基于个人沉浸式虚拟环境的模拟建造再评估——以浙江宁波保国寺为例

许迪琼，孙澄宇

（同济大学 建筑与城市规划学院，上海 200092）

1 研究背景

随着世界范围内“慕课（MOOC）”等在线教育资源在各个专业领域的蓬勃发展，传统的建筑教育也迎来了“在线”时代。如何应用虚拟技术，构建起在线的虚拟实验课件，弥补那些在传统建筑实验教学中难以开展的教学过程，来提高教学成效？这是目前上述在线资源建设者们面临的重要问题之一。“在线虚拟实验”由国外学者于20世纪末提出[1]，并在MIT等顶尖高校初具发展[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，是建筑教育中对传统实验教学的重要补充，亦为部分传统实验走向“在线”提供了途径。

自2015年起，同济大学建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心围绕“三横六纵”的在线虚拟实验建设计划，已有多个在线虚拟实验模块上线运行。继2016年对《虚拟建筑认知与建造模拟实验系列（中国古建筑I）》即保国寺模拟建造PC版展开的教学成效评估实验后，本研究将对原有技术应用方案存在的问题予以优化，基于个人沉浸式虚拟环境的模拟建造进行再评估。

2 相关工作

2.1 古建筑模拟建造实验的建设

虚拟现实技术在古建筑模拟建造中的应用最初可追溯到1995年在英国巴斯举行的虚拟遗产会议（Virtual Heritage’95）[3]清华大学周宁等选择圆明园为对象开发了虚拟重建系统，为使用者提供了自由漫游、受限漫游、导游漫游三种漫游方式[4]；东南大学杜嵘强调虚拟遗产的概念，他开发了南京明城墙视觉化信息系统，让使用者不到南京亦可领略经历600多年风霜的城墙原貌[3]，这类建设更多地关注对建筑复原结构的保存和展示方式的探索。

为在教学过程中增强初学者对古建筑建造过程学习的互动性，严钧以斗栱作为教学对象，运用虚拟现实技术编制多媒体课件《中国古代木构建筑特征与演变：大木作——斗拱》供教师上课的演示和讲解外、还创建了“虚拟实验”，让学生进行互动搭建，弥补了传统教学方法中仅依靠二维图像就要让学生掌握晦涩的构件名称和层叠的结构关系的不足[5]，使教学效果得到很大提高。

2.2 第一轮成效评估

由同济大学汤众老师设计，并用于李桢教授《中国营造法》课程中的保国寺模拟建造PC版课件包括：构件认知、建造过程认知两大功能，并且预留了构件监测观察接口以进一步深入开发完善。该虚拟仿真课件是为让学生通过自主学习快速掌握中国古建筑的特点，学习中国古代木构建筑各个主要构件的名称、位置和形象，了解其建造过程。

国外学者早有研究表明，教学中的互动环节可以提高学习成效，为验证擅长互动的虚拟技术应用于教学有积极作用，实验抽取150名建筑类专业本科生进行分组实验，通过五种的不同的教学经历让其进行对保国寺构件名称和建造过程两部分内容的学习，最终以考核及问卷调查的方式对比不同方法的学习成效。

根据以上实验结果表明基于现有技术“有限”应用方案建成的在线虚拟实验，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成效，而在过程认知类学习中，暂时没有看到明显的效果[6]。

3 优化策略

在对已建成保国寺模拟建造PC版课件进行的教学成效评估中，作为“有限”应用策略中“实验内容设计优化——教学成效评估反馈”迭代式建设的第一轮评估，这里发现既有技术应用方案存在的问题——该课件对虚拟建造过程的互动认知学习存在“时序控制类型”上的设计缺陷。由于目前课件的时序控制采取了“定序延缓”的形式（见表1），即学生虽然可以通过互动操作变换画面的视角（从不同方向观看建造过程），但就建造序列的互动参与程度而言，学生只能够在触发“下一步”与“上一步”之间做出选择（构件间的匹配关系与装配先后为固有设定），并没有充分发挥虚拟技术中互动技术的潜力——如让学生三维操作一个自选构件至另一个构件以完成虚拟装配，即通过互动操作加深学生对构件间的匹配关系与装配先后的认知。所以，第一轮评估结果会显示出该模块对“过程认知类知识”的学习成效平平。

表1 "基因图谱"中的虚拟技术应用方案

在后续建设中，我们根据虚拟技术的“基因图谱”尝试了更高级别的时序互动控制技术（见表1），开发出基于HTCvive虚拟现实环境下的保国寺模拟建造PC版。该环境下将保国寺模拟建造PC版课件中保国寺的四百多个构件进行适当组合，分为基座、柱网层、额串枋及内柱铺作、斗栱、转角及柱头铺作、补间铺作、屋顶草架共7个场景，保证学生可在短时间内逻辑清晰地记忆保国寺的建造过程（见图1）。其中第四个场景为以中国古建结构体系中最难描述的核心知识：斗栱进行的单独装配过程余为自下而上的整体装配。

在操作过程中还可调整人体比例尺度、控制环境有无、改变行动方式：步行/瞬移/飞行，选择操作方式：握模式/代理模式。其中握模式为手柄获取构件后跟随手腕转动的操作方式；代理模式为可通过X、Y、Z轴远程旋转或移动构件的操作模式。多种控制方式的设定为后续实验提供了多选项性，有利于对保国寺模拟建造VR版进行纵向评估分析（见图2-图4）。

图1 保国寺模拟建造VR版7个场景

图2 代理模式下的构件装配

图3 1∶1比例下的空间画面

图4 斗栱装配

4 教学成效再评估

为推动虚拟技术“有限”应用策略下的内容进化，并检验其效果，本次再评估实验将通过横向比较分析法和纵向比较分析法，针对基于个人沉浸式虚拟环境的模拟建造实验对于古建筑构件认知类知识和建造过程认知类知识的教学成效进行定量分析。

4.1 学生群体的基本特征

参与本虚拟模拟建造实验的150位建筑类专业的本科低年级学生，他们均接受过中国传统木构建筑的基础知识教学，但对宁波保国寺建筑并无了解。其中，30人需参与保国寺模拟建造VR版的全过程搭建，剩余120人参与2-3个场景的建造任务。实验练习过程均在同济大学建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心的两套HTC设备上完成，由于周期较长，目前实验仍在开展过程中，因此后文中所用部分数据为不完全统计。

4.2 横向比较分析

在第一轮针对PC平台上的虚拟认知与建造教学效果评估中发现，该平台对建筑对象认知类学习能够起到明显的积极作用，而对过程认知类学习则效果不明显。本轮再评估实验将针对改进后的保国寺模拟建造VR版与第一轮的成效评估进行横向比较。

第一论评估实验是让五组同学在1 h内通过五种不同的教学方式进行保国寺的构件认知和建造过程的学习（共150人，每组30人），包括通过课堂教师传授，教师利用传统的平、立、剖二维图纸向同学解释保国寺的构件名称和建造过程（第一组）；通过纸质的书本材料自学保国寺的两部分内容，没有老师指导（第二组）；利用课后时间在没有纸质材料和老师讲解的情况下用在线虚拟实验软件自学（第三组）；在课堂接受教师使用在线虚拟实验软件进行展示传授，但课后无自学时间；第五组采用混合式的实验方式（第四组）：老师简单诠释关于保国寺的规律性知识15 min，剩余45 min都由学生操作在线虚拟实验软件自学完成（第五组）。在经历与第一轮评估实验中五组同学相同学习时间的前提下，增添30名第六组同学利用课后时间在没有纸质材料和老师讲解的情况下用HTC模拟建造实验平台进行自学（见图5）。在学习后同样花10 min时间来完成一份与之前五组相同的纸质考卷学习后的考核，考卷内容分对象认知类知识考核（记忆建筑构件的形式与名称22题）与过程认知类知识考核（记忆建筑建造的过程8题）两部分，共30题（见图6）。

根据6种经历不同教学过程的小组实验的数据横向比较分析发现（见图7），在基于HTC模拟建造实验平台下进行学习的第六小组学习成效不论对于对象认知类知识还是过程认知类知识的平均正确率都明显高于其他组，弥补了原有教学技术应用方案中对建造过程类认知的欠缺。由此说明了对原有技术应用方案所提出的质疑和实验内容设计优化是非常有必要的，现有的技术“有限”应用方案v2.0,相较传统教学方式及其各种衍生形式以及技术“有限”应用方案v1.0，在建筑类专业的对象认知类学习和建造过程认知类学习中都能够明显提高教学成效。

图5 HTC保国寺虚拟建造

图6 纸质考核

图7 6组过程认知类答题平均正确率比对

4.3 纵向比较分析

在明确现有的技术应用方案相较原有技术应用方案有更为积极的教学成效后，为探索同一教学技术应用方案之下，不同的操作控制方式所能带来的不同教学效果，本实验又针对保国寺模拟建造VR版中现有的各控制方式选择对教学成效的影响进行纵向对比分析，为后续教案的设计者在内容建设方面提供参考。

实验过程及时间分配为5 min熟悉环境,20 min练习以及15 min考核 （共40 min），练习和考核都在HTC环境下完成，内容均为保国寺的构件装配。由于设备数量有限，搭建全过程的时间过长，先将搭建内容均分为搭建数量平均的三部分，第一部分为基座、柱网层、额串枋及内柱铺作3个场景；第二部分为斗栱、转角及柱头铺作2个场景；第三部分补间铺作、屋顶草架2个场景，确保每位同学在规定时间内完成其中一个部分内容的搭建练习和考核，（总共120人，每部分40人）。在三部分搭建内容下，又将各拆分成A、B、C、D四组（每组10人），使其操作环境的控制方式各不相同。组A的控制项为比例选择1∶1，有环境；组B的控制项为比例选择1∶1，无环境；组C的控制项为比例任意，有环境；组D的控制项为比例任意，无环境。另外移动方式（步行/瞬移/飞行）以及操作方式（握模式/代理模式）在操作过程中都可任意选择。

最终从操作速度、完成率和平均正确率三方面评判各控制项选择对教学成效的相关性影响（见表2）。代理模式、比例过大或过小对速度、完成率和正确率均呈现明显负相关，移动方式中的飞行模式以及环境的有无对速度和平均正确率稍有负面影响，而比例1：10对于建造过程正确率的提高显示出明显的积极效果。从学生练习和考核的过程操作中归纳出产生这些数据结果的原因：

第一，在比例调节上，只能使用1∶1真实比例或1∶5比例的同学，构件体量过大，导致在搭建过程中因调节构件位置而耗费的时间过长；在任意比例下选择1∶20比例的同学摆放虽然相对方便快速，但由于构件过于小而无法辨认，导致效果不佳；只有比例1∶10的同学，建筑尺度相较人体尺度稍小，既便于摆放，又可处于俯视，对建筑全貌的记忆有明显优势。

第二，在操作模式的选择上，构件尺度较大或构件位置较高的同学会更倾向于使用代理模式，而非握模式。但代理模式通过控制旋转轴和移动轴的方式又往往没有通过直接转动手腕来控制构件方向的握模式来的便捷快速，因而导致学生操作速度和完成率的下降，进而使其在规定时间内难以完成任务，正确率就随之降低。

第三，在移动方式上，构件尺度较大或搭建高空构件的部分同学同样倾向于使用飞行模式来提高自己的站位。但飞行时间过长容易使人产生晕眩，从而导致身体上的不舒适和情绪上的不愉悦。适当的飞行则并不会给结果带来明显的消极影响。

第四，在环境的有无上。由于构件绝大多数是根据方位来命名，有建筑周边环境的参考会相对使学生更好的判断方位。

由上数据可总结出，在同一技术应用方案之下，操作控制方式的不同会对教学成效产生不同的影响。设计者应更多的关注内容建设，不断进行“实验内容设计优化——教学成效评估反馈”的迭代，从而才能使与教学需求相匹配的技术应用方案发挥出更大的功效。

表2 各控制项对速度、完成率、平均正确率的相关性分析

5 结论

随着“在线”时代的来临，同济大学建筑类专业的在线虚拟实验课件建设正在紧锣密鼓地开展。建设团队针对高校教育的实际需要，提出了在虚拟技术应用上的“有限”策略，旨在立足大规模教学的实际情况，将有限的资源投入到“内容建设”中。同时，为了检验建设的效果，推动“实验内容设计优化——教学成效评估反馈”的迭代，针对原有教学技术应用方案对建造过程类知识的教学成效无积极影响，在优化后进行了教学成效再评估。

评估的结果为以下：

第一，基于HTC虚拟设备的模拟建造环境相较于传统教学方式及其各种衍生形式和基于PC平台的模拟建造环境，在建筑类专业的对象认知类学习和过程认知类学习中均能够明显提高教学成效；

第二，设计者在内容建设方面，应根据不同的课程应用需求和特质，来选择与之对应的教学应用技术方案。

第三，同一教学技术应用方案之下，不同的操作控制方式也会带来不同的教学效果，需设计者不断推敲优化。