浅谈虚拟现实技术在中国古建筑教育中的应用

闫冬

摘要：近年来，伴随着日益发展的虚拟现实技术，与此同时在实际当中的教育领域也开始逐渐引入虚拟现实技术。为了优化教学模式，促进实践教学改革，本文是建立在实现佛光寺斗拱文化实验教学软件的基础之上引入虚拟现实技术。针对于虚拟现实所体现出来的沉浸感、交互性优秀的特征，从而在此基础上搭建了了一个交互式仿真环境。建筑专业的学生通过亲自参与到实际的的搭建斗拱过程当中。通过对比可以发现与传统的学习方式大相径庭，斗拱实验教学软件存在的优势就是能够有效激发学生更大的学习兴趣和知识保留能力，从而彰显了虚拟现实技术在古建筑教育领域的有效性，。

关键词;虚拟技术;中国古建筑;教育;应用

引言

中国古代建筑的构成形式主要是通过木、砖、瓦为主要建筑材料，木框架结构为主要结构形式。古建筑作为文化精神的载体。中国古代建筑的实际特征就是结构复杂，改造难度大，为此与之对应的课程的开发也表现得十分困难。斗拱类型纷繁复杂，虚拟现实技术作为一种新技术，是教育领域的一种新型教育模式。这种新技术和媒体的使用方式意味着提高教学效果，这是教育研究者关注的焦点。建立在中国传统建筑技术的知识基础之上，虚拟仿真软件的目的就在于恢复斗拱过程。对比传统教学模式，在虚拟现实技术高度回归环境真实度，同时可视化程度高，并允许学生手工搭建斗拱。全新的教学方式促进了学生对科学的兴趣，而且可以降低实践和工程的成本。同时，也是将新的教育技术应用于古建筑教育领域的一次尝试。研究虚拟现实技术有效应用与教育中可以促进未来的教育模式的优化和完善。河北水电学校开发了河流水电站虚拟仿真实验，利用虚拟现实技术，让学生进行虚拟实践，解决了学生无法动态观察节水和水能结构的问题，如水源保护中心、大坝和发电厂等，从多个角度来看，并不能自动参与发电厂的工作、安装和维护，这是虚拟现实技术在教育领域的有效应用。

一、虚拟现实教学与传统教学方法的结合

1、虚拟现实技术与虚拟仿真平台的集成

虚拟仿真实验学科与信息技术深度融合形成了虚拟仿真技术。它利用计算机系统模拟实际的物理系统，解决学习过程中时间、空间、劳动和物理的限制。在构建模拟虚拟教学实验平台、实验教学资源、实验教学团队和高质量的资源交流等方面，各高校进行了大量的研究和实践。对于模拟实验的类型，有较多的演示实验和验证经验，但很少有真正的交互实验。虚拟现实技术的主要特点是虚拟现实与现实的交互。将虚拟现实技术集成到虚拟模拟器中，可以增加交互，实现学习与虚拟现实的互补和结合。例如，北京交通大学建立了虚拟土地工程模拟实验室，开发了隧道+米典型建造方法的虚拟现实模块，以及公路和铁路实践场地的虚拟现实模块，世卫组织是虚拟现实技术与虚拟平台或仿真集成的典型代表。

2、虚拟现实技术是多媒体教学的辅助手段

经过多年的发展，传统的多媒体教学方法已经成熟，虚拟现实技术的实际的优势表现为具有沉浸感强、趣味性强、交互性强。这对激发学生对科学的兴趣是大有裨益的，提高教学质量和效果。例如，除了显示文本和图片等传统教学内容外，最有希望的方向是使用BIM技术作为多媒体教育的媒介。核心在于利用创建虚拟建筑的三维模型并使用数字技术作为模型，创建一个完整的建筑工程信息数据库。在教学BIM软件时，建筑学学生可以引入虚拟现实技术，提高可视化程度和三维建筑设计感，提高学生学习效果。例如，沈阳工业大学开发了土地工程Bim和VR仿真系统，将Bim和VR技术引入土地工程教学，通过VR技术的互动体验，提高学生的实践能力解决了新技术与传统技术的结合，节约了教育资源。

二、斗拱体验式虚拟现实软件教学环节设计

在中国古代建筑教学中，虚拟现实在古建筑教学中的应用很少。因此，设计了基于虚拟现实的学习软件来恢复斗拱过程，进行斗拱学习。从设计教育链接和实验流程开始，虚拟现实软件不同于传统桌面软件，针对于虚拟现实的特点展开设计。使用UE4引擎作为一个平台，构建逼真的虚拟学习环境。

1、初步设计要素

教学目的：促进学生领悟中国古代建筑的魅力，了解建造斗拱的过程，

学习者特征：当建筑专家研究古代建筑时，由于其复杂性，他们往往对科学缺乏兴趣。学生们对虚拟现实技术更感兴趣。在虚拟环境中，学生会感到创新。添加虚拟现实交互功能将使学生对知识有更深的记忆。

应用：引导学生熟悉斗拱的结构，巩固相关的知识点。虚拟现实技术作为一种新的教学方法，它对计算机设备也有很高的要求。教师或其他学生必须引导实验者使用设备。

2、开发学习内容

该软件主要关注东方佛光寺的斗拱。它是作为重要的唐代建筑。斗拱作为学生学习古建筑的核心内容之一。为了让学生更容易理解设计过程以及组件的形式和功能，使用虚拟现实技术补充文本、照片和电影等显示方式，提供全方位的潜水功能，虚拟现实的互动和想象，让学生参与斗功的建设。佛光斗拱寺的一部分被分隔并放置在一个特殊区域。学生在该区域学习制作斗拱，并熟悉斗拱的实际的创建的过程以及每个组件所表现出来的形状和功能。该软件还提供佛光寺东殿的漫游功能。学生可以进入佛光寺东殿的虚拟场景，熟悉佛光寺的总体布局，了解斗功在佛光寺東殿中的地位和作用。

三、基于虚拟现实的课程设计策略

该软件是在文献的基础上设计的，并使用虚拟现实技术创建一个模拟学习环境来实现体验。体验是学习者通过对特定事物或过程的实际或虚拟体验和反思，获得知识、发展能力并产生情感的一种学习方法。

1、正确真实性和抽象性原则

极大的强烈的沉浸感就是虚拟现实技术为用户所带来的极佳的体验，为此虚拟现实技术的逼真度要求就很高了。与此同时我们应该明确其环境渲染和模型要求都是很高的。同时，虚拟现实环境另外一个优势就是其可以拥有真实环境中无法进行的功能，允许一个人构建斗拱。在斗拱阶段，将用户安放在高度模拟的环境中，从根本上使得用户的沉浸感大大提升。通过指定的比例对斗拱构件进行减少，在实际的施工环节中需要注意的是中针对已建部分进行拖放和旋转，即可现场施工。

2易操作

虚拟现实技术可以有效促进科学环境与现实世界分离，并通过运动控制器与虚拟环境中的周围对象进行交互。不合理的互动设计容易给学生带来大问题。学生不知道如何在虚拟空间中改变场景，这影响了他们对科学的兴趣和热情。在虚拟现实中，应采用最常用的操作模式，并向服务密钥添加反馈。在bucket construction line中，用户的移动将受到限制，并且将添加学习过程，以便用户使用图标和文本信息熟悉虚拟环境操作。

3、短期使用原则

由于虚拟现实技术的局限性，用户会在虚拟封闭的实验环境中长时间体验、观察和操作，包括大脑、手和身体的运动，会引起一些头晕和不适感。学习内容不要太复杂，在创建过程中，当学生遇到不确定的步骤时，可以随时看到命令，以便于学生进行控制。

结语：

设计并设计了佛光寺斗拱实验教学软件，用于中国古代建筑教育，通过构建了一个经验性和深刻的科学环境。以广泛的桶形拱和复杂的步骤和细节为重点，设计了高度简化的桶形拱的交互过程，从而可以在虚拟现实环境中再现中国古代建筑元素桶形拱。在下一阶段，该软件将用于一般建筑，以实现具有更多功能和角度的交互式项目，这些评估系统集旨在支持教学活动的开展和结果评估，因此，该软件对建筑系的教学经验进行了高水平的集成模拟。

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