环境心理学虚拟仿真实验的设计与实践

邱鲤鲤 黄竞雄 饶金通 李渊

摘要：以数字技术为主导的技术革命知火如茶进行，带来建筑产业的转型升级，建筑教育相应引入数字化、智能化新内容，虚拟仿真实验便是其中之一。目前建筑类虚拟仿真实验涉及建筑功能与设计、历史建筑认知与保护、城市环境模拟与规划方面，呼应以建筑功能和空间设计为主线的国内建筑学教学体系，而对环境行为、环境心理方面关注不足。在此背景下，运用虚拟仿真技术，探索环境心理学虚拟仿真实验的设计与教学实践。围绕虚拟仿真实验的建设必要性、实施方案、教学实践三个问题展开论述，并对未来虚拟仿真实验在建筑专业教学中构建关联性课程生态、推进专业课的思政建设方面提出建议，以期对建筑学及相关专业的虚拟仿真实验项目建设提供思路和经验参考。

关键词：虚拟仿真实验;建筑教育;环境心理学;行为分析

中图分类号：TU024 文献标识码：B

文章编号：1001-9138-（2020）09-0056-63 收稿日期：2020-08-03

1 引言

近些年来，以数字技术为主导的技术革命如火如茶进行，带来整个建筑产业链的数字化升级，建筑教育在新的语境下担当知识传播和前沿探索的责任。数字化、智能化新技术为建筑教育带来灵感，虚拟仿真实验便是其中之一。2017年7月，《教育部办公厅关于2017一2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高厅2017[4]号）决定在普通本科高等学校开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作，随后，国家级虚拟仿真实验教学项目、国家虚拟仿真“金课”将建设工作进一步深化和拓展。虚拟仿真实验是一种新的教育生产力，将信息技术与教育教学深度融合，实验教学信息化作为高等教育系统性变革的内生变量，助推高等教育教学质量变轨超车，助力高等教育强国建設。

教育部在同济大学、华南理工大学、浙江大学等高校开始建设国家级虚拟仿真实验教学中心，以此为推手开展虚拟仿真实验教学项目的建设，如同济大学的基于虚拟现实技术的传统木构认知与建造实验、东南大学的参数化拟自然水景虚拟仿真实验、天津大学的建筑遗产测绘基本技能虚拟仿真实验等。目前建筑类虚拟仿真实验项目涉及建筑功能与设计、历史建筑认知与保护、城市环境模拟与规划方向，多集中于建筑的形体、材料、建造、结构的物质本体，呼应以建筑功能和空间设计为主线的国内建筑学教学体系。然而，建筑是生活的载体，与人和社会关系密切，正如建筑学家童寯教授所言，建筑学必须讲理，物理、伦理、生理、心理，而目前建筑专业的虚拟仿真实验对于环境行为、环境心理方面的关注不足。基于此，以建筑空间与行为分析虚拟仿真实验教学项目为例，探索环境心理学虚拟仿真实验的设计与教学实践，以期对建筑学及相关专业的虚拟仿真实验教学项目建设提供思路和经验参考。

本文聚焦以下3个问题：第一，为什么要运用虚拟仿真技术进行教学，即实验的建设必要性;第二，如何运用虚拟仿真实验进行知识规律的教学，即实验的实施方案;第三，虚拟仿真实验的能否融入现有的教学模式，即实验的教学实践。下文以建筑空间与行为分析虚拟仿真实验教学项目为例加以回答（见图1）。

2 环境心理学虚拟仿真实验的建设必要性

近几年，以人工智能、虚拟现实、眼动追踪等为代表的新技术兴起和多源城市新数据的产生，环境心理学教学面对新语境，应即时引入新技术与新内容，将传统的理论教学和最先进的技术方法有效融合，直观化于案例教学中，保证教学的理论底蕴、技术依托、实证支撑。课程围绕“一个核心理论、一套技术方法、一个案例分析”进行，一套理论即环境心理及人本设计理论，一套技术方法即围绕回归到虚拟仿真实验的内涵谈起，“虚拟仿真”指利用计算机生成的虚拟系统模仿另一个真实系统，即通过虚拟世界与人的交互，反映真实世界。“实验”是指在可控条件下进行的操作，以发现未知的科学规律或现象，或用于验证已知的知识规律。虚拟仿真实验具备真实性、显隐性、可控性，扩展传统课堂的维度，弥补传统环境心理教学的不足。

首先，虚拟仿真实验的真实性，打破传统教学的时空限制，解决传统环境心理教学中调研实践周期长、教学成本大的问题。环境心理学研究物质环境、社会环境与行为之间的关系，多以真实环境为研究现场，具有显著的实证性。而目前环境心理教学主要围绕传统课堂进行，“纸上谈兵”缺乏直观性与实践性，倘若频繁地组织学生进行调研、实践，教学周期长，教学成本大。虚拟仿真实验可真实还原现实情境，通过交互实时改变实验条件，模拟现实环境及其变化和人在环境中的认知表征，学生可随时随地在线操作与自主学习，打破传统教学的时空限制。

其次，虚拟仿真实验的显隐性，将真实环境中隐性的部分显性化，解决环境心理学分析方法教学过于抽象，学生接受度不高的问题。环境心理学采用跨学科的多元的研究方法，其中既包括定性研究，也包括定量研究，特别是定量方法中数理逻辑的抽象性，学生经常采用生硬记忆，无法真正理解，如何将研究方法与实际研究问题结合并灵活运用是教学的一个难点。运用虚拟仿真实验，可将模型方法的逻辑过程与结果，显性化于具体的问题情境中，增加学生的兴趣度与接受度。

最后，虚拟仿真实验的可控性，通过模块设计将环境心理与设计教学紧密结合，营造关联性学习的课程生态。建筑专业教学中，建筑设计是其主干核心，因此环境心理教学必须建立与设计课程联结的有效路径，而传统独立并行的课程安排，使环境心理学和建筑设计教学难以建立内在结构联系，设计课程中面临的特定问题，无法即时进行环境心理知识传授和方法引导。虚拟仿真实验可以自主控制、设计实验模块，将环境心理课程知识点与建筑空间形式功能、空间操作交叉渗透，形式和内容上保持和建筑设计的关联，营造关联性学习的课程生态。

3 环境心理学虚拟仿真实验的实施方案

3.1 实验特色

建筑空间与行为分析虚拟仿真实验基于高阶性、创新性和挑战度的“金课”标准营造特色。具体体现在：

其一，能力培养的高阶性。实验不是简单的传输知识点和机械的说教，而是通过生动直观的实验操作，培养学生设计出发点根植人的需求的理念、对环境是否适合人的行为的辨识和评价能力、将环境心理知识应用于建筑设计的实践能力，体现了知识、能力、素质多维融合的“高阶性”。

其二，模块设计的创新性。实验立足于环境心理学的课程特点，在实验设计中将环境心理的知觉、行为等知识点与建筑设计的体验感知和空间操作交叉渗透，“创新性”提出实验模块设计。

其三，实验任务的挑战度。虚拟仿真实验的建设，教师花时间和精力设计实验，除了工作增量，更要打破传统教学的思维惯性，反复“打磨”实验设计的科学性，学生也要有较多的学习时间和思考作保障，才能完成实验任务，对师生都形成很大的“挑战度”。

其四，实验案例的选取，影响其内涵与气质。2017年7月，鼓浪屿成功申请世界文化遗产，习近平总书记作出重要指示“把老祖宗留下的文化遗产精心守护好，让历史文脉更好的传承下去”。项目选取著名国保单位鼓浪屿八卦楼为实验背景，八卦楼原为私人别墅，年久失修，1986年时任厦门市副市长的习近平视察八卦楼并拨款整修，使其恢复生机，成为国内唯一、世界最大的风琴博物馆。八卦楼十字平面分区基本对称的内部结构，方正规整的空间作为案例难度适中，符合教学需求。以八卦楼为案例，赋予实验兼具文化遗产保护和精神文明价值的双重内涵（见图2）。

3.2 实验设计

建筑专业的环境心理学教学，归根到底引领学生解决两个基本问题，一是人如何感知和使用空间，二是环境以何种方式、何种程度影响人的感知和行为，需要从物质环境特征与人的感知、人的行为表现两个方向展开教学（见图3），教学最终的落脚点是辅助设计实践，提高设计人性化和精细化的正效应。因此，实验遵循空间认知——行为分析——空间设计的设计逻辑（见图4），以学生为中心，學生是实验的“主角”，其角色既是“空间使用者”也是“空间设计者”。首先，学生作为空间使用者，进行空间漫游、空间功能和形式的认知;接着，学生的学习活动从物理空间过渡到人的行为空间，学习行为的量化分析方法，思考空间特性与行为活动的关联，由使用者的视角慢慢转变为设计者的思维;最后，反哺于设计，学生完全转变为设计者的视角，从空间和人的行为的关系出发，进行空间设计。三个部分相互衔接，循序渐进，空间认知是基础，行为分析是方法、空间设计是目的，学生完成基于空间知觉、行为分析、反哺设计的实验过程，实现环境心理教学的规定知识点以及和设计教学的对位交融。

3.3 实验模块

如上所述，基于空间认知——行为分析——空间设计的设计逻辑，相应分为空间认知、行为分析、空间设计三个实验模块。实验学时为4学时，其中空间认知实验模块1学时，行为分析实验模块2学时，空间设计实验模块1学时。

其一，空间认知模块。空间认知模块进行知觉理论、空间认知知识点教学，以功能泡泡图、九宫格的方式，让学生用建筑的语言，有逻辑地表达对于空间功能、形式的认知。空间认知模块分为3个部分，空间体验、功能泡泡图、空间生成（见图5）。空间体验部分进入八卦楼三维模型，以虚拟漫游方式形成对八卦楼空间结构的浸人式体验;功能泡泡图部分根据漫游记忆，进行交互式操作，绘制八卦楼功能泡泡图;空间生成部分通过空间限定的九宫格，完成空间的形式生成。

其二，行为分析模块。行为分析模块进行空间对行为的影响、环境偏好的影响要素知识点教学，运用环境心理学中的量化分析方法，进行空间特性和行为偏好分析，引导学生从科学计算的角度，分析空间质量和使用者习惯，反思建成环境是否适合人的行为。行为分析模块分为两个部分，句法分析、偏好分析（见图6）。句法分析部分，进行八卦楼空间可达性、视域分析及人流模拟，学习空间属性如何影响人流分布。行为分析部分，基于叙述性偏好法，进行空间偏好选择，后台模型实时计算空间偏好要素权重，呈现环境偏好与影响要素关系。

其三，空间设计模块。最后反哺于设计，在空间设计模块中引导学生思考空间感知和行为分析等环境心理学知识，如何有效地运用于空间设计。空间设计模块与前面的空间认知、行为分析模块紧密衔接，掌握在行为模式主导下的空间设计方法，分为功能设计和布展设计两个部分（见图7）。功能设计部分，基于八卦楼底层空间，进行空间联通和休息空间设计，以期达到理想的功能与流线。布展设计部分，根据之前空间偏好要素权重，自主设计局部布展空间，以期达到理想满意的空间状态。

4 环境心理学虚拟仿真实验的教学实践

建筑空间与行为分析虚拟仿真实验项目已投入教学使用，并申报国家级虚拟仿真实验教学项目。实验于2019年下旬上线实验空间网站（见图8），面向社会开放，根据网站统计数据，截至2020年2月底，实验浏览量5352人，其中做实验人数617人，实验通过率91.9%，取得良好的社会效益。

虚拟仿真实验教学项目不仅是教学资源的建设，更是教育信息化背景下新的教学模式。因此，教学团队结合教学实践，探索“虚拟仿真+翻转课堂”线上线下混合教学模式（见图9），翻转传统课堂的教学结构，“先学后教”，实现教学模式的逆序创新。“虚拟仿真+翻转课堂”线上线下混合教学模式，主要包括课前虚拟仿真实验、课堂翻转教学、课后学习沙龙3个环节。课前虚拟仿真实验，以虚拟仿真实验手册和指导视频为引导，学生课前进行虚拟仿真实验，配套MOOC等相关参考资料进行知识点学习。课堂翻转教学，课堂教师以学生为中心，学生陈述学习与实验成果，教师解答实验难点，讲解知识重点，突出知识点的意义和内涵要旨，而后进行主题讨论。课后学习沙龙，教师线上答疑，结合线下项目实践、专家讲座加深知识的巩固应用。“虚拟仿真+翻转课堂”线上线下混合教学模式激发学生的自主学习意识，使学生进入运用、分析、评价、创造等较高层次的学习过程（见图10）。

“虚拟仿真+翻转课堂”线上线下混合教学模式具有通用的可移植性。建筑空间与行为分析虚拟仿真实验已面向社会开放，其他学校结合自身的特点，可以用，可以学，也可进行本地化“改造”，运用共享实验开展线上线下混合教学模式，避免了资源重复建设的浪费，探索虚拟仿真实验的多样化运用，实现真正“建起来用起来推广开”的良性效应，也是虚拟仿真实验教学项目向虚拟仿真“金课”转化升级的关键。

5 结论与讨论

顺势求变是建筑学学科发展的一个基本动因，建筑教学模式和体系的改革则是建筑教育发展的必要条件。文章基于建筑空间与行为分析虚拟仿真实验，探索环境心理学虚拟仿真实验教学项目的设计与教学实践，回答了虚拟仿真实验的建设必要性、实施方案、教学实践3个问题，得到结论如下：

虚拟仿真实验的真实性，打破传统课堂的时空限制，有效解决环境心理教学中调研实践周期长、教学成本大的问题;虚拟仿真实验的显隐性，解决了环境心理学分析方法教学过于抽象接受度不高的问题;虚拟仿真教学的可控性，通过模块设计将环境心理与设计教学紧密结合，营造关联性学习的课程生态。这是虚拟仿真实验的必要性。

虚拟仿真实验以“两性一度”的“金课”标准为指导，营造能力培养高阶性、模块设计创新性、实验任务挑战度特色，以鼓浪屿著名国保单位八卦楼为实验背景，设计空间认知——行为分析——空间设计的实验逻辑，空间认知是基础，行为分析是方法、空间设计是目的，学生完成基于空间知觉、行为分析、反哺设计的实验过程，既进行环境心理知识点教学，又与建筑设计交叉融合，实验方案实施具备科学性。

在这知识与信息爆炸的时代，知识生产的规模和传播速度远非传统课堂可以容纳，基于虚拟仿真实验线上线下混合教学模式，通过开放的教学模式，提供更多的学习空间与知识获取途径，引导学生根据自己的兴趣点构建研究型、探索性的学习过程，保持学生的自我发展空间，实现了教学实践的“逆序创新”。

进而，从建筑空间与行为分析虚拟仿真实验的建设经验扩展开来，谈一谈关于建筑专业虚拟仿真实验未来建设的一些思考。

建筑教育具有建筑学科所具有的宽泛性，以实体和空间塑造的建筑设计为核心，兼具物质载体和精神价值考量的建筑理论、建造理論和物理性能考量的建筑技术，而传统以知识类型为依据分类的课堂教学，各类课程的并行关系，使得课程间关联性不够，历史人文和技术类的课程知识在设计类课程的转化度不足。因此，可以探索以虚拟仿真实验建设为依托的跨越课程的联合教学，实验以建筑设计作为知识集成的核心，基于限定性的基地案例开展情境化设计，以问题为导向教学，将建筑设计的条件或制约，转化成具体建筑问题的思考带人实验，显然，建筑设计中的问题可以是材料、建造方面，也可以是人文、技术方面，实验可以集成不同课程知识点的植人，构建课程群的整体学习知识体系，实现课程间的融贯与整合。各课程的教师联合指导，突破传统教学时空的限制，采取多样化的方式，常规性的问题，通过虚拟仿真实验连接至MOM教学资源，实现信息化资源联动，针对性的教学指导通过网络进行，教师间的协同难度大大降低，节省教学成本，提高学生学习效率。通过虚拟仿真实验的形式，改变各个课程仅仅按照自身逻辑进行知识点布局的传统，由此形成多知识点交互关联的网络化学习和创新性运用的语境，这也是建筑空间与行为分析虚拟仿真实验下一步的教学实践的重点。

近期发布的《教育部高等教育司2020年工作要点》（教高司函[2020]年1号），将深入推进课堂革命、打造“金课”作为工作重点，同时提出“推进高校课程思政建设，充分挖掘各门课程蕴含的思想政治教育内容，促进专业课与思想政治理论课同向同行，实现价值引领、知识教育、能力培养的有机统一”，将建筑专业虚拟仿真实验建设与思政内容结合，是虚拟仿真实验提升的方向和趋势。维特鲁威在《建筑十书》中说“建筑学领域有两个核心的东西，表意的和赋予其内在意义的”，如果建筑的形式用于“表意”，其“内在意义”可通过社会学、人类学加以诠释，建筑除了空间形态和功能，更是制度形态和超越功能的习俗范畴，这些内在意义正是建筑专业课程蕴含的“课程思政”内容，虚拟仿真实验的灵活性和可控性，提供其转化为教学内容的有效途径。如在建筑空间与行为分析虚拟仿真实验中植人思政内容，介绍鼓浪屿文化遗产价值与八卦楼历史，以实验设计为推手，将专业知识与思政知识点融合，既保证专业教学内容的完整框架，又打破思政教育“孤岛化”，让核心价值观的养成融入专业教育中。

王澎谈建筑学教育提到“观绘”之境，“观”是试图看出山水之理的看，“绘”是认识和揭示规律的描绘，虚拟仿真实验不仅是验证性的，更是显隐性的，拓展真实世界做不到“观宏”“探微”“克难”“显隐”，使教学进入“观绘”之境。探索之路远未停止，虚拟仿真实验建设还有更多的可能，建筑学教育的创新继续深化，“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”，需要认真的思考和持续的实践，让我们将“实验”进行到底。

参考文献：

1.徐卫国 黄蔚欣 于雷.清华大学数字建筑设计教学.城市建筑.2015.28

2.吴岩.建设中国“金课”.中国大学教学.2018.12

3.同济大学.基于虚拟现实技术的传统木构认知与建造[CP/OL].（2019）[2020-02-18].http：//www.ilab-x.com/details/v5？id=4988&isView=true.

4.东南大学.参数化拟自然水景设计虚拟仿真实验[CP/OL].（2019）[2020-02-18].http：//www.ilab-x.com/details/v5？id=4928&isView=true.

5.天津大学.建筑遗产测绘基本技能虚拟仿真实验[CP/OL].（2019）[2020-02-18].http：//www.ilab-x.com/details/v5？id=4931&isView=true.

6.叶飞.“多线共生”建筑教学体系改革的思考[C]//2018中国高等学校建筑教育学术研讨会论文集编委会，华南理工大学建筑学院.2018中国高等教育建筑教育学术研讨会论文集.中国建筑工业出版社.2018

7.张良皋.张良皋文集.华中科技大学出版社.2014

8.李震彪.本科教学虚拟仿真实验之思考.实验技术与管理.2019.36（09）

9.胡正凡 林玉莲.环境行为研究及其设计应用环境心理学.中国建筑工业出版社.2018

10.韩冬青 鲍莉 朱雷等.关联·集成·拓展——以学为中心的建筑学课程教学机制重构.新建筑.2017.03

11.新华社特约记者.习近平同志推动厦门经济特区建设发展的探索与实践[N/OL].人民日报海外版.（2018-06-23）[2020-02-18].http：//paper.people.com.cn/rmrbhwb/html/2018-06/23/content 1863208.htm

12.叶宇 戴晓玲.新技术与新数据条件下的空间感知与设计运用可能.时代建筑.2017.05

13.厦门大学.建筑空间与行为分析虚拟仿真实验[CP/OL].（2019）[2020-02-18].http：//www.ilab-x.com/details/v5？id=4811&isView=true.

14.祝智庭 管珏琪 邱慧娴.翻转课堂国内应用实践与反思.电化教育研究.2015.06

15.李渊 邱鲤鲤 饶金通.教育信息化背景下基于SPOC翻转教学模式研究与实践——以城乡规划专业GIS课程为例.中国建筑教育.2018.01

16.仲德崑.中国建筑教育的现实状况和未来发展.中国建筑教育.2008.01

17.常青.建筑学教育体系改革的尝试——以同济建筑系教改为例.建筑学报.2010.10

18.张永和.对建筑教育三个问题的思考.时代建筑.2001（S1）

19.常青.建筑学的人类学视野.建筑师.2008.06

20.王澍.将实验进行到底写在“不断实验——中国美术学院建筑艺术学院实验教学展”之前.时代建筑.2017.03

本文图表来源：

图1、2b、5、6、7、8：作者根据建筑空间与行为分析虚拟仿真实验界面处理。

图2a：鼓浪屿申报世界文化遗产系列丛书编委会.鼓浪屿之路.海峡出版发行集团，2013。

图3、4、9、10：作者自绘或摄制。

作者简介：邱鲤鲤，厦门大学建筑与土木工程学院工程师。

黄竞雄，厦门大学建筑与土木工程学院硕士生。

饶金通，厦门大学建筑与土木工程学院高级工程师。

李渊，通讯作者，厦门大学建筑与土木工程学院教授。

基金項目：本项目受福建省虚拟仿真实验教学项目、厦门大学新工科研究与实践项目、厦门大学教学改革研究项目资助。