張杰 陳恒鑫 王家輝

摘要：近年來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)日漸成熟，已經(jīng)逐步應(yīng)用在教育領(lǐng)域。為優(yōu)化教育方式、實(shí)踐教育改革，文章利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了佛光寺斗拱文化體驗(yàn)式教學(xué)軟件。針對(duì)佛光寺斗拱復(fù)雜度高、分辨構(gòu)件難等問(wèn)題，利用虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸性、交互性、想象性的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建一個(gè)交互式的虛擬仿真環(huán)境，讓建筑類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生可以親自動(dòng)手參與斗拱搭建的過(guò)程。此斗拱文化體驗(yàn)式教學(xué)軟件相較于傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式趣味度和知識(shí)保留程度更高，揭示了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在古建筑教育領(lǐng)域使用的有效性，對(duì)傳承中國(guó)古建筑文化有積極意義。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);體驗(yàn)式教學(xué);古建筑;斗拱

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.1;TU-4?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號(hào)：1005?2909（2019）03?0139?08

中國(guó)古建筑以木材、磚瓦為主要建筑材料，以木構(gòu)架結(jié)構(gòu)為主要的結(jié)構(gòu)方式。古建筑是一種文化精神的載體，古建筑教育則是對(duì)古建筑最好的保護(hù)和傳承。中國(guó)古建筑有紛繁復(fù)雜、難以還原等特點(diǎn)，使相關(guān)課程的開(kāi)展具有很高的難度，難以達(dá)到預(yù)期的效果。

山西五臺(tái)山佛光寺是全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，距今有近兩千年的歷史，是國(guó)內(nèi)現(xiàn)存的唯一唐代木構(gòu)建筑[1]。佛光寺大殿使用了大量復(fù)雜的斗拱結(jié)構(gòu)。斗拱是中國(guó)古代建筑特有的形式，由方形的斗、升、拱、翹、昂組成，是較大建筑物的柱與屋頂之間的過(guò)渡部分[2]。佛光寺大殿的斗拱構(gòu)造精巧、造型美觀，具有很高的藝術(shù)價(jià)值和研究?jī)r(jià)值，對(duì)了解唐代建筑有重要意義。斗拱種類(lèi)很多，不同種類(lèi)之間相似度高，形式和幾何關(guān)系復(fù)雜，因此，文字圖片形式的傳統(tǒng)教學(xué)達(dá)不到預(yù)期的效果，而動(dòng)手實(shí)踐需要的材料和場(chǎng)地等費(fèi)用又太過(guò)昂貴。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)作為一門(mén)新興技術(shù)，為教育領(lǐng)域提供了一個(gè)新的教育模式。如何利用這門(mén)新技術(shù)和媒介手段提升教學(xué)效果，是目前教育研究者重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。為增加學(xué)生對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)建筑技術(shù)的理解，設(shè)計(jì)虛擬仿真軟件來(lái)復(fù)原斗拱搭建的過(guò)程。相較于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了真實(shí)環(huán)境的高度還原，具有高度可視化的優(yōu)點(diǎn)，讓學(xué)生可親自動(dòng)手搭建斗拱。這種新型教學(xué)方式不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還減少了工程實(shí)踐所需開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)也是將新型教育技術(shù)應(yīng)用到古建筑教育領(lǐng)域的一個(gè)嘗試，探索虛擬現(xiàn)實(shí)

技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用對(duì)未來(lái)的教育模式優(yōu)化具有重要意義。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用到教育領(lǐng)域，有多種教育理論支撐虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)，包括構(gòu)建學(xué)習(xí)理論中的情景化教學(xué)[3-4]、游戲化學(xué)習(xí)模式[5]等。

虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)的主要方式是構(gòu)建一個(gè)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生在這個(gè)環(huán)境中接受知識(shí)，與虛擬物體互動(dòng)，實(shí)時(shí)參與學(xué)習(xí)過(guò)程。

建筑教育注重建筑設(shè)計(jì)的可視化，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)已有多個(gè)高校在這方面進(jìn)行了探索研究，例如，同濟(jì)大學(xué)建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心提出了以技術(shù)“基因圖譜”來(lái)統(tǒng)一描述虛擬技術(shù)特征的方法和一套采用“有限”虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用方案[6]，探索如何利用有限的成本來(lái)建設(shè)符合教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)條件的虛擬實(shí)驗(yàn)，并利用這套理論搭建了“虛擬建筑認(rèn)知與建造模擬實(shí)驗(yàn)系列（中國(guó)古建筑I）”，讓學(xué)生對(duì)寧波保國(guó)寺進(jìn)行構(gòu)建認(rèn)識(shí)與虛擬建造。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)開(kāi)創(chuàng)全新的學(xué)習(xí)場(chǎng)景、構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法、節(jié)約教育成本等方式來(lái)促進(jìn)教學(xué)工作和提高教學(xué)質(zhì)量。河北工程大學(xué)水電學(xué)院實(shí)現(xiàn)了河床式水電站虛擬仿真實(shí)驗(yàn)[7]，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)習(xí)，解決了學(xué)生在實(shí)習(xí)過(guò)程中不能多視角動(dòng)態(tài)觀看水利樞紐、大壩、廠房等水利水電結(jié)構(gòu)，無(wú)法親自動(dòng)手參與電站運(yùn)行、安裝和檢修的問(wèn)題，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的有效應(yīng)用。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)方式的結(jié)合

（一）將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是學(xué)科專(zhuān)業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)模擬一個(gè)真實(shí)的物理系統(tǒng)，解決教學(xué)過(guò)程中時(shí)間、空間、人力和物理的限制。各大高校在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)及優(yōu)質(zhì)資源共享等方面開(kāi)展了大量探索實(shí)踐[8]。從仿真實(shí)驗(yàn)類(lèi)型上看，演示型實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)較多，而真正的交互型實(shí)驗(yàn)很少。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一大特征是具有虛實(shí)交互性，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中融入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可增加交互性，達(dá)到虛實(shí)互補(bǔ)、虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)目的。例如，北京交通大學(xué)建立了土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)發(fā)了隧道+地鐵典型施工工法的VR模塊、道路鐵道工程實(shí)習(xí)現(xiàn)場(chǎng)VR模塊[9]，是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的典型代表。

（二）將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為多媒體教學(xué)的輔助手段

傳統(tǒng)多媒體教學(xué)方式經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展早已成熟，在教學(xué)資源的豐富度上相較于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等新型教學(xué)方式更有優(yōu)勢(shì)。但虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸感強(qiáng)、趣味性高、可交互性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量和效果。

以建筑信息化多媒體教學(xué)為例，除了傳統(tǒng)的文字圖片等教學(xué)內(nèi)容的展示外，目前極具前景的方向是使用BIM（Building Information Modeling）技術(shù)作為多媒體教學(xué)的載體，其核心思想是通過(guò)建立虛擬的建筑三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)為模型建立完整的建筑工程信息庫(kù)。建筑系學(xué)生在進(jìn)行BIM軟件教學(xué)的同時(shí)，可以引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)增強(qiáng)建筑設(shè)計(jì)的可視化程度和三維空間感，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有一定的提升。例如，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)自主研發(fā)了土建類(lèi)專(zhuān)業(yè)BIM與VR仿真教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)[10]，在土木工程施工課教學(xué)中引入BIM與VR技術(shù)，通過(guò)VR技術(shù)的交互體驗(yàn)增加學(xué)生在施工管理中的實(shí)踐能力和存在感，解決了新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合問(wèn)題，節(jié)省了教育資源。

三、斗拱體驗(yàn)式虛擬現(xiàn)實(shí)軟件教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

建筑系學(xué)生在學(xué)習(xí)“中國(guó)古代建筑史”時(shí)，會(huì)學(xué)習(xí)斗拱的知識(shí)。目前通常采用“課本+多媒體”的方式進(jìn)行教學(xué)，然而，多媒體教學(xué)只能展示教學(xué)內(nèi)容，單向傳播知識(shí)，缺乏交互，導(dǎo)致在教學(xué)中缺乏動(dòng)手實(shí)踐的過(guò)程。

對(duì)于中國(guó)古建筑教學(xué)來(lái)講，不僅要學(xué)習(xí)古建筑保護(hù)，更重要的是讓學(xué)生理解和傳承古建筑所承載的優(yōu)秀傳統(tǒng)技術(shù)和文化。針對(duì)古建筑的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)應(yīng)用寥寥無(wú)幾，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)軟件來(lái)復(fù)原斗拱的搭建過(guò)程，進(jìn)行斗拱教學(xué)。

先從教學(xué)環(huán)節(jié)和體驗(yàn)流程設(shè)計(jì)入手，遵循已有虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，考慮虛擬現(xiàn)實(shí)軟件與傳統(tǒng)桌面軟件的不同之處，針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以UE4（Unreal Engine 4）引擎為平臺(tái)，創(chuàng)建高度擬真的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生在使用時(shí)有身臨其境的感覺(jué)。

（一）前期設(shè)計(jì)要素

教學(xué)目的。為使學(xué)生充分了解佛光寺斗拱的特點(diǎn)，掌握中國(guó)古建筑的木質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)，軟件設(shè)計(jì)了學(xué)生參與斗拱搭建的場(chǎng)景。學(xué)生在使用過(guò)程中可以感受到中國(guó)古建筑的魅力，了解中國(guó)古建筑的特色構(gòu)件——斗拱的搭建流程。

學(xué)習(xí)者特點(diǎn)。建筑類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)古建筑時(shí)，往往會(huì)因?yàn)閮?nèi)容繁雜而缺乏學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)比較感興趣，在虛擬式的學(xué)習(xí)環(huán)境中學(xué)生會(huì)感到新穎，加入虛實(shí)互動(dòng)的功能讓學(xué)生對(duì)知識(shí)的記憶更加深刻。

應(yīng)用場(chǎng)合。學(xué)習(xí)中國(guó)古建筑史時(shí)，可以利用課余時(shí)間使用教學(xué)軟件輔助學(xué)習(xí)，熟悉斗拱的結(jié)構(gòu)，鞏固知識(shí)點(diǎn)。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為新型的教學(xué)手段還不夠成熟，處于發(fā)展階段，對(duì)硬件設(shè)備的要求也比較高，需要教師或其他學(xué)生指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)者使用設(shè)備。

（二）制定學(xué)習(xí)內(nèi)容

軟件主要針對(duì)佛光寺東大殿的斗拱展開(kāi)（圖1）。東大殿是佛光寺的正殿，在全寺最后的一重院落中，位置最高，是目前中國(guó)發(fā)現(xiàn)的最有份量的唐代建筑。

斗拱是學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)古建筑的重點(diǎn)內(nèi)容之一。為使學(xué)生更加輕松地了解斗拱的搭建流程、構(gòu)件的形態(tài)與功能，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)對(duì)文字、圖片、視頻等展示方式進(jìn)行補(bǔ)充，發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸性、交互性、想象性的特點(diǎn)，使學(xué)生身臨其境地參與斗拱的搭建。將佛光寺斗拱部分分離出來(lái)放置在一個(gè)特殊的區(qū)域，學(xué)生在這個(gè)區(qū)域?qū)Χ饭斑M(jìn)行拼裝學(xué)習(xí)，熟悉斗拱的搭建流程和各構(gòu)件的形狀、功能。

此外，軟件還提供佛光寺東大殿漫游功能，學(xué)生可以進(jìn)入佛光寺東大殿的虛擬場(chǎng)景漫游，熟悉佛光寺的整體布局，了解斗拱在佛光寺東大殿的位置和作用。

（三）體驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

圍繞斗拱搭建的過(guò)程，軟件設(shè)計(jì)的整個(gè)場(chǎng)景采用電梯模式，下層用于輸入姓名和相關(guān)信息，中間一層是詳細(xì)教程，學(xué)生在此可選擇是否漫游佛光寺場(chǎng)景，上層進(jìn)入核心的斗拱搭建環(huán)節(jié)。搭建完成后，系統(tǒng)會(huì)顯示搭建用時(shí)和評(píng)分，供學(xué)生參考。體驗(yàn)環(huán)節(jié)流程如圖2所示?？紤]到大多數(shù)學(xué)生對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還比較陌生，沒(méi)有使用虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)游戲或應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，故在教程環(huán)節(jié)中需要對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的使用、按鍵的詳細(xì)功能、斗拱搭建的基本步驟進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，讓學(xué)生了解如何在虛擬環(huán)境中展開(kāi)交互。

（四）基于虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)的設(shè)計(jì)策略

軟件參考了文獻(xiàn)[11]的敘述進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立仿真學(xué)習(xí)環(huán)境，來(lái)實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)式學(xué)習(xí)。體驗(yàn)式學(xué)習(xí)是以學(xué)習(xí)者為中心，通過(guò)真實(shí)或虛擬地經(jīng)歷某一件事情或過(guò)程，并經(jīng)過(guò)反思來(lái)獲得知識(shí)、發(fā)展能力、生成情感的學(xué)習(xí)方式。

體驗(yàn)式學(xué)習(xí)相較于傳統(tǒng)課本或多媒體等學(xué)習(xí)方式，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、增加學(xué)習(xí)者的參與感，也有利于具體經(jīng)驗(yàn)向抽象概念轉(zhuǎn)化。虛擬現(xiàn)實(shí)軟件與傳統(tǒng)桌面軟件的不同之處是要求使用者實(shí)時(shí)參與其中，因此，提出以下用于設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的原則。

1.適當(dāng)真實(shí)性和抽象性原則

虛擬現(xiàn)實(shí)的一大優(yōu)勢(shì)就是給使用者帶來(lái)強(qiáng)烈的沉浸感，要求虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境具有較高的擬真度，對(duì)環(huán)境的渲染要求更高，對(duì)模型要求更精細(xì)。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境可實(shí)現(xiàn)在真實(shí)環(huán)境中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，使單人搭建斗拱成為可能。在斗拱搭建的場(chǎng)景中，應(yīng)將使用者放置在一個(gè)高度仿真的環(huán)境，提高用戶的沉浸度。將斗拱的構(gòu)件按照一定比例縮小，在搭建過(guò)程中隨時(shí)拖放和旋轉(zhuǎn)已搭建好的部分，原地就可完成斗拱的搭建。

2.易于操作原則

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使學(xué)習(xí)環(huán)境與真實(shí)世界隔離開(kāi)，在虛擬環(huán)境中使用運(yùn)動(dòng)控制器與周?chē)矬w進(jìn)行交互。交互設(shè)計(jì)不合理，易給學(xué)習(xí)者帶來(lái)很大的困擾，學(xué)習(xí)者不知道如何在虛擬空間中進(jìn)行場(chǎng)景切換，影響其學(xué)習(xí)的興趣和積極性。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，應(yīng)采取最常用的操作方式，并在手柄按鍵處添加提示信息。在斗拱搭建環(huán)節(jié)，將限制用戶的移動(dòng)，并添加一個(gè)教學(xué)過(guò)程，利用圖標(biāo)和文字信息使用戶熟悉在虛擬環(huán)境中的操作。

3.短時(shí)間使用原則

由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的局限性，用戶長(zhǎng)時(shí)間在一個(gè)虛擬、封閉的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)環(huán)境中，進(jìn)行體驗(yàn)、觀察和操作等學(xué)習(xí)活動(dòng)，包括動(dòng)腦、動(dòng)手、肢體動(dòng)作等，會(huì)產(chǎn)生一定的眩暈感和不適感。學(xué)習(xí)內(nèi)容不宜太多和過(guò)于復(fù)雜，否則會(huì)給學(xué)習(xí)者帶來(lái)較大的心理負(fù)擔(dān)。模仿現(xiàn)實(shí)的搭建過(guò)程，不會(huì)給學(xué)習(xí)者帶來(lái)過(guò)多的學(xué)習(xí)時(shí)間成本。在搭建過(guò)程中，遇到不確定的步驟時(shí)，可以隨時(shí)查看提示，方便學(xué)習(xí)者操控。瀏覽漫游佛光寺東大殿為可選擇項(xiàng)，僅僅是對(duì)佛光寺的整體布局留下印象，不會(huì)有過(guò)多的互動(dòng)內(nèi)容讓學(xué)習(xí)者感到疲憊。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件的具體實(shí)現(xiàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)的內(nèi)容使用3DMax軟件完成主要的建模工作，然后利用UE4引擎作為軟件的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。UE4引擎是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中最常用的軟件之一，優(yōu)點(diǎn)是功能豐富、渲染能力強(qiáng)大，非常適合構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，同時(shí)該引擎支持C++編程語(yǔ)言，適合內(nèi)容和功能擴(kuò)展。硬件主要使用HTC vive頭戴顯示器及高性能PC。

（一）佛光寺東大殿場(chǎng)景及斗拱模型制作

文獻(xiàn)[12]以大覺(jué)寺的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹了中國(guó)古建筑虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集和處理，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件的數(shù)據(jù)收集有重要的參考意義。依照大覺(jué)寺虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和貼圖處理步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)UE4引擎的特點(diǎn)給予適當(dāng)調(diào)整。

根據(jù)現(xiàn)存的佛光寺資料和佛光寺實(shí)地信息，在3DMax軟件中制作對(duì)應(yīng)的模型，然后將模型文件導(dǎo)入U(xiǎn)E4中，設(shè)計(jì)與實(shí)物對(duì)應(yīng)的貼圖和材質(zhì)（圖3）。在UE4中建造地形和佛光寺東大殿周?chē)沫h(huán)境，添加光源進(jìn)行烘焙，盡可能還原現(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)景。

佛光寺的斗拱是佛光寺的特色部分，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)對(duì)象。佛光寺斗拱共有7種，選取其中具有代表性的3種斗拱——外檐柱頭鋪?zhàn)鳌⑼忾苻D(zhuǎn)角鋪?zhàn)?、外檐補(bǔ)間鋪?zhàn)鳌６饭白鳛閷W(xué)生交互設(shè)計(jì)的主要對(duì)象，模型設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接影響學(xué)生的操作感受。佛光寺斗拱經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)吹日曬，部分構(gòu)件發(fā)生了一定的腐蝕。軟件著重于斗拱搭建過(guò)程，注重的是斗拱的形狀和結(jié)構(gòu)關(guān)系，忽略因時(shí)間引起的腐蝕和晦暗。所有斗拱均由古建筑專(zhuān)家提供詳細(xì)資料，用于對(duì)每種構(gòu)件建模和貼圖材質(zhì)制作。

（二） 斗拱搭建邏輯的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

佛光寺東大殿的斗拱有多種類(lèi)型，每種斗拱的搭建流程都不一樣。為了反映斗拱的正確搭建流程和構(gòu)件之間的正確關(guān)系，方便在不同的斗拱之間進(jìn)行擴(kuò)展，用C++語(yǔ)言定義斗拱搭建過(guò)程中的各種邏輯關(guān)系，如圖4所示。通過(guò)程序建模，學(xué)生能在教學(xué)環(huán)節(jié)中自己動(dòng)手搭建斗拱，并能通過(guò)相應(yīng)的接口分辨搭建步驟的正確與否。

圖4中，BucketArch代表斗拱，Step代表搭建步驟，Aseemble代表兩個(gè)構(gòu)件的關(guān)系。Location和Rotation分別用來(lái)表示構(gòu)件的相對(duì)位置和相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度。對(duì)于有對(duì)稱(chēng)性的構(gòu)件，采用多個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度來(lái)記錄構(gòu)件之間的關(guān)系。同時(shí)，定義兩個(gè)枚舉類(lèi)BAT（BucketArchType）、CT（ComponentType）來(lái)表示不同的斗拱類(lèi)型和構(gòu)件類(lèi)型。學(xué)生在體驗(yàn)時(shí)先通過(guò)枚舉類(lèi)選擇對(duì)應(yīng)的斗拱，在斗拱搭建過(guò)程中，從菜單中選出構(gòu)件，調(diào)用compose接口判斷此構(gòu)件是否為當(dāng)前步驟所需。學(xué)生在放置構(gòu)件時(shí)，通過(guò)compose接口判斷構(gòu)件放置的位置是否正確。斗拱搭建過(guò)程比較復(fù)雜，學(xué)生在搭建過(guò)程中不知道如何放置構(gòu)件而停滯不前，因此，添加提示信息相當(dāng)有必要。在合適的地方存放了斗拱正確搭建過(guò)程的三維演示動(dòng)畫(huà)，學(xué)生在遇到困難時(shí)可以隨時(shí)查看演示動(dòng)畫(huà)，從而使搭建過(guò)程繼續(xù)下去。

（三）虛擬現(xiàn)實(shí)常用交互功能的實(shí)現(xiàn)

利用UE4引擎的藍(lán)圖可視化編程工具和C++相結(jié)合，對(duì)重要的功能和操作進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，包括斗拱的旋轉(zhuǎn)和拖拽、搭建用時(shí)和步驟的顯示、斗拱構(gòu)件選擇菜單自動(dòng)生成等，圖5展示了虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中核心的斗拱搭建部分。在漫游佛光寺東大殿時(shí)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)中常見(jiàn)的瞬移漫游方式，可有效減少學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中發(fā)生眩暈的概率。

五、學(xué)生參與結(jié)果的調(diào)查分析

（一）調(diào)查目的和步驟

為驗(yàn)證虛擬現(xiàn)實(shí)軟件對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)斗拱知識(shí)的教學(xué)效果，設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)照傳統(tǒng)教學(xué)方式的調(diào)查實(shí)驗(yàn)。

參與調(diào)查的學(xué)生共有25名，都是在讀研究生，其中18名為建筑類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生。這些學(xué)生沒(méi)有使用過(guò)或很少使用過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。

學(xué)生佩戴好虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，按照相應(yīng)的流程，先輸入姓名學(xué)號(hào)，查看具體的教程，再進(jìn)入斗拱搭建環(huán)節(jié)，完成斗拱搭建，記憶每個(gè)斗拱構(gòu)件的名字和位置等信息。完成實(shí)驗(yàn)后，對(duì)每位學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查和知識(shí)檢測(cè)。使用問(wèn)卷來(lái)調(diào)查學(xué)生對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的體驗(yàn)感受和教學(xué)評(píng)價(jià)。知識(shí)檢測(cè)的內(nèi)容分為兩類(lèi)，一類(lèi)是識(shí)別不同的構(gòu)件，包括構(gòu)件的名字和形狀，另一類(lèi)是斗拱在搭建過(guò)程中所在步驟及與其他構(gòu)件之間的相對(duì)關(guān)系。

按照傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)方式設(shè)置對(duì)照組，利用紙質(zhì)資料和斗拱搭建的演示動(dòng)畫(huà)來(lái)進(jìn)行教學(xué)。學(xué)生用相同的時(shí)間學(xué)習(xí)相關(guān)的斗拱知識(shí)，最后完成相同內(nèi)容的知識(shí)檢測(cè)。

（二）調(diào)查結(jié)果反饋

大多數(shù)學(xué)生對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)方式的評(píng)價(jià)是積極的，相較于傳統(tǒng)方式有更濃的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)記錄答題正確次數(shù)和正確率（圖6、表1）來(lái)反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，以單因素方差分析（表2）檢驗(yàn)兩種教學(xué)方式在答題正確率上的差異，可知虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)中學(xué)生的答題正確率顯著高于多媒體教學(xué)的正確率，驗(yàn)證了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)古建筑教育的推動(dòng)作用。

六、結(jié)語(yǔ)

構(gòu)思、設(shè)計(jì)用于中國(guó)古建筑教育的佛光寺斗拱搭建體驗(yàn)式教學(xué)軟件，提供給建筑專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)使用。軟件充分利用了虛擬現(xiàn)實(shí)在視覺(jué)效果和交互性上的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了一個(gè)體驗(yàn)式、沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境。針對(duì)繁多的斗拱種類(lèi)和復(fù)雜的拼接步驟和細(xì)節(jié)，設(shè)計(jì)了具有高還原度的斗拱搭建交互過(guò)程，使斗拱這一中國(guó)古建筑元素在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下得以重現(xiàn)。在下一步的工作中，將軟件應(yīng)用于一般類(lèi)建筑，實(shí)現(xiàn)更多功能、更多角度的交互設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一套科學(xué)的評(píng)分系統(tǒng)來(lái)輔助教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展，進(jìn)行結(jié)果測(cè)評(píng)，使這個(gè)軟件成為建筑系仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高度集成體。參考文獻(xiàn)：

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Application of virtual reality in Chinese ancient architecture education：

Design and implementation of experiential teaching soft of bucket arch culture

ZHANG Jie ， CHEN Hengxin， WANG Jiahui

（College of Computer Science， Chongqing University， Chongqing 400044， P. R. China）

Abstract：

In recent years， virtual reality technology has become increasingly mature and has gradually been applied in the field of education. In order to optimize the education mode and practice education reform， the article uses virtual reality technology to design and implement a bucket arch culture experiential teaching application for the famous ancient architecture Foguang Temple. The components of the bucket arch have the characteristics of high complexity and difficulty in distinguishing. Because of the immersive， interactive， and imaginative advantages of virtual reality， architectural students can participate in the process of bucket arch construction in the virtual environment. The results of student participation show that the bucket arch learning virtual reality platform is higher than the traditional learning mode in interest and knowledge retention. It reveals the effectiveness of virtual reality in the field of ancient architecture education and has positive significance for inheriting ancient Chinese architectural culture.

Key words：virtual reality;experiential teaching; ancient architecture; bucket arch construction