基于虚拟现实技术的建筑设计基础教学研究

杨绍亮，胡 莹，王依明，刘皆谊

(苏州科技大学建筑与城市规划学院，江苏苏州，215011)

建筑学专业从广义上来说是研究建筑及其环境的学科，在通常情况下它更多是指与建筑设计和建造相关的艺术和技术的综合。建筑学是一门横跨工程技术和人文艺术，涉及理、工、文、艺等综合性知识领域，兼具科学与艺术、理工与人文科学特点的学科。受应试教育的影响，刚进入该专业领域的学生普遍存在观察力差、审美根底薄、形象思维缺乏等问题。[1]如何让学生快速、有效地理解相关的艺术理念是建筑设计教学，尤其是处于知识体系转换环节的建筑设计基础教学亟待解决的问题。

一、建筑基础教学

建筑设计基础教学是建筑学、城乡规划、风景园林专业的通识性课程。该课程一方面通过一系列有针对性的设计基础课题训练，达到强化设计基本功的目的，为其后的建筑设计及专业设计打下扎实基础；另一方面，通过基础教学培养、激发学生的专业学习兴趣，使其逐步建立起正确的建筑观，训练学生建筑视图、制图的能力及画草图、做模型等方案表现的能力，学习空间分析的方法，培养学生的审美、动手、创造能力，培养理性认识建筑空间的能力。

在现有的教学体系中，建筑设计基础的教学环节主要划分为三部分(图1)。第一部分是工程制图抄绘。工程制图抄绘要求学生掌握工程识图的基本规则，并在识图基础上掌握建筑设计手工表达方式，如徒手画、模型制作等。学生需要能够根据设计过程不同阶段的要求，选用恰当的表达方式与手段，形象地表达设计意图和设计成果。第二部分是空间认知分析与设计。空间认知分析与设计要求学生熟悉空间的基本概念，了解空间在设计中的重要作用，具备从抽象的空间概念出发到完成具体功能空间塑造的能力。第三部分是经典建筑解析。经典建筑解析旨在让学生通过对经典作品的深入分析，了解建筑的空间与流线、形体与材料、结构形式与艺术象征。目前，建筑设计基础的教学方式主要有讲授法、讨论法、案例法与练习法，具体表现为通过采用PPT教案，结合多媒体与传统板书介绍知识点；组织学生讨论，结合课堂汇报及实地调研针对课程要点及难点问题展开阐述及谈论，在此过程中让学生建立起对知识概念及设计方法的理解；从逻辑相似、尺度相似的角度出发，选择国内外优秀案例进行剖析，强化空间概念、形式逻辑、心理感悟的理解；围绕基本功训练的本意，进行适当训练。

图1 建筑设计基础教学体系

在建筑设计基础教学过程中有以下难点。第一，建筑学知识体系复杂、概念晦涩艰深。建筑学具有技术与艺术的双重性，在教学过程中，技术部分的知识较容易被学生接受与理解，但涉及艺术，尤其是造型、空间等方面的知识往往很难通过课堂讲授、案例示范让学生理解。第二，学生基础薄弱。建筑设计基础教学针对的是刚进入大学学习、对建筑空间与造型没有基础的学生，所教授内容与学生以往的知识体系有较大的差异。同时，建筑设计基础教学的内容及形式较抽象，部分学生可以短时间消化理解，但对艺术基础较薄弱的学生则会出现学习上的困难，甚至会影响学生的信心与对专业的兴趣，对后续阶段的专业培养产生持续的消极影响。[2]

二、虚拟现实技术

虚拟现实技术(VR)是基于现实生活，通过计算机技术模拟将其转化为能被感受到的三维虚拟空间，为使用者提供视觉、听觉、嗅觉、触觉等感官的模拟，让使用者实时、无限制地观察虚拟空间内的事物。虚拟现实技术是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术、广角立体显示技术，对使用者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。同时，虚拟现实技术也是PC或移动设备、头戴式显示器、跟踪传感器等硬件设备以及提供沉浸式体验的软件的集合。[3]随着技术的发展，虚拟现实技术逐渐扩展出将虚拟物体和信息与真实世界叠加、实现对现实世界增强的增强现实技术(AR)，以及将虚拟世界和真实世界融合创造为一个物理实体和数字对象实时并存，并能相互作用的三维世界的混合现实技术(MR)。

虚拟现实技术广泛应用于影视娱乐、工业、房地产、军事训练、教育、医学等领域，其沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和想象性(Imagination)的“3I”特性(图2)为各领域带来了巨大的变革。[4]

图2 虚拟现实技术的3I特性

(一)沉浸性

从利用光的散射重构物体立体影像的全息照相技术，到采用3D显示和立体声技术的“Sensorama”仿真模拟器，再到EyePhone头盔和数据手套、Oculus Rift、HTC Vive等沉浸式穿戴设备，虚拟现实技术一直致力于为使用者提供真实的沉浸式体验。当使用者戴上虚拟现实设备、置身于虚拟环境后，能够通过非常逼真、无限制地观察立体图，获得与真实世界一样的感受，从而产生身临其境的临场感。沉浸性是虚拟现实技术最典型和直观的特征。

(二)交互性

Sutherland于1968年在麻省理工学院的林肯实验室发明了“The Sword of Damocles”头显设备，利用手枪形状的控制棒与头显设备的空间定位实现使用者与虚拟环境的互动。[5]此后，虚拟现实设备中都为使用者提供模拟真实交互的操作窗口和反馈机制，让使用者在虚拟现实世界中具有主观能动性，能够实时、自然地与虚拟环境进行交互。

(三)想象性

虚拟现实设备的开发者可以利用计算机图形学和全景照相等技术，结合各种数字资源，开发出各种作品。使用者在虚拟空间以比较自然的方式与虚拟物体实时交互时，虚拟环境和交互行为状态的变化会激发使用者实施进一步的互动，进而加强对所感知虚拟环境的想象能力。

虚拟现实技术的沉浸性、交互性和想象性特点，给人类的信息传播带来全新的改变，其与教育的结合革新了知识获取的渠道和学习方式，例如，虚拟现实技术将传统学习活动中抽象化的知识转变为具象化的知识，将简单的视听学习通道转变为多感官通道，将被动接收和空洞理解的学习方式转变为主动参与和直观体验的学习方式，将基于结果的学习类型转变为基于过程的学习类型，将延时的学习反馈转变为即时的学习反馈，由此推动教学的改革与创新。[6]

三、基于虚拟现实技术的建筑设计基础教学研究

在建筑设计基础阶段，尤其是涉及较难理解的空间、造型理念部分的教学，尝试借助虚拟现实技术降低空间概念理解的难度，有助于提高学生学习的积极性与主动性。苏州科技大学基于其虚拟实验室平台，借助“光辉城市”软件系统和HTC Vive穿戴式传感设备，对空间认知分析、空间设计及经典建筑解析部分进行教学改革探索研究。虚拟现实技术在学习视角的转换、沉浸式体验、交互式设计及想象力提升四个方面给设计教学带来了较大的变化。

(一)虚拟现实技术介入空间认知分析教学环节

在空间认知分析与设计教学环节中，传统教学方式是课堂教学、资料阅读、调研及简单的模型制作相结合使学生掌握空间的基本知识。该环节的具体教学目标如下：学习并了解空间的构成体系(包括功能、环境、流线、界面、造型)及其相互关系，思考环境因素对建筑各体系的影响；能够结合实例分析和具体设计操作，初步掌握从场地的环境特点入手，进行方案构思和方案处理的基本方法；学会空间设计的基本知识、原理和方法，并灵活运用于抽象设计训练中；了解人体活动的基本尺度和常用的空间基本尺寸；理解并掌握空间的构成要素、限定方法、空间的属性、空间的组合、流线的组织及空间尺度；能够利用所学的空间知识、原理对实例的空间构成、功能分区、流线组织、空间形态等进行系统分析；能够利用所学习及调研的内容，使用模型组织设计以空间序列组合。这一阶段时间紧、教学目标多，让学生在入门阶段透彻理解并掌握如此多的设计理念具有一定难度。

虚拟现实技术的介入，可为空间认知分析教学带来以下帮助。

第一，学习视角的转换。传统教学采用制作模型的方法让学生认知、理解空间的概念。这种教学方式相比课堂知识灌输在一定程度上增强了学生的体验感，但也有一定的局限性，如受模型比例与材料大小的限制只能使用鸟瞰角度。虚拟现实技术介入基础教学环节后，除提供模型鸟瞰视角外，还可以让学生从更贴合人的视角观察空间、体会空间的效果、理解空间概念。这种学习视角更符合实际，其转换让学生更容易接受，降低了学生学习的难度。

第二，以沉浸式体验的方式学习。空间的构成体系对学生来说是抽象且复杂的知识点。传统教学通过对经典案例的调研让学生体验空间的功能、环境、流线、界面等要素及其相互关系。例如，部分课程教学活动为组织学生参观留园、平江路、山塘街等具有丰富空间的场所，结合现场的体验介绍空间要素及其相互关系的知识。借助虚拟现实技术，教师可将这一环节转换到虚拟空间进行，并根据教学知识点预先营造特定的情境，如营造留园、平江路、山塘街的场景，还可以营造故宫的场景讲授空间序列的知识，营造已经消失的御街千步廊讲授空间对比的知识，营造圣马可广场的场景讲授空间的层次感，等等。这些逼真的场景不仅可以使学习者获得近似于真实游历的体会，而且可以通过空间的收放、限定、连接、围合、对比等方式使场景设置匹配课堂讲授内容，以此增强教学效果。虚拟现实技术的这一利用在节约大量的时间、经费投入的同时，也更好地突出了教师的讲授意图，降低了学习难度，提升了学习效果。

第三，以交互的方式学习。传统教学以教师讲授空间概念为主。借助虚拟现实技术，学生可以自主选择在虚拟场景中游历、体会空间效果。这种学习不受时间和空间限制，学生可以在自己感兴趣或者不理解的地方停留、体验，也可以修改某些场景中的元素体会和学习空间元素间的相互关系。

(二)虚拟现实技术介入空间设计教学环节

在空间设计教学环节中，传统教学方式主要为以模型制作训练学生掌握建筑内外部空间设计的能力。在这个环节中，学生需要将教师课堂讲授的造型设计、空间设计的基础知识、原理和方法灵活运用于设计训练中。在训练中，学生需要完成室外小广场设计和室内沙龙设计两个空间设计训练题目。这一阶段的具体教学目标如下：学习外部空间概念(包括功能、环境、空间、流线、结构、维护、造型)及其相互关系，思考环境因素对人的行为模式及建筑各体系的作用与影响；学习内部空间的构成要素、限定方法、空间属性、空间组合、流线组织以及空间尺度等内容；学习和掌握设计过程和设计内在逻辑，在理论学习的基础上，从对相关实例的剖析研究入手，总结其基本的建筑理念、设计构思以及具体处理手法，进而能够有选择地借鉴于设计思考之中，启发并逐步形成设计理念与构思并贯穿始终；熟悉人体活动的基本尺度和常用家具的基本尺寸，并掌握特定场所中人的行为活动规律和环境要求，思考人与空间的互动关系；强化从理论学习到实例分析、手法借鉴、空间构思、空间塑造、方案表达的设计思维逻辑方法。

虚拟现实技术的介入，可以为空间设计教学带来以下帮助。

第一，学习视角的转换。虚拟现实技术介入基础教学环节后，学生可以从使用者的视角进行设计，相比以往模型单一的鸟瞰视角更加真实和灵活。实践显示，从使用者视角出发的设计让学生能够关注到更多的细节，对人体活动的尺度和家具、构筑物的尺寸的把握更为精确，设计的空间、流线、造型更为完善，设计内容更为成熟。

第二，以沉浸式的方式设计。在虚拟的环境里，学生可以沉浸在自己创作的作品中，对作品的细节、材质、尺度感知得更为敏感。[7]这有利于学生思考环境因素与空间构成元素对作品效果的影响。

第三，以交互的方式设计。在虚拟现实技术的帮助下，学生与自己的作品产生交互，可以实时修改并体验自己设计的效果。例如，学生通过虚拟现实技术在自己所营造的场所中进行漫游，在过程中发现自己作品中的问题并及时进行修改。学生通过这种交互式的体验与修改积累了设计的经验，获得了掌控空间设计的能力。

第四，想象力得以提升。在虚拟环境下，学生可以不受限制地得到材质、颜色、光线、天气条件等各种资源，实时地观察自己的设计转变为实现的过程，并获得反馈。这能够极大地激发学生的想象力和创作欲望。

(三)虚拟现实技术介入经典建筑解析教学环节

在经典建筑解析教学环节中，教学方式是学生查找资料并根据经典建筑作品的特点绘制海报、分析图并制作手工模型。通过这种方式，可以让学生观察和体验经典建筑，了解建筑作品形成的背景，认识建筑设计中环境与场地的影响因素。该环节的具体教学目标如下：通过对有代表性的具体建筑形体、空间特征的分析，提高建筑设计的审美能力；通过对有代表性的具体建筑平面、功能、流线等的分析，学习建筑设计的基本方法和思路；通过对有代表性的具体建筑结构的分析，为学习建筑结构构造知识打下基础。

虚拟现实技术的介入，可以为经典建筑解析教学带来以下帮助。

第一，学习视角的转换。建筑作品中的空间是为人的使用设计的，大多数空间效果以人的视觉观察最能感受到设计的本意。根据学生的反馈，以人本视角进行观察，对空间与尺度有更多的体会。例如，在成羽町美术馆中，四面围合的空间可以让置身其中的学生产生内向精神上的共鸣，从而对空间的艺术效果有了更直观的感受。

第二，以沉浸式体验的方式学习。经典建筑中的一些元素，如质感、光线、尺度是需要以体验的方式学习。例如，在安藤忠雄所设计的光之教堂中，光线的效果就是空间的灵魂，四周朴拙的素混凝土材质对空间效果的营造具有无法替代的效果。在借助虚拟现实技术的实践教学中，学生沉浸于光之教堂的内部空间中，感受光线的变化对建筑氛围所产生的影响、柔和的光线与粗犷的混凝土材质的对比效果，对学生全面地感知建筑大师的设计理念有着积极的作用。

第三，以交互的方式锻炼设计能力。对初学者来说，最好的方式莫过于通过交互修改经典作品的元素感受不同效果，以此积累空间设计的手法，提升空间设计能力。对建筑形体与空间来说，最精妙的莫过于比例，其差之毫厘、谬以千里。学生在虚拟现实空间里对经典建筑作品进行交互式调试，可以锻炼建筑空间与形体设计的能力。

四、结语

通过对参与教改实践的学生学习过程的观察发现，虚拟现实技术的介入可以为建筑设计基础教学的三个环节带来较大改变。根据学生的反馈，虚拟现实技术的使用收到了较好的成效。借助虚拟现实技术强大且不断发展的能力，如AR和MR在结合现实环境上所展现出的巨大潜力、进一步完善的全景沉浸式三维显示技术、更为自然的交互方式、与人工智能的进一步结合等，在设计基础教学中引入虚拟现实技术，对降低设计专业的学习门槛、帮助学生更好地学习和掌握建筑设计理念、提高教育水平、降低学生学习成本、丰富教学资源及培养具有创新精神的一流人才都具有重要的积极作用。