学质量的重要手段，它在一定程度上代替传统的实验教学，克服传统实验的各种制约和弊端，有效地解决目前艺术教育实验教学中存在的诸多问题，达到教育资源的优化、教学质量的提高。通过艺术设计及技术研发，制作了建筑构造虚拟实验教学软件，并以基于真实场景的虚拟全景漫游为载体，进行了网络虚拟建构实验平台的架构，推动了我校艺术设计各专业实验教学网络化、信息化的进程。但该软件建设还处于探索和实践阶段，引用拓展方面仍有局限性，交互体验式建筑构造虚拟实验教学软件是艺术设计实践教学改革的一次全新探索。

中国纺织工业协会教育教学改革重点项目:创新性艺术设计实践教学模式的改革与实践(编号FZJG1115)。