虚拟现实技术在建筑设计课程教学改革中的应用分析

张 彩

（郑州工业应用技术学院，河南 新郑 451100）

计算机数字技术与虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术为建筑设计的发展带来了新的契机，影像建筑、数字仿真、虚拟场景等技术，可以使建筑师在设计过程中更加真实地感受建筑、体验建筑[1]。设计对象的变化促进了建筑师角色的变化，建筑学的教学方向也要随之进行变革，才能更好地适应技术发展。

VR技术是一种辅助教学手段，在建筑设计教学中优势非常突出，在建筑设计课程中引入VR 技术就是为建筑设计教学注入了新的活力。不过VR技术的普及及应用还需要一个长期摸索、创新的过程，教学过程要不断总结教学经验，不断更新教学理念，研发新的教学方法，才能将VR 技术的作用充分发挥出来。

1 建筑设计教学的内容

所谓建筑设计是指在建造建筑物之前，根据业主的要求，设计师将施工过程及建筑使用过程中可能存在或可能发生的问题事先做好全面设想，提前拟定解决这些问题的方案，并用图纸把自己的设想表达出来的过程。

建筑设计教学就是指导学生如何实现、表达这些设想，并对建筑设计的过程进行优化。所以建筑设计教学的基本内容要实现空间环境的组合设计与构造设计，为学生创设直观的学习情境，增强学生的沉浸感与临场感[2]。完成建筑设计课程学习后，学生在设计作品时不仅要能够在功能、要求上创造良好的空间环境，满足业主的各种需求，同时还要赋予建筑作品更多的审美价值。因此在实际教学过程中，老师要有意识地将抽象的问题具体化、形象化，引导学生更深入地理解建筑作品的设计意图；加强与学生的沟通、交流，充分调动学生的学习积极性与主动性，提高建筑设计教学的有效性，帮助学生完成新知识的构建。

2 建筑设计教学中应用VR 技术的优势

VR 技术是一种扩展的计算机人机界面技术，它可以说是计算机图形学、多媒体技术、人机接口技术、传感器技术与人体行为学技术的集合体，从某种程度上讲，它是多媒体技术更高级的形式[3]。VR 技术包括桌面VR 系统、沉浸VR 系统、分布VR系统、增强现实系统等多种，目前建筑设计教学领域中应用最广泛的是桌面VR 系统。作为一种有效的辅助教学手段，相比其他教学技术，VR 技术在建筑设计教学中的优势主要体现在虚拟学习情境和直观教学2 个方面。

2.1 创设以学生为中心的虚拟学习情境

建筑设计课程的内容比较抽象，学生从形象上理解这些知识比较困难，应用VR 技术可以创造更真实、更形象的教学场景。

一方面，可以呈现现实生活中无法观察到的自然现象或事物变化过程，比如展现一些虚拟的、不复存在的建筑作品，使学生更直观地感受建筑之美，增强其专业认同感；通过VR 技术，老师可在三维物体与二维图形之间任意切换，学生在理解物体与视图之间的相互对应关系也更加简单。

另一方面，VR 技术可将老师无法用语言表达的、建筑设计中的抽象概念及理论直观、形象地表述出来，比如在讲解光照强度、透明度等专业术语时，传统的教学方法只能向学生呈现抽象的概念，而应用VR 技术则可以直接展示光照强度的大小、透明度的高低等，学生对于相关概念、专业术语的理解也更深入[4]。

2.2 直观教学可增强学生对设计过程的认知

无论哪种教学方法都是服务于教学目标与教学任务，VR 技术同样如此，其主要目的就是通过直观教学丰富学生的感官，增强学生对建筑设计过程的认知。

直观教学法包括实物直观教学、语言直观教学、模象直观教学等多种。所谓实物直观教学顾名思义就是观察实物，通过实物验证理论知识。不过建筑设计课程中实物直观教学的局限性较大，实施起来成本较高。

语言直观教学就是通过老师的语言描述向学生传达相关知识，不过这种教学方法对老师的语言表达能力及学生的理解能力都有较大的考验。

模象直观教学则是模拟实物形象直接向学生展示。传统的教学挂图、幻灯片、模型等均属于模象直观教学的范畴，而VR 技术的应用更是扩大了模象直观教学的范围，创新了模象直观教学的方法。比如应用Sketch UP 软件可以使学生获得更加直接的感性认知，激发学生的学习积极性；完成建筑设计作品后，可以通过VR 技术让学生亲临现场，观察建筑设计作品的缺陷，并反馈到设计过程进行完善；再比如，建筑设计中对建筑物功能的划分、建筑材料的认识、建筑光影效果的体现等知识，均可以通过VR 技术呈现出来，从而优化教学效果[5]。

3 建筑设计教学改革中VR 技术的应用

在实际的建筑设计教学中，VR 技术的应用主要包括以下4 个方面。

3.1 展示立体物体

建筑设计课程中涉及到大量的抽象概念，传统教学中为了使学生更形象地感受三维物体的信息，多采用图片投影仪、实物展示、利用计算机建立三维模型等，但是如上文所述，传统的模象直观教学方法都存在一定的局限性。

应用VR 技术则可以构建一个与实物十分接近的三维物体，打破了时间、空间及成本的限制[6]。比如在学习高层建筑结构设计的相关内容时，高层建筑的结构会对建筑作品的整体造型产生直接影响。此时就可以先利用3Ds MAX 建模，再通过VRML 语言构建一个虚拟的境界。学生可以根据自己所学的结构力学知识，对建筑结构做出合理调整，通过调整梁、柱、墙的数量、比例、排列方式、截面形式等进一步强化结构力学知识，比如可以把柱子陈列成柱廊，而柱廊的长度、高度、间距等参数不同，柱廊的结构也会发生根本性变化；也可以把柱子和墙当成结构中的线与面，组成一定的肌理，框架结构并不是只有小规模见方的柱网，而是有着相当大的宽容度。学生在处理每个柱与柱、柱与梁、墙与柱关系的过程，就是强化其结构设计能力的过程，而且这种教学方法趣味性更强，更能激发学生的学习主动性。

3.2 构造虚拟场景

传统教学中多通过老师的语言描述、图片展示、录像播放等形式创设学习情境，学生多数只能被动地接受，并没有真实的参与感；且很多情境都是通过老师的语言描述再传达到学生那里，可能已经相去甚远。比如很多老师都会向学生介绍中国园林与建筑艺术的巅峰圆明园，即使老师说“圆明园几乎集合了所有中国建筑形式和包括巴洛克式的西洋建筑形式”，但是学生仍然无法真正了解“所有的中国建筑形式”都有哪些，或者“巴洛克式的西洋建筑放在圆明园中是什么样子”。但是VR 技术却可以在不同的时间、不同的地点呈现出虚拟却又真实的场景。学生在虚拟的圆明园中可以看到亭、台、楼、榭等各种中国建筑形式，再与教材中的相关内容对比分析，可以对中国建筑形式有更立体的了解。如果条件允许，还可以采用沉浸式VR 技术，学生戴上头盔显示器可以真的置身于各种风格的建筑中，桥、墙、塔等等，感受圆明园采用的多种手段的布局构思，了解什么叫做对比，什么叫做陪衬，什么是相对空间，什么又是深度排列，这些场景可以使学生更好地感受什么叫做“效法自然”的设计原则，这种教学效果是传统教学方法无法比拟的[7]。

3.3 开展教学实训

建筑设计教学中，很多实验受硬件资源条件的限制无法正常操作，因此很难达到实验教学目标。而应用VR 技术可以很好地缓解这一问题。可以在计算机上构建一个虚拟的实验室实训系统，用VR技术替代昂贵的教学器材，学生在虚拟的实验室中进行逼真的仪器操作，并及时接收系统反馈的实验结果。通过虚拟实训，学生可以进一步了解自己的操作是否规范，存在什么问题，便于及时做出改进。基于VR 技术，在建筑设计课程网络平台，如光辉城市、Uncity 等，还可以为学生提供作业展示、分享、交流的机会。平台的主干结构由网站+电脑客户端+移动客户端组成，三者数据互通、关联互动。并且VR 技术不会产生实验器材损耗，也不受环境条件的限制，能够重复性操作，虽然购买VR 设备需要投入大量资金，但是一次性投入可长期获益；并且操作安全，避免学生实际操作时由于操作失误而发生事故的问题，既保证了学生的安全，又提高了教学效果[8]。

3.4 VR 技术应用的局限性

作为一种新技术，VR 技术在建筑设计课程教学中的应用还存在一些局限性。

一是VR 技术应用存在技术方面的局限性。目前VR 技术还不够普及，终端设备的性价比还差强人意，硬件性能还需提升，比如传感器的性能、数据传输速率等，只有提高数据处理与显示的效率，才能持续改进用户的视觉、听觉、触觉、嗅觉、力觉等感官体验。

二是VR 技术应用存在教学内容方面的局限性。要真正应用VR 技术实现对现实技术的模拟，需要一个庞大的资源数据库做支撑，目前VR 技术毕竟还刚起步，数据库资源还十分有限，针对现有的教学内容进行重新建模耗时长、投入大，并且从基础平台到应用软件需要投入更多，这些均是需要慢慢积累的[9]。

4 结束语

总之，VR 技术在教育领域的应用才刚刚起步，无疑，在未来的教育领域，VR 技术将会对建筑设计及相关课程的教学产生深远的影响。专业教师要充分认识到VR 技术的重要价值，更新教育理念，完善教学方法，将VR 技术更深入融合在建筑设计课程教学中来。可以预见，将来的建筑设计教学将与大数据技术、人工智能技术、VR 技术有更深度的融合，我们可以大胆畅想一下：未来的建筑设计专业课程很有可能在任意地点的一套VR 设备上实现教与学，建筑设计课程的学习将打破时间与空间的限制。无论如何，我们都要拥有捕捉时代变革的眼睛，勇于接受新事物，并将其转变成变革建筑设计课程教学的有利推手。