VR技術(shù)應(yīng)用于高職院校建筑工程類課程教學(xué)研究

張 宓，楊 旸

(云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，昆明 650224)

VR技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)Virtual Reality技術(shù)的縮寫，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)[1]，是一種具有沉浸感、構(gòu)想性、交互性的新型技術(shù)，被廣泛運(yùn)用于醫(yī)療、影視、娛樂等領(lǐng)域。

1 VR技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

VR技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)在物理理論、信息技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域都有較好的基礎(chǔ)，運(yùn)用也較為廣泛，主要基于以下幾個(gè)特點(diǎn)[2]：

交互沉浸性。VR技術(shù)有著較強(qiáng)的沉浸感和交互感，讓體驗(yàn)者在虛擬場(chǎng)景中感知到真實(shí)的感受，同時(shí)提供人的感知能力及主觀行為、空間場(chǎng)景等方面的模擬，以接近真實(shí)程度。

經(jīng)濟(jì)性。在一些項(xiàng)目領(lǐng)域，現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備或項(xiàng)目系統(tǒng)等都十分昂貴，而VR技術(shù)可以通過技術(shù)能力實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目設(shè)備達(dá)到一樣的效果并只需要花費(fèi)相對(duì)于現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目設(shè)備更少的錢，且可以重復(fù)使用，大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。

空間性。一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備或項(xiàng)目占地面積大，工藝復(fù)雜，對(duì)于所需空間要求較高，而VR技術(shù)則只需要很小的面積和設(shè)備可模擬出各類場(chǎng)景，提高了實(shí)驗(yàn)效率并節(jié)約了使用空間。

安全性。在現(xiàn)實(shí)中一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和設(shè)備的使用都面臨一些安全風(fēng)險(xiǎn)，VR技術(shù)可以通過模擬演練等方式規(guī)避此類風(fēng)險(xiǎn)，或者通過模擬演示形式，在保證人員安全的前提下，模擬風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的傷害。可通過技術(shù)手段避免出現(xiàn)誤操作而對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備造成損傷。

可模擬性。在一些實(shí)驗(yàn)過程中需要模擬一些外部影響因素或不同環(huán)境的影響，VR技術(shù)可以通過模擬外部環(huán)境等形式模擬出實(shí)驗(yàn)所需要的條件，以此滿足實(shí)驗(yàn)要求，同時(shí)排除一些外部干擾因素，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為準(zhǔn)確。

可預(yù)測(cè)性。一些實(shí)驗(yàn)過程周期相對(duì)較長(zhǎng)，得到結(jié)果的時(shí)間也較長(zhǎng)，VR技術(shù)則可以通過設(shè)置的條件，提前模擬出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

2 VR技術(shù)教學(xué)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)由于相關(guān)技術(shù)起步較晚，在VR技術(shù)的應(yīng)用方面相對(duì)較少。近年來，國(guó)家對(duì)VR技術(shù)的支持力度加大，市場(chǎng)反響較為熱烈，發(fā)展較為迅速。許多院校建立了相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，開始展開對(duì)VR技術(shù)在應(yīng)用方面的研究。比如北京航空航天大學(xué)建立了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)國(guó)家教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江大學(xué)建立了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[3]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校都對(duì)VR技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的科學(xué)技術(shù)研究。從目前情況來看，國(guó)內(nèi)高校對(duì)于VR技術(shù)的研究與應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 建立虛擬仿真校園

為了方便學(xué)生在校學(xué)習(xí)生活，突出校園環(huán)境和學(xué)習(xí)氛圍對(duì)學(xué)校教學(xué)活動(dòng)可能產(chǎn)生的影響，運(yùn)用VR技術(shù)可以仿真出一個(gè)校園，比如浙江大學(xué)、天津大學(xué)就運(yùn)用該技術(shù)設(shè)計(jì)出了一個(gè)虛擬校園。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)于新型實(shí)用功能的需求，虛擬校園除了瀏覽以外，還需要提供教學(xué)、生活便利等更多功能，以促進(jìn)現(xiàn)有平臺(tái)的使用更加多元化。

2.2 虛擬教學(xué)

基于VR技術(shù)沉浸感、構(gòu)想性、交互性的特點(diǎn)，該項(xiàng)技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域，特別是在一些理工科的教學(xué)中具有較為廣泛的運(yùn)用。例如，同濟(jì)大學(xué)建筑學(xué)院就擁有一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)室里的相關(guān)設(shè)備，了解觀察建筑物相關(guān)的建筑構(gòu)配件，同時(shí)可以對(duì)建筑設(shè)計(jì)和建筑景觀等方面進(jìn)行仿真，以達(dá)到較為直觀的教學(xué)效果。西安交通大學(xué)在城市規(guī)劃、駕駛員培訓(xùn)等方面也增加了虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用。中國(guó)科技大學(xué)在物理實(shí)驗(yàn)方面也廣泛運(yùn)用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并形成了諸如大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)軟件、幾何光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)等產(chǎn)品[4]。

目前，我國(guó)在教育方面的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用還停留在初級(jí)階段，并且主要以PC平臺(tái)為主，真正的浸入式的VR技術(shù)系統(tǒng)非常少。在我國(guó)教育領(lǐng)域中特別是建筑類專業(yè)中，VR技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用還有很大的提升空間，前景廣闊，這將促使更多機(jī)構(gòu)研發(fā)和運(yùn)用VR技術(shù)，為VR技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供更多理論和技術(shù)支持。

3 VR技術(shù)運(yùn)用于建筑工程類課程教學(xué)的意義

利用VR技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，可以將一些建筑結(jié)構(gòu)和相關(guān)配套設(shè)施以及實(shí)踐課程，通過虛擬的環(huán)境讓學(xué)生比較直觀地觀察、感受和操作建筑類工程，提高學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知和掌握，進(jìn)而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過程。

3.1 有利于情景教學(xué)的開展

從高職院校建筑工程類教學(xué)現(xiàn)狀來看，大部分高職院校以理論結(jié)合實(shí)踐的教學(xué)方式進(jìn)行。其中，理論類教學(xué)往往由授課教師針對(duì)書本內(nèi)容進(jìn)行較為直觀的講授，不利于激發(fā)學(xué)生的空間想象能力，對(duì)建筑構(gòu)配件和結(jié)構(gòu)的理解也不夠生動(dòng)和具體，造成理論知識(shí)掌握不夠深、不夠透，降低了教學(xué)效果。VR技術(shù)可以營(yíng)造出虛擬的環(huán)境，并且通過計(jì)算機(jī)仿真建模，模擬出建筑物構(gòu)配件的形狀和功能，學(xué)生能親身經(jīng)歷和感知，相比空洞抽象的說教更具有說服力，能讓學(xué)生更加主動(dòng)地接受學(xué)習(xí)理論知識(shí)點(diǎn)。

3.2 節(jié)約實(shí)踐教學(xué)成本

在實(shí)踐教學(xué)方面，由于建筑工程類課程是以實(shí)踐為主的課程，課程中大量的實(shí)踐內(nèi)容對(duì)于鞏固和增強(qiáng)學(xué)生專業(yè)知識(shí)具有重要作用。但是，部分高職院校受到經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地等方面的因素影響，導(dǎo)致若要開展相關(guān)實(shí)踐教學(xué)，就要投入大量經(jīng)費(fèi)，且場(chǎng)地和經(jīng)費(fèi)的使用局限性相對(duì)較高，無(wú)法正常開展教學(xué)實(shí)踐[5]。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)或教學(xué)過程中會(huì)運(yùn)用大量的建筑材料，一些建筑材料在使用過后的保存和處理也較為困難。VR技術(shù)可以建立虛擬實(shí)踐平臺(tái)，利用虛擬仿真技術(shù)對(duì)相關(guān)實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行虛擬操作，提供與真實(shí)操作一致的實(shí)踐體驗(yàn)，同時(shí)一個(gè)平臺(tái)還可以滿足多種實(shí)踐操作的仿真任務(wù)，節(jié)約了經(jīng)費(fèi)和場(chǎng)地，減少了建筑廢料的產(chǎn)生，讓學(xué)生反復(fù)操作以達(dá)到鞏固知識(shí)點(diǎn)的目的。

3.3 規(guī)避實(shí)踐教學(xué)風(fēng)險(xiǎn)

建筑施工技術(shù)、工程測(cè)量等課程的實(shí)踐教學(xué)，本身在實(shí)際操作過程中就存在一定的危險(xiǎn)性，學(xué)生若經(jīng)驗(yàn)不足或知識(shí)掌握不夠扎實(shí)，容易因操作失誤而造成安全事故，產(chǎn)生不可挽回的損失。VR技術(shù)能夠通過虛擬仿真的操作，使學(xué)生和教師在虛擬的實(shí)踐環(huán)境中進(jìn)行一些風(fēng)險(xiǎn)操作，既鍛煉了操作技能，又規(guī)避了風(fēng)險(xiǎn)，還解決了耗材高的問題。

3.4 打破空間、時(shí)間限制

一項(xiàng)建筑工程項(xiàng)目從設(shè)計(jì)初期到工程竣工驗(yàn)收，會(huì)經(jīng)歷一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的過程，高職學(xué)生在有限的學(xué)習(xí)時(shí)間里很難全程參與和了解。同時(shí)，一些空間想象能力較弱的學(xué)生也很難將平面的二維圖紙，想象成立體的三維圖形。VR技術(shù)不僅可以生成虛擬的建筑物，讓學(xué)生步入虛擬的建筑內(nèi)部了解建筑工程的具體情況，體驗(yàn)沉浸式教學(xué)，還可以將時(shí)間較長(zhǎng)的建筑物建造過程，通過較短的時(shí)間呈現(xiàn)給學(xué)生，讓其在有限的時(shí)間全程參與建筑物的建造過程并掌握每個(gè)過程的具體內(nèi)容。

4 VR技術(shù)在建筑工程類課程教學(xué)中的應(yīng)用

4.1 利用VR技術(shù)構(gòu)建建筑模型

當(dāng)課程教學(xué)中涉及梁、板、柱、墻等建筑物構(gòu)配件時(shí)，可以將此類建筑構(gòu)配件制作成建筑信息模型[6]，這樣可以較為直觀地展示出該類構(gòu)配件的三維模型，如某個(gè)構(gòu)件的使用材料、某個(gè)梁內(nèi)部的配筋情況、某個(gè)地坪的施工做法順序等，并可通過虛擬建筑信息構(gòu)配件的相互組合搭建成為完整的建筑物模型。例如，在一些建筑結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜或特殊的建筑物中，可通過VR技術(shù)將這類建筑物所有結(jié)構(gòu)制作成虛擬建筑模型，利用對(duì)建筑信息模型單個(gè)拆解或多個(gè)組合等方式，直觀地展示給學(xué)生，讓學(xué)生充分掌握復(fù)雜和特殊的建筑形式，提升教學(xué)效果。

4.2 利用VR技術(shù)進(jìn)行物理環(huán)境模擬

當(dāng)今建筑工程類課程教學(xué)越來越注重可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)容，建筑物所處的外部環(huán)境對(duì)建筑物的影響體現(xiàn)得尤為明顯，在注重綠色、生態(tài)、環(huán)保的可持續(xù)設(shè)計(jì)理念下，可以通過VR技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)階段，對(duì)建筑物的聲環(huán)境、光環(huán)境、熱環(huán)境等物理環(huán)境，進(jìn)行模擬設(shè)定與分析[7]。例如，在建筑的設(shè)計(jì)中，可以模擬該建筑所在地區(qū)的熱環(huán)境，讓學(xué)生在建筑物外立面構(gòu)造設(shè)計(jì)或材料設(shè)計(jì)方面選擇較為經(jīng)濟(jì)節(jié)能的構(gòu)件形式，從而降低建筑成本或建筑能耗，或者可以通過VR技術(shù)模擬該建筑全年的光照情況，進(jìn)而對(duì)該建筑物內(nèi)部各房建的采光進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。又如，在音樂廳的設(shè)計(jì)中，可以通過模擬的聲環(huán)境反映該設(shè)計(jì)方案中音樂廳內(nèi)觀眾的實(shí)際收聽效果，從而再對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改，以達(dá)到最完美的收聽效果。

4.3 利用VR技術(shù)開展仿真實(shí)踐

仿真實(shí)踐是VR技術(shù)運(yùn)用到建筑類課程教學(xué)的主要內(nèi)容，可通過虛擬仿真技術(shù)搭建實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)，建筑類不同專業(yè)學(xué)生可通過平臺(tái)模擬完成自己所學(xué)專業(yè)涉及的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐。建筑施工類專業(yè)學(xué)生可以通過平臺(tái)生成所有建筑施工技術(shù)所需掌握的實(shí)踐課程，學(xué)生根據(jù)操作要求，在虛擬平臺(tái)上動(dòng)手完成如綁扎鋼筋、澆筑混凝土、磚墻砌筑等一系列建筑施工技術(shù)操作。工程測(cè)量類專業(yè)學(xué)生可以通過虛擬平臺(tái)生成一塊測(cè)量場(chǎng)地，通過對(duì)虛擬設(shè)備進(jìn)行操作，熟悉設(shè)備操作流程，完成該場(chǎng)地的測(cè)量工作。建筑設(shè)計(jì)類專業(yè)學(xué)生可通過平臺(tái)完成自己的建筑設(shè)計(jì)，并通過虛擬建筑信息模型，生成自己的設(shè)計(jì)內(nèi)容，直觀展示自己的設(shè)計(jì)成果。工程造價(jià)類專業(yè)學(xué)生可以通過平臺(tái)模擬某建筑物的施工圖和配套的文件規(guī)范，可較為直觀簡(jiǎn)單地掌握識(shí)圖技能，提升工程算量效率。同時(shí)，VR技術(shù)還能完成一些專業(yè)群平臺(tái)課的模擬實(shí)驗(yàn)。例如，電工應(yīng)用技術(shù)課程中，可以通過模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成電工類實(shí)驗(yàn)操作；建筑材料課程中，可以通過模擬混凝土凝結(jié)過程，直觀講解水灰比對(duì)于混凝土的影響。

4.4 利用VR技術(shù)開展沉浸式教學(xué)

通過VR仿真技術(shù)開展沉浸式教學(xué)，可以模擬出古建筑或知名建筑物等真實(shí)的建筑場(chǎng)景，學(xué)生可以通過虛擬技術(shù)在這類建筑的虛擬場(chǎng)景中漫游，進(jìn)而對(duì)建筑史有更全面的了解。也可以模擬出一些虛構(gòu)或尚未建成的建筑物，以此模擬一些概念性或具有未來發(fā)展趨勢(shì)的建筑物，培養(yǎng)學(xué)生在新興建筑設(shè)計(jì)、綠色建筑設(shè)計(jì)等方面的興趣點(diǎn)。通過將VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)過程中，能夠幫助學(xué)生理解傳統(tǒng)模式下較難掌握的知識(shí)點(diǎn)。例如，學(xué)生可以通過VR技術(shù)生成某個(gè)建筑物，再通過虛擬設(shè)備進(jìn)入到建筑的虛擬環(huán)境中，這種教學(xué)模型不僅可以完成該建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的展示，當(dāng)涉及房地產(chǎn)營(yíng)銷、室內(nèi)設(shè)計(jì)等相關(guān)課程時(shí)，還可以將其作為戶型結(jié)構(gòu)、改造方案、軟裝設(shè)計(jì)的介紹。在工程管理方面，可以通過VR技術(shù)進(jìn)行容錯(cuò)方面的實(shí)驗(yàn)，如可以設(shè)定不同的建筑施工或管理方案，對(duì)整個(gè)方案進(jìn)行建模，模擬不同方案的應(yīng)用過程及結(jié)果，并動(dòng)態(tài)化地反映出該方案可能存在的問題，以便于學(xué)生及時(shí)對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整，并選擇最優(yōu)方案。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，VR技術(shù)在教學(xué)方面的應(yīng)用也將帶來更多優(yōu)勢(shì)和便捷。對(duì)于高職院校建筑類課程的應(yīng)用，由于VR技術(shù)的沉浸性、交互性等多種特點(diǎn)，其運(yùn)用范圍也將越來越廣，有效解決了授課效率低、實(shí)踐操作困難、教學(xué)成本高、資源浪費(fèi)大等問題，增加了課程的多樣性和實(shí)用性，提高了教學(xué)質(zhì)量。