在线虚拟实验在建筑教育中的技术应用方案讨论与效果评估

孙澄宇, 许迪琼, 汤 众

(同济大学 建筑与城市规划学院, 上海 200092)

在线虚拟实验在建筑教育中的技术应用方案讨论与效果评估

孙澄宇, 许迪琼, 汤 众

(同济大学 建筑与城市规划学院, 上海 200092)

随着我国的在线虚拟实验建设工作正依托一批国家级虚拟仿真实验教学中心积极展开，如何制定虚拟现实技术的应用方案是一个十分重要的问题。介绍了同济大学建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心近1年多来的思考与探索，提出了以技术“基因图谱”来统一描述虚拟技术特征的方法,紧紧围绕自身教学环境的需要,在“轻硬件重内容”的建设思路指导下,提出了一套采用“有限”虚拟现实技术的应用方案。通过对基于该方案的3个建成实验的系统化评估,显示出了该方案积极的教学效果。

建筑教育； 在线实验； 虚拟现实； 效果评估

1 研究课题的背景

在线教学(“慕课”)在当代教育中异军突起，随着其在全球的兴起,越来越充满个性化与自主化特色。基于互联网且具有交互功能的开放式在线学习方式,颠覆性地变革了以往的“教”与“学”的方式,在激发了学习者更多兴趣的同时,使全球各地不同人群能够共享优质教育资源[1]。

其中,基于虚拟现实技术的在线虚拟实验,极大地弥补了真实世界中传统实验教学的诸多难点。它发端于国外学者在20世纪末提出的“网络虚拟实验(web-based virtual experiment)”概念[2]。它可以轻易地实现真实世界中由于距离远、操作危险、成本高昂、空间局促，或者根本不可能开展的各种实验。随着2015年虚拟现实行业的兴起,它进入了快速发展期,国外著名的在线虚拟实验室有:麻省理工学院的WebLab、卡耐基-梅隆大学的虚拟实验室、加拿大的DRDC项目、牛津大学的虚拟化学实验室、伊利诺伊大学芝加哥分校的Vicher系统、俄勒冈大学的虚拟物理实验室等[3]。

国家在建筑类专业的教育中也大力投入,依托一批国家级虚拟仿真实验教学中心,开始建设在线虚拟实验资源。随着国内学者对该趋势的持续关注,国内高校也陆续在机电、航空、国防等专业先行开展了建设[4]。传统的建筑类专业教育中,也存在着对相关的物理实验、建造实验、认知实验中一些环节进行在线虚拟化改造的需求。近年来,教育部分别在同济大学、华南理工大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、中央美术学院、北京建筑大学等高校的建筑类专业,开始建设国家级虚拟仿真实验教学中心,开展相关建设,逐步起到辐射全国的效果。

显然,各单位投入大量人力物力开展在线虚拟实验资源建设，一开始,就必须先选择一套适宜的虚拟现实技术应用方案。由于知识背景的不同,建筑类专业的建设团队,在面对琳琅满目的技术选项时,如何在有限的成本下,建设出符合教学内容与教学条件的在线资源,就成为了一个亟须探索的问题,而这也直接决定了国家投入的最终有效性。本文将介绍同济大学团队近一年来,在面向建筑类专业的在线虚拟实验建设,制定虚拟现实技术应用方案过程中的各种思考与探索,及其相应的成效评估结果。

2 制定技术应用方案的思考与探索

2.1 技术多样性及其选择依据

目前,随着各种硬件设备的商业化、小型化、微型化,大量的虚拟现实技术都走入了高校的视野,他们的实施价格可以相差近10万倍,涉及的功能从视听表现到互动控制,再到穿戴嵌入等,呈现出空前的丰富。所以,同济大学团队先建立了一个描述当下各种虚拟现实技术的“基因图谱”,可以系统化地描述各种应用方案的技术特征,为后续多方案的比较与相互参考提供了一个通用的平台。同时,针对这种技术多样性,提出了在实践中开展教育成效评估,才是进行各种技术应用方案选择的主要依据。

2.1.1 描述技术特征的“基因图谱”

虽然虚拟现实技术纷繁多样,但都不同程度地支撑了它的“I3”特征,即“沉浸性(Immersion)”、“互动性(Interaction)”、“构想性(Imagination)”[5]。因此,这里通过大量分析国际建筑领域已应用的虚拟技术[6],构建描述现有各类虚拟现实技术的“基因图谱”也从这3个特征入手,分别归纳了15种变量可选项,实现了对从技术特征到整个技术应用方案的系统化描述见表1。一般而言除该表中2个并列的有序任务可选项外,表中在同一行中的可选项从左到右,其实施代价与效果都呈上升趋势。

表1 描述虚拟现实技术特征的“基因图谱”

2.1.2 教学应用的制约与对成效评估的需求

在面对上述如此丰富的技术选择时,非虚拟现实行业的高校建设团队一般会尽可能地追求技术的“高精尖”,即把有限建设资源的大部分投入到能够负担的最新的技术与装备上[2]。然而,在实际教学中,不得不受制于同时使用虚拟现实设备的学生数量、设备占用空间的大小、配套设施数量等因素。所以往往需要那种能够结合学生的个人PC机,或者现有学生机房,就可以正常使用——采用“有限”虚拟现实技术的应用方案。

于是,在方案的制定过程中,就必须要在众多由不同“有限”技术所组成的应用方案间比较它们的教学成效,最终在资源投入与成效产出间取得平衡。因此,针对特定教学内容与条件的在线虚拟实验教学成效评估,成为技术选择的主要依据。

对于先行的建设者只能通过预实验、反复试用优化等环节来完成成效评估，而对于随后的建设者,完全可以基于“基因图谱”找到与建设对象相似的已有案例,通过参考它们的成效评估结论,对拟采用的技术应用方案做出判断。因此,“基因图谱”与“成效评估(借鉴)”是在线虚拟实验技术应用方案制定的两大基石。

2.2 同济大学的建设探索

同济大学建筑教育体系中的国家级虚拟仿真实验教学中心成立于2015年上半年,它依托原有的优质教学资源,针对已有课程中亟待虚拟化的实验环节,提出了一个“三横六纵”的在线虚拟实验建设计划(见图1)。截至2016年春季学期,已有3个在线虚拟实验模块上线运行,有近150名本科生完成了实验教学任务。

图1 同济大学的“三横六纵”在线虚拟实验建设计划

2.2.1 在线虚拟实验模块简介

在建设计划中的“仿真建造”与“专业基础与创新实验”的交汇处,首先完成建设并投入教学使用的是“虚拟建筑认知与建造模拟实验系列(中国古建筑I)”(见图2)。它由汤众老师设计、李桢教授用于在“中国营造法”课程中,由学生对宁波保国寺分别进行构件认知与虚拟建造实验。期间,这座逾千年的古刹,每一个建筑构件,每一条历史信息,都在瞬间展示在学生眼前,通过互动,学生可以来到每一个神秘的构造节点面前,将其拆解组装,实现对于传统木构的深入学习——这是传统建造实验甚至现场测绘都无法达到的。

图2 大殿木构构件认知

在建设计划中的“虚拟体验”与“专业基础与创新实验”的交汇处,首先完成建设并投入教学使用的是“虚拟建筑环境性能仿真实验系列(声)”(见图3)。它由叶海、莫方朔老师设计,用于在“建筑物理(声学)”课程中,由学生虚拟完成不同厅堂影响因素组合下混响时间的测定与体验实验。期间,学生需要虚拟完成测试设备的连接、测试的布点、调节不同厅堂装饰材料等混响影响因素,最终测得并体验混响时间的计算结果——这在现实实验中,有碍于测试场地、设备、材料更替等因素,都是无法达到的。

图3 厅堂混响时间测试的虚拟布点

在建设计划中的“性能分析”与“专业基础与创新实验”的交汇处,首先完成建设并投入教学使用的是“虚拟住区性能模拟实验系列(交通I)”(见图4)。它由汤宇卿老师设计,用于在“城市道路与交通”课程中,由学生根据居住区道路计算理论,实验获得在给定条件(总户数、时段等)下最佳的出行参数,包括:出行类型结构配比、道路宽度等——这在现实中,根本不可能存在可供学生调控的居住区来开展实验。

图4 出行参数变化下的路面情况模拟

2.2.2 技术应用方案的选择

根据虚拟现实技术的“基因图谱”,将上述3个在线虚拟实验的技术应用方案一并描述(见表2)。由于建设团队考虑到这些实验是要让所有的学生都能够随时随地使用,所以确立了“轻硬件重内容”的技术应用方案制定思路,即把有限的人力物力更多地投入到对于虚拟实验对象的刻画与操作环节的设计上,而默认学生将在机房或者自己的计算机上进行实验,所以除了常用的屏幕、鼠标、键盘外,并不依赖其他专门的硬件设备。由于在稳定的教学大纲指导下一个成熟的实验内容变化会很小,而硬件却不断变得更快更便宜,所以随着时间的推移,便更加关注“内容”的建设成果的可持续发展。

表2 已建成在线虚拟实验的技术应用方案

表2中*号表示在3个实验中均采用；1、2、3分别表示在第一个实验、第二个实验和第三个实验中采用。

3 教学成效的评估

从上述“轻硬件重内容”的建设思路来看,先行的同济大学建设团队采取了一条较传统实验室建设明显不同的发展道路。它在实际建筑教育中是否真正具有成效,没有其他案例可以参考,必须通过系统化的成效评估进行检验。因此,参考了国内外学者对特定教法进行效果评估的基本方法[7-8],这里首先对学习的主体进行了群体特征分析,然后分别进行了多个指标的定量与定性评估。

3.1 学生群体的基本特征

建筑类专业150名本科生参加了问卷调研。他们平均年龄20岁,其中男生66名、女生84名,61.9%的男生与17.2%的女生平时经常玩PC机三维游戏,47.8%的男生与75.9%的女生在实验过程中都曾主动与他人讨论。同时,通过他们进行实验的时空分布的调查结果(见图5和图6)，可以发现,他们确实利用了1周中的各个时段以及各种学习场所,其中以周末的宿舍为最多。

图5 学生进行在线虚拟实验的时间分布

图6 学生进行在线虚拟实验的空间分布

3.2 定量评估

为了对在线虚拟实验的教学效果有一个客观的评估,这里首先采取了针对所获取知识的客观定量评价方法,即在相等的学习时间内,比较学生在分别经历5种不同的教学方法后所取得的知识量——即答题正确率,从而对比得到不同方法的学习效率[9]。

具体来讲,实验对象选择了本科一、二年级中具备一定的中国木构建筑知识基础,但又从未学习过宁波保国寺建筑的学生来进行分组实验(总共5组,每组30人)。实验分3个步骤:

第一个步骤：在1小时内,5组学生每组经历一种不同的教学过程(见表3)。第一组是通过课堂教师传授,教师利用传统的平、立、剖二维图纸向学生解释保国寺的构件名称和建造过程；第二组学生通过纸质的书本材料自学保国寺的2个部分内容,没有教师指导；

第三组学生是利用课后时间在没有纸质材料和教师讲解的情况下用虚拟仿真软件自学；第四组学在课堂接受教师使用虚拟软件进行传授,但课后无自学时间；第五组采用混合式的实验方式:教师简单诠释关于保国寺的规律性知识15 min,剩余45 min都由学生操作虚拟软件自学完成。

第二个步骤：学习后的考核。所有学生在60 min学习后,有10 min时间来完成一份相同的纸质考卷。考卷内容分对象认知类知识考核(记忆建筑构件22题)与过程认知类知识考核(记忆建筑建造过程8题)2个部分,共30题。

第三个步骤实验反馈。学生需在学习与考核完成后填写一份调查问卷。第一步的学习过程中,第一、二组使用的传统纸质书本材料(见图7左侧),第三至五组使用的学习材料(见图7右侧)，实验现场见图8。

表3 5个比对组的教学方式特征

图7 学生学习所使用的二维抽象图纸(左)或三维虚拟模型(右)

图8 比对实验过程现场(教师讲解、学生自学、答题)

在对上述5组学生的答题得分做统计后(见图9)可以发现,包含虚拟互动特征的第三、五组教学方式在平均总得分与对象认知类试题得分明显高于其他三组,即在线虚拟实验教学方式在这种情况下相较传统及其衍生方式具有更好的教学效果,而对于过程认知类试题不具有任何优势。

同时发现,对象认知类知识与过程认知类知识在面对不同教学方式时其学习效果具有显著差异。进一步统计3种教学方式的特征(是否具有虚拟互动环节、是否具有教师的认知规律讲授、是否具有三维对象表

达)所对应的平均答题正确率(见图10)后,发现当面对对象认知类知识时,在线虚拟实验所特有的虚拟互动环节(正确率递增15.8%)与三维对象表达(正确率递增10.8%)分别为教学效果的提高起到了明显的提升作用——这完全符合互动环节可明显提高学习效果的研究结论[10]。然而,当面对过程认知类知识时,3个特征的变化对应教学效果并没有明显的变化,甚至出现微弱的负面(5.7%以内)影响。分析其原因为由于各组学习时间总量相同,虚拟互动操作与听取教师讲授认知规律的时长间存在此消彼长的关系,所以听取更多讲授也就意味着减少互动操作的时长,当互动操作明显有利于教学时,讲授时间长也就与教学效果的提高出现了负相关的假象。

总之,根据上述定量化评估数据,基于现有技术应用方案的已建成在线虚拟实验,相较于传统教学方式及其各种衍生形式,在建筑类专业的对象认知类学习中能够明显提高教学效果,而在过程认知类学习中,暂时没有看到明显的效果。

图9 5个小组答题得分比对

图10 教学方式的3个特征对两类知识的不同影响

3.3 定性评估

教学成效评估除了上述定量化的方法外,还需要使用问卷来评估学习者的主观学习体验。上述比对实验的反馈统计后发现,无论是学习的愉悦程度,还是学习的兴趣高低,5种教学方式的相互关系基本一致,即从高到底依次为:第五、三、四、一、二组(见图11)。不难发现,不同程度应用了虚拟技术的教学方式包揽了前三甲,而完全面对书本的自学,体验最差也理所应当——这与国外学者关于虚拟技术有助于提高建筑专业学习体验的研究高度一致[11-13]。

图11 5个小组教学方式的学习体验反馈

此外,统计还发现,目前已建成的在线虚拟实验模块对于学生而言,操作的难点(见图12)主要集中在根据理论课学习的知识来开展关于实验参数的设定计算——这与教师的设计初衷十分吻合,即达到了实验设计的目标。但同时,在模块安装、操作、观测等其他方面也必须看到尚有人机互动不够友好的地方,一定程度上影响了学习体验。

图12 已建成模块的实验操作难点分布

总之,从定性评价的结果来看,基于现有技术应用方案的已建成在线虚拟实验,他们与更为积极正面的学习体验相关联,而目前在实验设计方向正确的基础上,应关注更多的人机界面问题,以进一步改善学习体验。

4 结语

在近1年以来,同济大学建筑类专业的在线虚拟实验建设团队,通过较为系统的技术调研与分析,针对国内外雨后春笋般的虚拟现实技术,提出了“基因图谱”统一描述技术特征的方法,紧紧围绕自身教学环境的需要,在“轻硬件重内容”的建设思路指导下,提出了一套采用“有限”虚拟现实技术的应用方案。

在对已建成并投入运行的3个模块的评估后,发现目前的应用方案体现出积极的教学效果:第一,学生进行实验的时空分布反映出了在线虚拟实验所特有的随时随地特征,符合新时期教学的发展趋势；

第二,在线虚拟实验相较于传统教学方式及其各种衍生形式,在建筑类专业的对象认知类学习中能够明显提高教学效果；

第三,在线虚拟实验相较于传统教学方式及其各种衍生形式,与更为积极正面的学习体验相关联。

当然,作为对一种全新的教学方式的探索,效果评估也反映出了现行建设中的问题:有待今后教学实践中不断研究和解决。

References)

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Discussion on technology application program and performance evaluation of online virtual experiment applied in architectural education

Sun Chengyu, Xu Diqiong, Tang Zhong

(College of Architecture and Urban,Tongji University， Shanghai 200092, China)

With the booming development of MOOC, many web-based virtual experiments are being built by national virtual experimental teaching demonstration centers in China. How to adapt proper technologies in virtual reality applications becomes an important issue for keeping the investment worthy. This study introduces the consideration and exploration during the last year from a center of Tongji University. A concept of “Genes map” is used to describe the features of any specific technology in the virtual reality market, which can contribute to selecting a set of “bounded” technologies suitable for Tongji’s application according to its real demand and a guideline so-called “Focusing on contents rather than equipment.” Finally, three built experiments are proved positively through a systematic performance evaluation.

architectural education; online experiment; virtual reality; performance evaluation

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.003

2016-10-14

全国工程专业学位研究生教育自选研究课题(2016-ZX-171)；同济大学“一拔尖、三卓越”特色项目国家级建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心资助

孙澄宇(1978—),男,上海,博士,副教授,博士生导师,主要研究方向为建筑设计方法.

E-mail:ibund@126.com

TP391.9;G482

A

1002-4956(2017)1-0010-06