基于“VR虚拟构造实验室”的建筑技术类课程实践教学研究——以《建筑构造》课程为例

冷浩然 曹芳源 王婉霓

（江西师范大学城市建设学院 江西·南昌 330022）

0 引言

在教育部印发的“2021教育部工作要点”中明确提出“积极推进教育信息化建设，加快推进教育信息化高质量发展”[1]的战略构想。“VR虚拟实验室”正是充分利用各种现代信息技术，将传统实验移植到计算机虚拟实验室中，逐渐成为实验实践教学的重要补充方式。《建筑构造》作为建筑学专业的技术类基础课程，知识涉及广，实践性强，但在其传统实践教学中存在诸多困境：校内实验室教学场地不足、构件品种展示不全；校外施工现场实践教学安全隐患大、施工进度与教学计划难匹配等。因此，基于“VR虚拟构造实验室”的建筑构造课程实践教学模式研究顺应了时代的需求，是对“信息+教育”理念的有益探索，并可为今后其他建筑专业技术类课程信息化提供借鉴参考，具有一定的理论和现实意义。

1 基于“VR虚拟构造实验室”的《建筑构造》教学改革的可行性

1.1 VR虚拟实验室的起源

虚拟实验室(VirtualLaboratory)，可以追溯到威廉·沃尔夫教授提出的“合作实验室”(Collaboratory)，即利用计算机建立网络化的虚拟实验室环境，旨在打破空间的限制，进行合作性实验研究，具有高仿真、开放共享、可扩展性、重复使用性以及安全性高等优点[2]。VR虚拟实验室是充分利用VR技术的“3I”特性，即沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）[3]，保留虚拟实验室优点的同时，增强了使用者临场感和沉浸感，体验的真实性和直观性进一步被加强，属虚拟实验室目前发展的高级阶段。

1.2 VR虚拟构造实验室的概念

本文探索的创新性教学模式中的核心载体──“VR虚拟构造实验室”，指的是通过VR虚拟现实、计算机、三维建模等数字技术构建的虚拟现实世界中的建筑构造实验室，使用VR头盔显示器或VR头盔+投影设备让学生体验观察甚至拼装虚拟构造实验室中的各种建筑构造构件或组件。这种只存在虚拟世界中的实验室在物质形态层面上，与客观真实存在的传统实体构造实验室具有本质区别。

1.3 VR虚拟构造实验室的优势特点

1.3.1 内容丰富、更新便捷

《建筑构造》课程理解难度大，需配合实践教学加深认知。而传统实体构造实验室展示内容受场地限制，通常无法全面展示建筑各种构造做法。且伴随着材料科技和施工技术的不断发展，建筑构造做法也需更新换代，实体实验室因更新成本高和周期长，往往造成学校教学与现行技术脱节的严重后果。而 VR虚拟构造实验室能不受时空限制，可以展示所有需要的建筑构件类型及其构造做法，且可根据建筑行业的技术变革，在大大节省时间和资金成本的前提下，及时更新实验室内的实践教学资源。

1.3.2 沉浸交互、学做一体

传统实体构造实验室的建筑构造做法通常为静态的构造组成的展示，学生无法直观了解构造中包含的工艺流程和技术标准。虽然《建筑构造》课程实践教学可以通过施工现场的实践教学解决此类问题，但鉴于校外施工现场实践点稳定性差、施工进度与教学进度难匹配，施工现场操作不可逆，且存在较大安全隐患等因素，造成施工现场教学机会非常有限，无法保障正常的实践教学需求。而在VR虚拟构造实验室中，学生可通过对构件的移动、旋转、缩放等操作，进行全景观察、虚拟装配等动态交互学习，全面直观了解构造组成和施工标准流程。

1.3.3 自主开放、线上共享

在传统的构造实验室中，按课程既定的教学进度，教师对静态的建筑构件进行现场讲授，让学生理解展示构件外在形态构成和内在构造逻辑。离开了教师生动形象的现场讲解，学生无法真正领悟传统实验中的大部分构件组成，这种传统的实验室教学方式使得学生无法进行自主学习。而在VR虚拟构造实验室中，学生在虚拟仿真实验室登录实验系统后，即可按自己的需求选择构件进行交互学习，实验平台设有伴学提示系统，很大程度上能够实现学生对实验室内资源的自主开放学习。同时，VR虚拟构造实验室系统未来还可通过互联网，打破了传统构造实验室的地域局限，实现对校内其他学院相关专业甚至是其他高校开放使用，实现教育资源的线上共享。

2 基于“VR虚拟构造实验室”的《建筑构造》课程实践教学改革

本文中的《建筑构造》课程创新教学体系，是围绕“VR虚拟构造实验室”核心概念开展的实践教学改革。具体从“VR虚拟构造实验室”的实践教学资源建设、实践教学模式制定及实践教学评价与反馈三个方面出发，探索科学可行的教学改革策略（见图1）。

2.1 建设与“VR虚拟构造实验室”相契合的课程实践教学资源

“VR虚拟构造实验室”内的实践教学资源开发需遵循定位明确、形式合理、全面系统的原则。首选课程中的重点、难点内容建设开发配套的实践教学资源，并封装植入到“VR虚拟构造实验室”中，做到内容选择目标清晰、定位准确。其次，针对构造内容和VR技术的特点，综合考虑开发合适的VR实践教学形式。根据VR实践教学最终的呈现效果可分为360°展示型和交互组装型两类实践教学资源。其中，前者适合用于整体展示中大型尺度的建筑构件，如楼梯、楼盖体系等，属于对建筑构件进行宏观层面的整体认知；后者更多用于动态交互展示工业化程度比较高的建筑组合件的构造组成和拼装顺序，以及施工工艺流程要求较高的构造做法，如铝合金玻璃幕墙属于第一种，又如平屋顶防水构造做法则隶属于第二种，二者都属于对构造细部层面的深入学习。最后，对建筑构件的正确认知规律通常为先整体后细部，先宏观后细观。因此为了使学生对建筑构造学习能够遵循合理的学习规则，在开发“VR虚拟构造实验室”教学资源时，应全面系统安排360°展示型和交互组装型两种类型与理论内容对应的数量、顺序对应关系，真正起到理论与实践相辅相成的良好互动关系。

2.2 制定与“VR虚拟构造实验室”相融合的课程实践教学模式

“VR虚拟构造实验室”中的实践教学资源开发完成后，第二步是思考如何将其融合进正常的日常教学活动，以发挥实践教学的强大作用。根据360°展示型和交互组装型实践教学资源的交互性强弱不同，本着使用方便、完善教学的原则，合理设计了两种与之对应的课程实践教学模式──多媒体基础教学和仿真实验室教学双模式。多媒体基础教学模式具体为：每次请一名学生佩戴VR头戴一体机，并通过多媒体教室的投影设备同步显示头盔中的内容，配合老师完成使用“VR虚拟构造实验室”中的教学资源，向其他在座的同学动态全景展示讲解本堂课中的重难点构件。因构件尺度偏大，对沉浸感和交互性要求不高，此模式能够满足学生认知理解需求。而仿真实验室教学模式为：课程在实体仿真实验室进行，学生将每人配备VR头盔设备，登录“VR虚拟构造实验室”教学管理平台，每位学生均可开展沉浸式自主交互学习，老师起到辅助讲解和引导作用。同时，传统实体构造实验室仍可以作为“VR虚拟构造实验室”的补充，继续发挥其应有的作用，为学生提供建筑构件制作材料的真实质感体验。

2.3 构建与“VR虚拟实验室”相匹配的课程实践教学考核体系

传统构造课程的实践教学，因形式单一、实施受限，一直处于辅助地位，更无法谈对其评价考核，整个课程的评价体系不够完善。随着“VR虚拟构造实验室”引入，尤其是在仿真实验室教学模式中，实验系统加入步骤AI评价和记分功能，为实践教学量化评估提供全新的方式，彻底改变了理论课程多为“一考定音”的传统考核方式，提高了课程评价考核的全面性、客观性、完整性。构造课程新的考核评价体系分为平时成绩，笔试成绩、虚拟实践三部分，分值占比依次为20%、40%、40%。同时，实验系统还具有留言功能，为学生提供了对课程教学进行反馈的新渠道，从而有利于教师团队对课程进行下一步的完善改进。

3 基于“VR虚拟构造实验室”的课堂实践教学案例简介──以“隐框玻璃幕墙”为例

隐框玻璃幕墙建筑中常见的一种玻璃幕墙形式，通透轻盈，极富现代感。玻璃幕墙是构造课程高层建筑章节中重点内容，但构造复杂、工业体系化高，学生通常难以理解透彻其构造组成，非常适合使用“VR虚拟构造实验室”进行实践教学。

本案例的实践教学资源属于交互组装型，教学模式采用仿真实验室教学模式，学生在实体实验室进行课堂实践教学。整个课程可以分为三个阶段，首先教师使用多媒体进行玻璃幕墙的理论讲授，介绍玻璃幕墙的基本概念、发展概况、构造类型及组成等。接着，教师使用“VR虚拟构造实验室”平台，通过头盔显示系统，在虚拟世界的构造实验室中沉浸式介绍隐框玻璃幕墙的拼装顺序和工艺要点。最后，学生登录实验考核模块，自主学习后再进行幕墙构件认知和组装实践考核。

4 基于“VR虚拟构造实验室”的课堂实践教学的改革效果

经过一个学期的教学改革实践，通过引入“VR虚拟构造实验室”作为虚拟实践教学手段，丰富了教学方法，提高了学生成绩。上述改革成效可以从以下两个层面得到印证：首先就客观层面而言，在传统模式教学下，该课程平均分数在75-80分，而教学改革后，该课程平均分数提升至80-85分。其次，从主观层面来说，通过对学生发放问卷调查，90%以上的学生认为“VR虚拟构造实验室”这类先进的教学技术进入课堂，符合当代大学生的学习方式，学生非常乐意参与到教学改革之中。同时寓教于乐的虚拟实验室教学系统，使学生参与教学活动的积极性大大提高，教学效果也更加高效，师生互动更加频繁。

5 结语

综上所述，将VR虚拟现实技术应用于《建筑构造》实践教学，符合当下信息时代对高等教育变革的诉求，具有十分重要的理论与现实意义。基于“VR虚拟构造实验室”的创新实践教学改革极具发展潜力，不仅可以延伸《建筑构造》课程的教学深度和广度，还可以同时保持课程在专业技术层面与时俱进。但是，如何将信息技术优势贯穿教学实践的全环节，及如何拓展构建全面的具有信息技术优势的建筑技术类课程，我们任重道远，仍需砥砺前行。